治療計劃系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置對vma計劃質(zhì)量的影響

治療計劃系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置對vma計劃質(zhì)量的影響

體積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放射治療（vmat）是目前的調(diào)強放射治療技術(shù)。與傳統(tǒng)的調(diào)強放射治療技術(shù)（imrt）不同，模擬器的輸出角度、輸出率和mlc葉片的位置同時變化。相對于IMRT,VMAT治療時間更短,劑量輸出的效率更高,患者的治療質(zhì)量更好。目前,已有Pinnacle、Eclipse、Oncentra、Monaco等多種放射治療計劃系統(tǒng)支持VMAT治療技術(shù),但不同的治療計劃系統(tǒng)中的參數(shù)設(shè)置差異較大,對VMAT計劃質(zhì)量影響也大。Monaco治療計劃系統(tǒng)是基于生物模型和物理模型相結(jié)合的優(yōu)化算法,并且劑量計算算法是XVMC快速蒙特卡羅算法。若要在Monaco治療計劃系統(tǒng)中優(yōu)化出臨床可接受且較高質(zhì)量的VMAT治療方案,系統(tǒng)中的參數(shù)設(shè)置非常重要。本研究以Monaco治療計劃系統(tǒng)中不同參數(shù)設(shè)置對VMAT治療質(zhì)量的影響,分析出合適的參數(shù)設(shè)置以提高VMAT治療質(zhì)量,滿足臨床要求。1數(shù)據(jù)和方法1.1患者一般資料的設(shè)置研究使用放射治療計劃系統(tǒng)是Monaco2.03(Elekta),加速器為ElektaSynergy醫(yī)用直線加速器。在Monaco治療計劃系統(tǒng)中對調(diào)強計劃的質(zhì)量產(chǎn)生影響的參數(shù)主要為子野形狀屬性(segmentshapeproperties)中的6個參數(shù),包括最大形狀變化(maxofshapechanges)、最小子野尺寸(minsegmentsize)、子野抑制因子(segmentsuppressionfactor)、平滑因子(smooth)、每子野最小機器跳數(shù)(minMU/seg-ment)和最小劑量率(mindoserate),簡稱為MSC、MSS、SSF、Sm、MMS和MDR。6個參數(shù)的取值設(shè)置范圍見表1。選取不同部位和不同靶區(qū)形狀的3例已做VMAT治療的患者進行回顧性分析,年齡45～62歲。所有患者均有完整的臨床資料。其中按病理組織學類型分,食管癌和宮頸癌均為鱗癌,鼻咽癌為低分化癌;按TNM分期,食管癌為III期、宮頸癌為IIB期,鼻咽癌為IIA期。分別對子野形狀屬性中的6個參數(shù)取不同的數(shù)值,重新進行容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強優(yōu)化并計算劑量。相對于原臨床計劃,每個新的治療計劃均僅改變1個參數(shù),其他參數(shù)及所有治療計劃設(shè)置(包括目標函數(shù)等)均不變。3例患者的計劃參數(shù)具體設(shè)置及處方劑量見表1,均為常規(guī)劑量分割治療。1.2療效評價指標評估以上參數(shù)的取值對VMAT治療質(zhì)量的影響。治療計劃質(zhì)量的評估方法包括等劑量分布、劑量體積直方圖(DVH)、靶區(qū)適形度指數(shù)(CI)、均勻性指數(shù)(HI)、控制點數(shù)(segments/CP)、機器跳數(shù)(monitorunits,MU)、評估照射時間(estimatedtotaldeliverytime)及臨床可接受性。對于不同的患者,分析總結(jié)出合適的治療計劃參數(shù)設(shè)置以提高VMAT治療質(zhì)量。靶區(qū)適形度指數(shù)的計算公式參照文獻:CI=(VTref/VT)×(VTref/Vref)式中VTref為參考等劑量線所覆蓋的靶體積,VT為靶體積,Vref為參考等劑量面所包含的總體積。