王严兴 解传滨 徐寿平 丛小虎 戴相昆 陈高翔 王金媛

Avoidance Sectors在中段食管癌*VMAT放射治疗计划设计中的应用

王严兴①解传滨②*徐寿平②丛小虎②戴相昆②陈高翔②王金媛②

目的：探究Avoidance Sectors程序在中段食管癌容积旋转调强放射治疗(VMAT)计划设计中的应用效果。方法：选取8例中段食管癌放射治疗患者，应用Eclipse计划系统分别设计4组双弧容积旋转调强放射治疗计划。按照规避双弧水平轴左右两侧各30°、60°及90°射野进行分组，分别命名为P30组、P60组、P90组及P0组(不进行射野角度规避)。对4组计划靶区V95、V110、均匀性指数(HI)、适形指数(CI)及各危及器官(OAR)剂量体积参数进行分析比较，并通过机器跳数(MU)评估各计划组实施效率。结果：4组计划均实现了处方剂量对靶区的较好覆盖，但HI与CI在角度规避后有不同程度降低，且规避角度越大，CI减小越明显；双肺低剂量体积尤其V5随着规避射野角度的增大而明显降低，而高剂量体积(V30、V40)有明显增加的趋势，且除P0组与P30组外，P0组与P60组、P0组与P90组、P30组与P60组、P30组与P90组、P60组与P90组高剂量体积差异均有统计学意义；但双肺Dmean组间差别不大，仅P30与P90比较差异有统计学意义(t=2.945，P＜0.05)；脊髓Dmax的4组计划无明显差异；心脏V40、Dmean仅P30组小于P0组，但差异无统计学意义，其余计划组随规避角度的增大而增加；在实施效率方面，P60机器跳数最少(532.17±118.23)MU，且仅相较于跳数最多的P0(667.00±62.54)MU差异有统计学意义(t=4.265，P＜0.05)。结论:在中段食管癌双弧VMAT放射治疗计划设计中，应用Avoidance Sectors程序规避适当射野角度可显著降低双肺低剂量体积，但在高剂量体积评估中不占优势，临床应用中可酌情选择。

容积旋转调强放射治疗; Eclipse计划系统; 食管癌; 剂量学；放射治疗；治疗计划系统

食管癌(esophageal carcinoma，EC)是临床常见恶性肿瘤，放射治疗是当今EC的常规治疗手段之一[1]。但是由于EC具有靶区形状较不规则、与危及器官(organ at risk，OAR)临近等特点，对放射治疗计划设计有较高的要求。随着放射治疗技术的不断发展与进步，容积旋转调强放射治疗(volumetricmodulated arc therapy，VMAT)已普遍应用到常规临床放射治疗之中，相比较传统的三维适形放射治疗(3D-CRT)及静态调强放射治疗(sIMRT)，VMAT有较为明显的优势，包括治疗时间短、靶区剂量分布更为均匀和靶区适形度更高等[2-3]。VMAT广泛应用到病灶位于敏感组织内部或临近OAR的恶性肿瘤治疗，包括脑部肿瘤、中央型肺癌和鼻咽癌及食管癌等[4]。

随着动态调强放射治疗在临床中的广泛应用，国内外相关人士对此种调强放射治疗方法的研究不断深入，其弊端也逐渐凸显。接受治疗的患者放射性肺炎并发症的发病率相比较其他放射治疗方法有明显升高，严重影响患者的生活质量和生存时间[5]。而在放射治疗计划的设计过程中，如何降低双肺剂量，特别是低剂量辐射的体积成为近年来EC放射治疗的研究热点。

