比较IMRT、RapidArc、和Tomotherapy之间的计划设计时间、出束时间和计划质量0 o9 u q% A8 C% C& p) O
. H" c' d$ X- X; Y( g& \作者:Mike Oliver*、Will Ansbacher、WayneA.Beckha5 m7 }: R. r& V' S- u k
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英国哥伦比亚肿瘤研究所医学物理中心 维多利亚,英国属哥伦比亚,加拿大
; K4 W- Q, i3 L* b/ t% D3 {2 a1 a' w3 J
Eail:moliver3@bccancer.bc.ca
5 M* H9 v! v. F# D1 l8 ^' e5 U; i5 h' _. s6 a- K) v
这个研究的目的是比较5野和9野IMRT、单弧和双弧Rapid Arc以及Tomotherapy在的计划质量、计划设计时间和治疗出束时间估计值三者之间的差异。对四个评估模体,分别建立了5野和9野IMRT、单弧和双弧Rapid Arc和Tomotherapy计划。计划评估基于是否能满足剂量-体积约束、剂量均匀性指数、放疗适形度指数、计划时间、出束时间估计值、整体剂量和受到大于2和5Gy剂量的体积等因素。对所有的评估模体,在计划时,Tomotherapy均能满足优化的限制要求(50%P1、67%P2、0%P3、50%P4),Rapid Arc所能达到优化限制的程度较差一些(25%P1、17%P2、0%P3、0%P4),而IMRT是根本达不到任何约束限制。Tomotherapy计划剂量分布最均匀。Tomotheraoy计划具有较长的计划时间、治疗出束时间估计值也较长、适形度指数较低和累积剂量较高等特点。Tomotherapy计划能产生高质量计划,在轴面上能形成比IMRT或RapidArc好的剂量分布,却在靶区体积上下方向出现了剂量增高的现象。当然,在这个研究检查测试结果中能看到Rapid Arc可以做出比IMRT产生更好的计划。
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PACS编号:87.55.x,87.55.D,87.55.de,87.55.dk; I, D3 H/ a, t9 y j4 K
; u. F1 v, F6 c7 p6 p% x( d, e 关键词:IMRT、RapidArc、tomotherapy,治疗计划。 T+ B& J7 O4 o3 t6 _; x* x
" ]) b6 T5 s$ ~- j I、介绍 k: Q) t1 u1 g) F3 H! |* Z2 g: n
- n3 T" L0 I0 H0 Z8 b
IMRT、RapidArc、和Tomotherapy都是最前沿外照射治疗技术,在过去10年不同阶段中已经都应用于常规临床治疗。使用配有MLC的常规直线加速器IMRT在1995年投入临床治疗前列腺癌(尽管使用补偿器的IMRT出现时间更早),随后这项技术应用于治疗其他的解剖部位。最近一个基于56份临床实验数据的META-分析显示IMRT相比于非调强治疗可以降低损伤;但该分析没有给出关于局部控制和存活率的数据。从这些数据证明IMRT优点的方法中可以得出,未来前沿放射治疗技术应该在于计划质量、效率、图像指引的准确性和提供任意的剂量分布等方面具有优势。这篇文章研究放射治疗在质量和出束效率上的提高。! V+ g& k) \# r
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Yu 首次提出在治疗过程直线加速器机架旋转执行中并伴随MLC运动的IMRAT技术。旋转放疗技术的临床应用还很少,但也已应用于治疗中枢神经系统、前列腺、头颈部、全腹全盆腔治疗、直肠癌、子宫内膜癌 。直到Otto提出他的容积调强弧形治疗算法后,IMAT最主要的优势才被发挥出来。VMAT使用了进阶取样算法,先从粗略的机架角度取样开始,在优化的过程中,弧度的分辨率可以得到很大的提高。如果没有这个算法,相邻MLC叶片受到叶片运动能力的极大限制。VMAT通过在优化开始时允许大幅的叶片运动,再在其后的过程中逐步限制叶片运动的方法克服了这种限制。优化时间也大幅降低。Otto的算法已被Varian应用于实践,商品名称为Rapid Arc。在这个应用中,进阶取样通过5级离散“多分辨率”把子野数由10个增加到177个。Elekta也有一款产品命名为VMAT但没有采用Otto的算法而是采用自己的一套算法。 Varian 和Elekta的弧形治疗都允许剂量率在治疗中变化。 " w9 W4 W8 D: S