均勻性指數(shù)的計算公式采用:HI=D5%-D95%(%)式中D5%和D95%分別是5%和95%靶體積所受到的照射劑量。2sm、mms和mdr參數(shù)取值對治療計劃質(zhì)量的影響MSC、MSS和SSF參數(shù)取表1中的不同數(shù)值時,每一患者的所有計劃的靶區(qū)適形度、均勻性、DVH、控制點數(shù)、機器跳數(shù)和總評估照射時間均不變,即VMAT治療計劃質(zhì)量不變,表明對VMAT計劃質(zhì)量不產(chǎn)生影響。而Sm、MMS和MDR參數(shù)的不同取值將改變靶區(qū)適形度、均勻性、DVH、控制點數(shù)、機器跳數(shù)和總評估照射時間,因此對VMAT治療計劃質(zhì)量發(fā)生影響。由3例患者的不同治療計劃比較顯示,當Sm、MMS和MDR參數(shù)取值分別為8、5和5.5時,食管癌的治療計劃質(zhì)量較好,在保證臨床計劃劑量分布質(zhì)量及保護肺、脊髓和心臟等危及器官的同時治療效率較高。當Sm、MMS和MDR參數(shù)取值分別為5、5和5.5時,宮頸癌的治療計劃質(zhì)量較好,在保證臨床計劃劑量分布質(zhì)量及保護膀胱、直腸和小腸等危及器官的同時治療效率較高。當Sm、MMS和MDR參數(shù)取值分別為5.4和3.5時,鼻咽癌的治療計劃質(zhì)量較好,同時治療效率較高。2.1治療計劃的比較圖1顯示了計劃參數(shù)取不同值時食管癌VMAT計劃的DVH比較。其中圖1a為Sm取值分別是2、5、8時食管癌各治療計劃DVH曲線比較結(jié)果;圖1b為MMS取值分別是2、5、10時治療計劃DVH圖的比較結(jié)果;圖1c為MDR取值分別是0.6、3.0、5.5時治療計劃DVH圖的比較結(jié)果。當Sm取值分別為2、5、8時,食管癌的這3個治療計劃均能被臨床接受,但計劃質(zhì)量存在差異。隨著Sm值增大,劑量分布和DVH結(jié)果逐漸變差。表2分析了不同計劃參數(shù)的食管癌VMAT計劃中各評估參數(shù)的比較結(jié)果。隨著Sm值的增大,計劃靶區(qū)的適形度和均勻性以及脊髓、全肺和心臟等各危及器官的評估指數(shù)均逐漸變差,但總體變化并不顯著;而控制點數(shù)、機器跳數(shù)和照射時間均逐漸減小,治療有效性逐漸提高。當MMS取值分別為2和5時治療計劃均能被臨床接受,但取值增加到10時計劃不能被臨床接受。隨著MMS值的增大,劑量分布和DVH結(jié)果逐漸變差;表2中計劃靶區(qū)及危及器官的各評估指數(shù)顯示出相同結(jié)果。而隨著MMS增大,控制點數(shù)、機器跳數(shù)和照射時間均減小,治療有效性逐漸提高。當MDR取值分別為5.5和7.5時,DVH完全相同。對MDR取值不同的這4個食管癌計劃均能被臨床接受,隨著MDR值的增大,劑量分布和DVH結(jié)果先是逐漸變差,當MDR增大到某個值后結(jié)果保持不變;表2中計劃靶區(qū)及危及器官的各評估指數(shù)顯示出相同結(jié)果。而隨著MDR增大,控制點數(shù)和機器跳數(shù)均是先增大后不變,照射時間先減小后不變,治療有效性逐漸提高,但MU有效性逐漸降低。2.2參數(shù)變化對各評估指數(shù)及mdr比較的影響當Sm取值分別為2和5時治療計劃均能被臨床接受,但取值增加到8時計劃不能被臨床接受。隨著Sm值增大,宮頸癌各治療計劃的劑量分布和DVH圖逐漸變差,靶區(qū)的適形度和均勻性呈變差趨勢,危及器官各評估指數(shù)變化不明顯,但控制點數(shù)、機器跳數(shù)和照射時間均逐漸減小,治療有效性逐漸增大(表3)。當MMS取值分別為2和5時計劃均能被臨床接受,但取值增加到10時計劃不能被臨床接受。隨著MMS值增大,宮頸癌各治療計劃的劑量分布和DVH結(jié)果逐漸變差,靶區(qū)的適形度和均勻性呈變差趨勢,危及器官各評估指數(shù)變化不明顯,但控制點數(shù)、機器跳數(shù)和照射時間均逐漸減小,治療有效性逐漸增大(表3)。當MDR取值分別為1、3.5、5.5和7.5時,4個計劃均能被臨床接受。