Eclipse计划系统自带的Avoiding Sectors模块，可以在计划设计中通过规避照射弧中一定射野角度，进而降低特定OAR的受量，此方法在胸部肿瘤的治疗计划设计中被广泛采用，在尽量保留容积旋转调强优势的前提下为有效降低双肺低剂量照射带来可能，但对于其临床应用的方法与标准尚无相关报道。为此，本研究拟对Avoidance Sectors程序在中段食管癌双弧VMAT计划设计中的应用进行细化分类，并对各自效果进行分析比较，以期为临床应用标准的选择提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选择2015年5月至2016年12月解放军总医院放射治疗科收治的8例食管癌中段患者，其中男性4例，女性4例，中位年龄为51岁，均经病理活检确诊为鳞癌，TNM分期包括T2N0M0期1例、T3N0M0期2例、T3N1M0期4例及T4N1M0期1例，应用Eclipse计划系统设计双弧容积旋转调强放射治疗计划。

1.2 仪器设备

所有患者定位扫描均采用SIEMENS大孔径螺旋CT(型号：SOMATOM Definition As，德国SIEMENS)，计划系统为Eclipse10.0(美国VARIAN)，治疗系统为Varian Clinac iX直线加速器(美国VARIAN)。

1.3 靶区勾画及计划设计

所有患者均采用仰卧位热塑体膜固定，CT定位机扫描，扫描层厚为3 mm。将定位图像以DICOM格式经网络传输至Eclipse计划系统，根据ICRU50、62号文件由同一名医师勾画靶区及OAR，包括脊髓、双侧肺、心脏、胃和肝脏等，计划靶区体积(planning target volume，PTV)平均为(499.42±122.47)ml[6]。处方剂量为：PGTV：63 Gy/30次，PTV：54 Gy/30次。

由同一名物理师进行辅助轮廓勾画及放射治疗计划设计[7]。常规辅助轮廓包括PTV-PGTV(PTV靶区内部扣除PGTV外扩间隔0.5 cm的体积)、CP(脊髓外扩0.3 cm的保护区)、R1(PTV外0.5 cm处宽为1 cm的环)及R2(靶区外1.5 cm处宽1 cm的环)。采用顺逆时针双弧容积旋转调强模式进行计划设计，拉弧角度设置为逆时针179.9°～180.1°、顺时针180.1°～179.9°；剂量率常规设置为600 MU/ min，小机头角度顺时针设置为350°，逆时针设置为10°。计划优化前应用Avoiding Sectors模块，按照规避双弧水平左右两侧各30°、60°及90°射野进行分组，分别命名为P30组、P60组、P90组和全弧计划(P0)组(均不进行射野角度规避)，其中P30规避角度为75°～105°、255°～285°，P60为60°～120°、240°～300°、P90为45°～135°、225°～315°。计划优化目标为处方剂量至少覆盖95%的靶区体积，靶区最大剂量不超过处方剂量的110%。OAR剂量限制包括脊髓Dmax≤45 Gy，心脏V40≤45 Gy，双肺V20≤25%，V5≤70%，以上危及器官在满足剂量限制及处方剂量条件基础上，需尽量降低双肺受照剂量。

1.4 评价指标

参照ICRU 83号报告，比较靶区、OAR和射野总跳数等参数指标[7]。通过使用剂量体积直方图(dose volume histogram，DVH)分析靶区：D95、D5、均匀指数(homogenization index，HI)、适形指数(Conformation index，CI)；OAR：双肺V5、V10、V20、V30、V40，心脏V40、Dmean，脊髓Dmax；总机器跳数。HI=D5-D95÷DPTV，其中D5和D95为5%和95%计划靶区体积所受照射剂量，DPTV即处方剂量。CI=VPTV95/ VT·VPTV95/VPTV，VPTV代表计划靶区体积，VPTV95代表95%处方剂量线所包绕的计划靶区体积，VT为95%处方剂量包绕的总体积。

1.5 统计学方法

应用SPSS19.0统计学软件对4组计划剂量学参数进行统计，计量资料结果以均值±标准差(x-±s)表示，采用分组配对样本t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 等剂量曲线评估