1 i8 o6 L/ ]! R# H; T
螺旋断层放疗由Mackie首次提出,现在商品名为Tomotherapy。Tomotherapy是一种似于常规CT的技术,它在使病人连续通过断层放疗设备断层时发出围绕病人旋转扇形光子束进行治疗。射线以经过二元的MLC调制后的沿螺旋轨迹运动。治疗在51个投影角度上进行优化,概念上可认为是51个等间隔机架角的IMRT。螺旋断层放疗在2002年治疗了第一例病人,到目前为止,已在全世界广泛使用。, T& f& {! j/ ?9 X) p- Z+ w+ I
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现在需有必要总结IMRT、现代旋转放疗、断层放疗在计划质量、计划时间和出束时间估计值等方面的特性。先前的研究已经比较IMRT和Tomotherapy、IMRT和旋转放疗、Tomotherapy和旋转放疗。有一个简单研究是对5个病人良性颅内损伤比较IMRT、旋转放疗和Tomotherapy计划,这项研究结论为所有技术实际上是等效的,该研究还建议进一步使用一些具有挑战性的病例做比较,也为该研究提供一些动力。此外,Brotfeld和Webb最近发表了一份基于二维模体解析IMRT、单弧IMRT 和Tomotherapy所能达到剂量分布的理论探讨。他们的结论是出束少于2分钟的单弧放疗对非常复杂病例在计划质量上可能稍欠缺,认为IMRT和单弧IMRT的计划质量应当是类似的。 ) q7 w6 t2 B8 H6 S$ w5 H
! s* \+ @9 \ o) h$ ^ 本研究的目的是在四个虚拟模体(含Brahme模体)去完成IMRT、RapidArc、和Tomo治疗计划,同时去比较它们之间的治疗计划质量、优化时间和出束时间。
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II、材料和方法
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A、方法概述" v( g0 H% T& }) {+ S# }5 `
+ c3 g) g1 K# ~. f 本文的方法摘要在图1概括,其中涉及到了不同的章节、主要的计划系统和本研究用到的剂量评估软件。系统间数据传递在图1中以输入和输出箭头表示。$ W* @) Q J( [ l
' F5 H0 B! y* {2 G
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3 r* c4 K4 j: H5 }" s: o
; e+ R1 b+ O! j2 P- _' _) R, t, ]0 B) [* b
8 P9 O* I; D$ V: O# _$ V: b* ?" A: t% V) D7 q0 E w
! l }. e3 G+ T; t9 N5 U4 s
! U6 d3 i/ E3 c$ [2 z图1黑色图框代表本研究采用到不同的主要软件,包括简要的方法步骤(后面会进一步解释)数据的传递在模块中用箭头表示。
2 U0 A O4 {# U2 ], w% e5 J1 o% w
% `. e# C; p( W: } B、模体、轮廓和计划目标的介绍
. s2 c- I: H9 h% ~, O6 {/ s! }9 v9 o- n$ p' ^( L; j
所有虚拟模体和轮廓设置都是在Eclipse治疗计划系统中建立。所有模体都是水等效模体,10cm半径和长度为25.25cm。图2提供了所有模体包括轮廓的横断面视图。每个模体包括外轮廓、PTV和一些危及器官(OAR)。在三维方向上通过外放使外轮廓扩展。PTV和OAR前后长度如下:模体1 TV长度为8.5cm,OAR1长为6cm;模体2和3:PTV、OAR1、OAR2、OAR3长为5.25cm;模体4:PTV长为8cm,OAR长为7.5cm。PTV和OAR根据它们在临床代表的能被看到的或者在实验中能较好评估的解剖组织确定其位置。模体1类似于美国放射学院测试实验。模体2代表前列腺组织,模体3代表头颈部结构。最后,模体4是Bortfeld在分析中用过的实验。