隨著MDR值增大,宮頸癌計劃的劑量分布、DVH及各評估指數(shù)的變化趨勢均與前食管癌計劃相同(表3)。2.3治療計劃的穩(wěn)定性當Sm取值分別為2和5時鼻咽癌治療計劃均能被臨床接受,且治療計劃質(zhì)量差異不明顯,僅治療時間隨Sm增大而減小;當Sm值為8時計劃不能被臨床接受(表4)。當MMS取值分別為2和4時治療計劃均能被臨床接受;但取值增加到7時治療計劃不能被臨床接受,此時靶區(qū)內(nèi)會產(chǎn)生明顯劑量冷點和熱點。隨著MMS值增大,鼻咽癌計劃的劑量分布、DVH及各評估指數(shù)的變化趨勢均與前面的宮頸癌計劃相同(表4)。當MDR取值分別為0.6、3.5、5.5和7.5時,4個治療計劃均能被臨床接受。隨著MDR值增大,宮頸癌計劃的劑量分布、DVH及各評估指數(shù)的變化趨勢均與前面的食管癌和宮頸癌治療計劃相同,但當MDR取值分別為5.5和7.5時治療計劃質(zhì)量稍有變化(表3)。3sm、mms和mdr值對vmat計劃質(zhì)量的影響Monaco放射治療計劃系統(tǒng)優(yōu)化VMAT治療計劃的過程分為兩步:第一步是優(yōu)化出各射束方向的劑量強度分布圖,第二步是根據(jù)劑量強度分布圖優(yōu)化出可實際執(zhí)行的動態(tài)子野序列。而影響VMAT治療計劃質(zhì)量的難點主要是第二步優(yōu)化過程,本討論的計劃參數(shù)是控制第二步優(yōu)化結(jié)果的質(zhì)量。其中MSC、MSS和SSF3個參數(shù)對VMAT治療計劃質(zhì)量不產(chǎn)生影響,能產(chǎn)生影響的是Sm、MMS和MDR參數(shù)。本組3例中,對Sm、MMS和MDR3個參數(shù)的取值并不完全相同,主要是由于以下兩方面的原因。選取的3例治療計劃復雜性各不相同,其中食管癌治療計劃相對最簡單,鼻咽癌治療計劃相對最為復雜,因此治療計劃的MMS取值間隔較小,最大取值僅為7。其次,某些參數(shù)的取值會導致最終治療計劃優(yōu)化過程失敗,如鼻咽癌治療計劃中若Sm取值為2時優(yōu)化失敗,這是因為Sm值越小,第一步優(yōu)化后形成的劑量強度分布圖的平滑度越差,導致第二步優(yōu)化過程越困難,實驗發(fā)現(xiàn)適當減小MDR的取值后可使優(yōu)化成功,表明這3個計劃參數(shù)存在一定相關(guān)性。由實驗結(jié)果表明,Sm、MMS和MDR3個參數(shù)對于不同患者的VMAT計劃質(zhì)量的影響趨勢分別是基本一致的,但同時對不同復雜性的VMAT計劃質(zhì)量的影響也有一定差異。Sm和MMS2個參數(shù)對VMAT計劃質(zhì)量的影響趨勢基本相同。隨著Sm和MMS值的增大,VMAT計劃的劑量分布和DVH結(jié)果逐漸變差,靶區(qū)的適形度和均勻性呈變差趨勢,危及器官各評估指數(shù)稍有變差或變化不明顯,但控制點數(shù)、機器跳數(shù)和照射時間均逐漸減小,治療有效性逐漸增大。并且當Sm和MMS值較小時,其對劑量分布和DVH的影響較小;隨著Sm和MMS的增大,其影響越大。對于較復雜的計劃,Sm和MMS取值過大可能導致計劃的劑量分布和DVH結(jié)果不能被臨床接受。此外,這2個參數(shù)對VMAT計劃質(zhì)量的影響也存在差異,MMS對控制點數(shù)和照射時間的影響比Sm更大,尤其是對控制點數(shù)的影響非常顯著。隨著MDR值的增大,VMAT計劃的劑量分布、DVH結(jié)果、計劃靶區(qū)及危及器官的各評估指數(shù)先是逐漸變差,當MDR增大到某個值后各指數(shù)評估結(jié)果保持不變。此外,隨著MDR增大,控制點數(shù)和機器跳數(shù)均是先增大后不變,而照射時間是先減小后不變,治療有效性逐漸提高,但MU有效性逐漸降低。由上述分析結(jié)果得出,隨著Sm、MMS和MDR值的改變,VMAT計劃的劑量分布和照射治療時間的變化趨勢相反,若要使劑量分布越好則治療時間越長,因而需要在計劃劑量分布和治療時間之間選取平衡點,既使計劃的劑量分布能滿足臨床要求,同時又使得治療時間盡可能短,治療有效性盡可能高。因此,對于各種不同復雜性的患者,設(shè)置合適的Sm、MMS和MDR值對提高計劃質(zhì)量