通过对等剂量曲线分布图的评估发现，4种计划方案均能实现处方剂量对靶区的较好覆盖，在P0计划中，5 Gy的等剂量曲线覆盖了评估层面的全部肺组织，而随着规避角度的增大，等角度剂量曲线分布前后走势愈发明显，进而低剂量(尤其5 Gy)所避让的双肺区域也明显增加，但却明显的降低了靶区的适形性及均匀性，如图1所示。

图1 一例患者4种计划等剂量曲线分布图

2.2 DVH评估

通过对8例患者的平均DVH的比较分析发现，4组计划方案均能实现处方剂量对靶区＞95%的覆盖，脊髓最大剂量、心脏V40平均剂量均处在可接受范围内，且随组别规避角度的增加，心脏及脊髓的平均剂量有所升高。双肺V20、V5为主要限量标准，在对其增加权重并权衡其他OAR及靶区的情况下，规避角度的增加可显著降低双肺低剂量区体积分数，但对高剂量区也有一定提高影响，如图2所示。

图2 各计划组8例患者平均DVH

2.3 剂量学参数统计

2.3.1 靶区剂量学参数

本研究4组计划均实现了对靶区较好的剂量覆盖，但随着规避角度的不断增大，CI与HI均有不同程度的降低。4组计划的CI均值随着规避角度的增加逐渐降低，其差异有统计学意义(P0vsP60：t=2.844、P0vsP90：t=10.542，P＜0.05)，而且规避角度越大，CI值减小越明显，且仅P0与P30的CI比较无统计学差异(t=0.193，P＞0.05)，见表1。

2.3.2 OAR剂量学参数

对4组数据进行统计分析发现，双肺低剂量区域体积(V5、V10)随着规避角度的增大而明显降低。其中P30、P60相比P0的双肺V10无统计学意义。高剂量区域体积(V30、V40)随着低剂量体积的降低有增加趋势，除P0vsP30外均有统计学意义。双肺Dmean均值随着规避角度的增大，有先增大后减小的趋势，但因组间数据差异较小且在可以接受范围之内，仅P30vsP90有统计学意义(t=2.945，P＜0.05)，故该差异可忽略不计，见表2。

表1 4组计划靶区剂量学参数比较(±s)

表1 4组计划靶区剂量学参数比较(±s)

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表2 双肺剂量参数比较(±s)

表2 双肺剂量参数比较(±s)

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对脊髓与心脏剂量学参数的统计分析发现，在满足限值条件下，脊髓Dmax均值并无差异；心脏V40、Dmean除P30组小于P0组，其他计划组随着规避角度的增大而增加，见表3。

表3 心脏及脊髓剂量参数比较(±s)

表3 心脏及脊髓剂量参数比较(±s)

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2.4 计划实施效率

对4组计划的实施效率以机器跳数进行评价，随着规避角度的增加，机器跳数均值先减小后增大，其中P60机器跳数最少为(532.17±118.23)MU。经统计学处理比较P值，其他三组计划实施效率明显高于P0，差异有统计学意义(t=3.371，t=4.265，t=2.571，P＜0.05)，其他组别计划实施效率比较差异无统计学意义，见表4。

表4 4组计划机器跳数统计(±s)

表4 4组计划机器跳数统计(±s)

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3 讨论

EC为靶区呈“长条状”的常见恶性肿瘤疾病之一，临床中针对EC患者常规采用化疗联合放射治疗方法进行初步治疗。而考虑到EC病灶解剖结构的特殊位置，为降低肺脏的受照剂量，多数患者会采用静态调强方法进行放射治疗[8]。但其弊端亦非常明显，靶区的适形度与剂量分布均较差，虽然能有效的预防放射性肺炎的发生，但其治疗效果相对大打折扣，有时很难达到最为理想的治疗效果[9]。

