弧形调强治疗技术影响因素分析

弧形调强治疗技术影响因素分析,四川省肿瘤医院王培,概览：弧形调强放疗技术,弧形调强放疗(intensity modulated arc therapy,IMAT)是近年来发展起来的新型调强放射治疗(intensity modulated radiation therapy,IMRT)技术，它是一种在机架连续旋转过程中通过动态多叶准直器连续运动不断改变射野大小和形状的锥形束IMRT实施方式。,概览：弧形调强放疗技术,国内外学者的众多研究表明，IMAT能够有效的减少计划机器跳数，缩短治疗时间，降低治疗过程的不确定度，剂量学方面也证实对于多个病种，IMAT计划的靶区适形度和危及器官剂量的控制都比传统IMRT计划有显著改善。,概览：弧形调强放疗技术,由于加速器硬件和优化软件的局限性，早期的IMAT技术是通过多弧叠加的方式实现射术强度调整，而每个弧内剂量率和机架转速不变。近年来发展起来的新型单弧IMAT技术(如瓦里安公司的RapidArc和医科达公司的VMAT)是通过单弧旋转过程中改变剂量率和(或)机架转速的方式实现射束强度调整。,概览：弧形调强计划的优化,IMAT计划优化是一个非常难的非凸问题，其求解空间大、优化变量多。除射线种类和能量(目前通常人为确定)外，IMAT的实施参数还包括旋转弧的数目和范围、机架转速、叶片运动轨迹和剂量率。从计划优化角度上讲，确定IMAT旋转弧数目和范围、机架转速、叶片运动轨迹和剂量率问题实质是固定机架角IMRT中子野形状和强度优化问题，不同的是IMAT计划优化中需要将相邻射野方向的子野链接成弧，并必须考虑机架旋转、叶片运动和剂量率约束及其协调配合*。,*1.杨瑞杰 王俊杰. 调强放疗进展-弧形调强放疗.中华放射肿瘤学杂志,2009.18:154-157,概览：弧形调强计划的影响因素,多叶准直器叶片宽度对于弧形调强计划的影响*Serna等人研究发现：1.对于两种不同宽度的叶片，VMAT计划在剂量适形度和剂量梯度上相比3D-DCA有明显提升;2.对于2.5mm MLC，VMAT计划和3D-DCA计划无明显区别；3.对于5mmMLC,两种技术的剂量梯度都有所提升(15% VMAT and 10% 3D-DCA),*Serna, Alfredo, et al. Influence of multi-leaf collimator leaf width in radiosurgery via volumetric modulated arc therapy and 3D dynamic conformal arc therapy. Physica Medica31(2015):293296.,概览：弧形调强计划的影响因素,子野宽度对于弧形调强计划的影响* Nithiyanantham等人选取18例肺部、腹部、肝脏肿瘤病人，每例病人分别使用0.5、1.0和1.5cm最小子野宽度制作三个VMAT SBRT计划，比较各个计划的DVH，剂量指标，机器跳数，执行效率。 发现与0.5 cm最小子野宽度相比，使用1.0 cm和1.5 cm时计划跳数分别减少12.76.0% 和17.57.2%。使用0.5 cm,1.0 cm,1.5 cm最小子野宽度的计划其测量剂量与TPS计算剂量差别分别是 3.01.1%, 2.10.84% 和1.80.9%，gamma通过率分别是95.92.8%, 96.52.6% 和 97.81.6%(2%/2mm). 此研究表明，最小子野宽度能够影响VMAT SBRT 计划的质量，综合执行效率,*Nithiyanantham, Karthikeyan, et al. Influence of segment width on plan quality for volumetric modulated arc based stereotactic body radiotherapy. Reports of Practical Oncology & Radiotherapy Journal of Greatpoland Cancer Center in Poznan & Polish Society of Radiation Oncology19(2014):287-295.,概览：弧形调强计划的影响因素,角度间距对于弧形调强计划的影响* Masi等人对142例病人使用4的角度间距进行VMAT计划制作优化，使用二维电离室阵列进行计划验证，对每例计划进行gamma分析，并且获取平均 leaf travel(LT)，modulation complexity score applied to VMAT (MCSv), MU值和LT-MCSv结合值 (LTMCS)。对于gamma通过率和其他参数分别进行Pearsons correlation皮尔逊相关分析。使用4间距优化时，LT, MCSv和LTMCS与VMAT剂量准确度(gamma通过率)呈显著相关性。研究显示这些参数可以通过运用阈值的方式来量化计划复杂度。使用更小的角度间距如32可以有效提高计划剂量准确性和提高LT值 ，并且可以降低LT值与gamma通过率之间的相关性。此研究结果表明LT值对于VMAT剂量准确性的影响可以通过降低角度间距来控制。凡需要较大的叶片运动的VMAT计划应该使用不超过3的角度间距来优化。