, N8 d* m5 l+ v5 k! B7 x9 K2 _, ~* M! R
表格1中列出所有模体的计划目标函数。这些治疗计划的处方剂量是60Gy/30f。所选用的剂量-体积约束对三种技术都具有挑战性。约束的权重由各自的计划系统确定。1 k, N7 o, I0 a! @! U" g0 C5 Z# A
, R- u! ]4 _; T+ d表1 在模体1-4优化过程中多用到的所有剂量体积约束列表 M9 ^/ \" t J1 _7 u/ d
2 U' e- d! h* O4 G! s4 G- a PTV OAR1 OAR2 OAR3 4 C f3 [: A0 b8 t4 Q9 i p
6 E- o v7 f. z \$ e/ g% v; w
Min Max DVH DVH Max DVH DVH Max DVH DVH Max5 e8 r) d& @" b! m
, C8 ~' n+ |% |1 ?# @5 x2 X5 H Dose Dose Vol Dose Dose Vol Dose Dose Vol Dose Dose
* C1 L- ~% ]4 v5 m
& _. f } f( M8 V1 j2 u* g (Gy) (Gy) (%) (Gy)(Gy)(%) (Gy)(Gy) (%) (Gy)(Gy)
' I8 q& j4 A# N
$ R% l7 W8 b% n) pPhantom 1 60.0 65 50.0 13.3 20.0( M( d8 ]3 \5 Y* N
3 w: J* E8 L' }# A: U' jPhantom 2 60.0 65 50.0 10.0 20.0 50.0 10.0 20.0, V* W9 @7 B8 n0 x+ ` {! {* c' _) ^
- q+ r! \7 P6 ^# d' T! A& `. l
Phantom 3 60.0 65 50.0 10.0 20.0 50.0 10.0 20.0 50.0 15.0 30.0
+ Q1 \) ?' G! N# @3 ^% N# J6 {, x. j% ^: g1 |
Phantom 4 60.0 65 50.0 15.0 30.0
5 [( t0 F# }4 P- ~2 V8 s
! D) Z4 M4 J& Z3 TC. Sliding window IMRT计划
2 C0 ~, G. p! z, B# @. M2 h
- [* _: l4 b& a6 O5 v3 C Sliding window IMRT治疗计划设计是在Eclipse系统中进行。两个计划用等中心为5mm叶宽的120叶设计。5或9野的选择取决于治疗时间和计划质量之间的一个平衡。文献表明,超过7-9野,射野方向的选择对共面IMRT影响不大。
+ L, a" }0 ]! ?5 s7 g7 H, F' e: l2 V
在计算得出最后剂量之前,优化在beamlet模式下要经过大约250次的反复运算。在250次的反复运算之后,所有计划成本函数最后汇聚在一起。最后剂量矩阵通过解析析各项异性运算法则(AAA)计算,采用体素大小为0.25x0.25x0.25cm3。Eclipse的CPU是双核Intel Xeon qual-core处理器运行2.50GHz。* K* I4 g7 Y9 M
& N& ]: n. q% t D、RapidArc 计划
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9 Q) @: @3 Z9 F4 p* C RapidArc计划同样也是在Eclipse系统中设计的,该系统也支持多弧计划设计。单弧旋转RapidArc(RA1)和双弧旋转RapidArc(RA2)的治疗计划,其准直器角度均为45度。RapidArc根据计划质量和治疗时间之间的平衡选用单弧或双弧。虽然单弧计划出束时间较短,但增加一个额外弧在提高计划质量同时也延长了治疗时间。计划中运用了一项使所有弧形子野的MLC初始化位置为PTV减去OAR位置的技术。在这个版本的RapidArc计划系统中,在目标函数达到预设水平之前,优化可能就转换到下一个MR水平。转换可以被用户延迟,完成它需要从MR1一分钟上升到MR5的五分钟。若弧形优化完成,优化的过程被保存,若达到MR5水平优化要继续额外的五分钟。最后剂量的计算通过AAA计算,体素的大小为0.25x0.25x0.25cm3。Eclipse系统的硬件要求同前段描述一样。. D, O5 M1 |7 A' C