随着放射治疗技术的不断发展与进步，如今的放射治疗手段已经从单一的适形放射治疗、静态调强放射治疗方式逐渐转向动态调强、多模式图像引导精准放射治疗，不同放射治疗方法有其各自的优势所在。VMAT以其独特的技术优势，在实现对靶区更高适形度、更好均匀性的同时可明显降低OAR的受照剂量。界内一致认同动态调强放射治疗相比其他放射治疗方式有更为明显的优势与长远的发展前景[10]。如今，VMAT已经广泛应用于临床多种恶性肿瘤的治疗之中，并在临床应用实践中凸显出其他放射治疗方式所不可替代的优越性[11]。但由于其采用360°拉弧照射的方式，不可避免的带来了低剂量辐射体积增加的风险。而经大量实证发现，放射性肺炎与放射治疗肺部低剂量区受照面积有非常明显的关系，双肺V5、V20体积越大，放射性肺损伤的发生风险越高；而传统静态调强放射治疗虽然可以明显降低双肺V5、V20剂量体积，但又不能提供较好的靶区适形性与剂量均匀性，即会对临近组织器官产生非常明显的损伤[12-13]。Lin等[14]对不同解剖部位EC患者进行VMAT和调强放射治疗技术(intensity modulation radiation therapy，IMRT)治疗不良反应研究中发现，两种治疗方式对于肺部V5、V20比较均有显著差异性，接受IMRT治疗的患者肺部V5显著低于VMAT，但V20却高于VMAT。因此VMAT照射方式患者的放射性肺炎发病率显著高于IMRT，进而可知VMAT在胸部(食管、肺)癌症的放射治疗应用有很大的局限性，这也在很大程度上限制了EC患者对于放射治疗技术的选择[15]。

Avoiding Sectors是基于Eclipse系统弧形旋转容积调强放射治疗方式的剂量优化选项，即经过特定旋转角度时不实施照射，从而达到降低OAR受照剂量的目的。而关于此种程序的应用在临床中仍处于初期探索阶段，应用于中段食管癌放射治疗的相关实证参考文献较少。VMAT与IMRT应用在EC放射治疗中均有各自的优势，VMAT相比IMRT，EC放射治疗的双肺V5更高，严重限制了VMAT此种放射治疗方式在EC放射治疗中的应用。因此，Avoiding Sectors剂量优化选项拥有很高的临床应用价值，故本次研究具有一定的临床计划设计参考意义。

本研究双肺剂量学统计结果显示，应用Avoiding Sectors规避一定角度的EC VMAT计划方案相较于P0在显著降低V5、V10剂量体积的同时也不同程度的增加了V20剂量体积，但均满足了双肺常规临床治疗对于V20限制条件(＜25%)。而在减少低剂量照射上虽然规避角度计划可能没有静态调强放射治疗方法更具优势，但其旋转容积调强的调制能力更高，可以得到更高靶区适形度与剂量均匀性，进而一定程度上既降低双肺低剂量体积受量同时又能够更好的保护靶区附近其他临近正常组织。研究结果表明，P30组双肺剂量参数的普遍增高，本研究认为是由于规避射野角度过小且规避区域位于肺部中间区域，计划优化过程中在相同的目标限制条件下，为了达到更好的靶区剂量均匀性而加大规避角度临近射野区域的剂量权重，以至于间接增大了双肺剂量。当然，这在计划的优化过程中通过加大双肺的限制权重可能得到有效改善，但相较于其他两组规避方案的剂量学参数比较还是充分表明了30°规避方案的局限性，即规避射野角度过小(P30)，不仅不会有效减小双肺低剂量受量体积，还可能存在增大双肺平均剂量的风险。而对于靶区的剂量学参数比较结果可以看出，P0、P30、P60及P90计划组之间除P0与P90外，靶区的D95%与D5%均无统计学差异，即4组计划均能满足处方剂量要求，但P0与P90计划的均匀性指数相比较差异显著，即随着规避射野角度增大到一定程度，会影响到靶区的剂量均匀性；而适形指数同样会随着规避射野角度的增大而降低。