,*Masi, L, et al. Impact of plan parameters on the dosimetric accuracy of volumetric modulated arc therapy. Medical Physics40.7(2013):071718-071718.,我们中心的研究之一,MLC宽度对容积调强技术的影响,MLC宽度对容积调强计划的影响,材料：采用AAPM119报告模体和勾画结构MLC：Elekta MLCi2（10mm）和Agility（5mm）计划：设计双弧VMAT计划评估：AAPM119报告评估标准,AAPM标准模体和勾画结构,Cshape半环形靶区PTV包围着危及器官Core，环形靶区外半径37mm，内半径15mm，长80mm；中心Core是半径10mm的圆柱体，长100mm；PTV和Core间距5mm,AAPM标准模体和勾画结构,Head and Neck基于仿真人体模型扫描数据，PTV与皮肤间距6mm，PTV与脊髓间距15mm,AAPM标准模体和勾画结构,Multitarget由三个长40mm，直径40mm的圆柱体组成，中间靶区处方剂量最高，上端靶区处方剂量为中间靶区的50%，下端靶区的处方剂量为中间靶区的25%,AAPM标准模体和勾画结构,Prostate由Prostate CTV和PTV组成靶区，Rectum是直径15mm的圆柱体，PTV包含1/3的Rectum体积，Bladder在Prostate上方位置,剂量目标,Cshape靶区结构简单剂量目标和AAPM报告平均值,剂量目标,Cshape靶区结构严苛剂量目标和AAPM报告平均值,剂量目标,H&N靶区结构剂量目标和AAPM报告平均值,剂量目标,Prostate靶区结构剂量目标和AAPM报告平均值,剂量目标,Multitarget靶区结构剂量目标和AAPM报告平均值,计划设计,TPS：Monaco3.3MLC：首先选用Agility MLC，制作双弧VMAT计划，使之达到AAPM剂量目标，同样优化参数，更换为MLCi2，重新优化计算对照AAPM剂量目标，比较两种MLC在同样优化条件下的剂量差异,结果,Cshape简单剂量目标,结果,Cshape严苛剂量目标,结果,Agility 严苛目标,Agility简单目标,MLCi2 严苛目标,MLCi2 简单目标,结果,Cshape严苛目标Agility(5mm) vs MLCi2(10mm),结果,Cshape简单目标Agility(5mm) vs MLCi2(10mm),Head and Neck,结果,结果,Agility,MLCi2,结果,Head and Neck，Agility(5mm) vs MLCi2(10mm),结果,Prostate,结果,Agility,MLCi2,结果,Prostate，Agility(5mm) vs MLCi2(10mm),结果,Multitarget,结果,Agility,MLCi2,结果,Multitarget，Agility(5mm) vs MLCi2(10mm),小结,在处理靶区和危及器官空间距离很近，剂量跌落很快的勾画结构和剂量目标时，Agility多叶准直器比MLCi2更容易实现剂量目标要求，优势较为明显；在 处理靶区和危及器官有一定空间缓冲，剂量跌落也较慢时，Agility多叶准直器和MLCi2多叶准直器相比并没有明显优势 因此，在日常临床治疗计划设计中，面对不同病例和剂量要求时，我们应该选择适合的加速器和多叶准直器来进行计划设计，如面对椎体照射病例（类似Cshape），鼻咽癌病例（类似Head and neck），部分胸部肿瘤病例（类似Multitarget）时选用较小宽度的MLC，面对宫颈癌和直肠癌病例（类似Prostate）时选用一般宽度的MLC进行计划设计。这样就能充分发挥各类型医用电子直线加速器的优势，合理分配医疗资源，高质量高效率地对患者进行治疗。,我们中心的研究之二,准直器角度对容积调强技术的影响,实验方法,随机选取20例宫颈癌术后患者进行旋转调强计划设计：筛选方案：（1）任意选取一名病例选用双全弧照射(CCW179o181o、CW181o179o)，采用不同的准直器角度(0o、10o、20o、30o、45o、10o、 20o、 30o、 45o)在VarianEclipse系统上设计9个计划，筛选出剂量学最优和最差的两个角度；（2）将此角度应用于20例宫颈癌术后患者进行旋转调强计划设计，比较两组计划的CI和HI危及器官的体积剂量、平均剂量、以及MU。附注：a.靶区:引道部PCTV1,阴道残端PCTV2,淋巴结引流区 PCTVln(无阳性淋巴结)b.处方：46Gy/25f，统计靶区的D98,D95,D50,D02以及HI，CI.c.同一病人除了collimator angle不同，其他优化参数均一致。,不同角度的计划危及器官剂量比较,膀胱,直肠,小肠,术后宫颈癌旋转调强计划对准直器角度有依赖性，临床对宫颈癌计划要求在满足靶区剂量的前提下，危及器官如直肠，膀胱，小肠所受剂量尽量最低。在设计方案的9个计划中，准直器角度为0o 时靶区剂量不易达到处方要求，剂量均匀性和适形度最差， 30o 的计划最优。将此两个角度应用于20例术后宫颈癌患者，观察两组计划的剂量学参数。,确定方案,一例准直器0o 和30o 计划的靶区剂量分布图,左图剂量较为松散，椎体受量较高。,一例准直器0o 和30o 计划的靶区剂量分布图,从盆腔到宫旁淋巴引流区：左侧图的蓝色曲线(33Gy)以上的剂量更多分布在小肠膀胱以及直肠内。即相比0o计划， 30o计划的剂量曲线之间更加收敛,靶区和主要危及器官的DVH图,30o 计划的三个靶区D95均达到处方要求， 且DVH曲线更加陡直(剂量均匀性更好)， 0o 靶区稍差一些 ；小肠的V10-V25区间， 30o 计划的剂量稍大，V25-V50， 0o 计划的剂量体积稍大。直肠和膀胱V30-V40区间， 0o 计划的剂量体积较多。,Collimator angle=0,Collimator angle=30,Collimator angle=0,Collimator angle=30,准直器角度为0o和30o 的两组计划比较,右侧统计数据表明：1. 膀胱的V30,V40,Dmean分别降低了16.1%，3.4%，4.3%(P0.05);2. 直肠的V30,V40,Dmean分别降低了15.5%，43.4%，7.1%(P0.05);3. 小肠的V30,V40,Dmean分别降低了43.2%,93.9%,2.7%,V20增加了4.4%。4. 30o 计划的跳数增加了11.2%。,小结,从靶区的适形度、剂量均匀性、处方剂量覆盖程度，以及危及器官的剂量体积和跳数方面， 准直器角度30o 计划的剂量学优于其他准直器角度