本研究虽得到关于Avoiding Sectors程序应用在中段食管癌旋转容积调强的初步结果，但其中仍存在诸多不确定性因素，包括靶区形态、大小、位置和双肺体积等，本研究所选取EC病例的靶区形状、大小及位置等较为相似且样本数较小，在实际临床应用中，由于个体间差异较大，因此在靶区与双肺不同解剖关系的变化下，应适当改变规避射野角度大小与位置、以期达到更好的双肺保护效果和靶区剂量分布。

Avoidance Sectors程序规避适当射野角度(60°～90°)应用于中段食管癌双弧RapidArc模式放射治疗计划设计中，可显著降低双肺低剂量区体积受量，实际临床应用中可根据实际情况做适当调整。

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Application of the avoidance sectors in the design of VMAT plan for midpiece esophageal carcinoma/WANG Yan-xing, XIE Chuan-bin, XU Shou-ping, et al//China Medical Equipment,2017,14(7):13-18.

Objective: To explore the application of Avoidance Sectors in the design of volumetric modulated arc therapy (VMAT) plan for midpiece esophageal carcinoma. Methods: 8 patients with midpiece esophageal carcinoma were selected. VMAT plans of 4 groups were designed by using the Eclipse planning system. According to four avoidance angle on the left and right sides of horizontal axis of double arc, the plans were divided into 4 groups (P0group, P30group, P60group and P90group) and the P0group didn't receive avoidance. A series of indicators, such as V95, V110, conformal index (CI), homogeneity index (HI) and dosage volume parameter of every organ at risk (OAR) of 4 planning target region groups, were compared, and then their implement efficiencies were evaluated through monitor unit (MU). Results: All of the 4 groups achieved appreciating cover for target region as prescription dosage, while HI and CI appeared decrease in different degree after angle was avoided, and the decrease of CI was obviously with the increase of avoided angle. The low dosage volume of double lung, especial the V5, were obviously decrease with the increase of avoided angle, while the high dosage volume (V30, V40) have obviously increased trend. All of the differences of pairwise comparisons (P0and P60, P0and P90, P30and P60, P30and P90, P60and P90) were statistically significant except for the comparison between P0and P30. While the difference of the Dmean of double lunge among different groups was small and only the difference between P30and P90was statistically significant (t=2.945, P＜0.05). Dmaxof spinal cord among the 4 groups were no significant. Only V40and Dmean of heart of P30group were smaller than that of P0group, while the difference was no significant. And V40and Dmean of heart of other planning groups were increase with the increase of avoidance angle. On the implement efficiency, the MU of P60was minimum (532.17±118.23), the difference of MU between P60group and P0group was statistically significant (t=4.265, P＜0.05). Conclusion: The application of Avoidance Sectors procedure to avoid proper angle in VMAT planning design of using two arc for midpiece esophageal carcinoma can significantly reduce the low dose volume for two lungs, while this application is not optimal in high dosage volume. Therefore, this method should be chosen according to the specific circumstances.

VMAT; Eclipse; Esophageal carcinoma; Dosimetry; Radiotherapy; Therapy planning sysytem

College of Medical Imaging, Mudanjiang Medical University, Mudanjiang 157011,China.

王严兴,男,(1993- ),本科在读，牡丹江医学院医学影像学院医学影像专业，于2016年6月至今在解放军总医院放射治疗科实习。研究方向：肿瘤放射物理及肿瘤放射治疗技术。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.07.004

2017-04-20

1672-8270(2017)07-0013-06

R815.6

A

国家重点研发计划(2016YFC0904600)“以生物组学特征与多模态功能影像为基础的多线束精准放疗方案研究”；解放军总医院临床科研扶持基金(2017FC-WJFWZX-04)“基于旋转调强全中枢照射的临床研究”

①牡丹江医学院医学影像学院医学影像专业 黑龙江 牡丹江 157011

②解放军总医院放射治疗科 北京 100853

*通讯作者：xiechuanbin2003@163.com