) Y* J4 m3 X GE、Tomotherapy计划
7 M' }6 c' A/ V) N. m
2 d9 b% Z% Q; V& S, r( ~4 i Tomtherapy计划是在3.1.2.3版本Tomotherapy计划工作站完成的。在Tomotherapy计划中,射野宽度定义为扇形射束轴向的厚度。螺矩定义为机架完成一次旋转床移动的距离,也称为旋转轴方向上的轴断面射野宽度。调制因子定义为最大叶片开放时间/平均叶片开放时间。选择可以降低影响最后剂量分布的threat效应的螺矩因子,通常为0.86/n,其中,n为整数。
% X/ R) a8 w$ f' C- a7 ]; K$ a0 _! ]! i, Y+ ^
治疗计划设计过程先进行全部子野的剂量计算,然后再执行经过250次子野优化循环。经过250次反复运算后,所有计划的成本函数趋向一致。Tomo采用的参数如下:等中心扇形野宽度为2.5cm,螺矩为0.287,调制因子为2.5。Tomo治疗计划的剂量体积元大小为0.31x0.31x0.25cm*3。Tomotherapy阵列计算机采用16 个Intel 双核处理器2.4GHz。: {. H9 |8 X/ O; j5 E I
g$ _2 X+ Q( B8 ~# ?
F、计划质量是
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. y% n5 J& F/ a9 j) ] 在本研究中,F1提及的计划质量主要指标是在优化过程中是否满足剂量体积约束的二进制量。是否满足DVH限制值主要看适形度和均匀性,OAR的平均剂量,具体算法在F1、F2节中单独提及。
% S8 @- N1 F# f: [5 i
! a1 C) g- Z# g9 h- k' u I; AF、1剂量体积评估& x4 I" h# s! z+ S4 Y
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优化完成后,为进行剂量学评估,所有计划导入CERR3.1软件。所以计划被优化到PTV95%体积受到61Gy剂量。
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" y6 U ~& k' _* k' L 报告的最小剂量为99.5%PTV体积的剂量,而报告的最大剂量为0.5%PTV体积的剂量。表1列出的剂量-体积限值,由接受剂量D的百分体积(VD)和最小百分体积剂量V(DV)报告。图3图示了剂量-体积约束是如何报告的,治疗计划用能否满足DVH限值的二进制量评估。
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! J) l+ ?+ I3 ^) q- W; P0 K) JF、2 适形度和均匀性指数
6 @' b v/ p$ ?
' X( M6 j- S! V. M3 F' ?0 u 治疗计划的放射适形度指数(RCI)和剂量均匀性指数(DHI)分别用公式1和公式2计算。RCI描述PTV受到处方剂量或更高剂量的体积(VD,,PTV)与外轮廓内受到处方剂量或更高剂量的体积(VD,body)之比,提供一个确定在PTV和正常组织之间处方等剂量体积如何分布的定量方法。
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VD,,PTV 9 Z. d/ v$ u6 q/ h4 L
& y: f4 b4 E8 ^; _! V
RCI= VD,body (1)2 H5 w( |+ e+ m9 v" _* B& u+ p
3 d* l$ Z/ i8 y/ B
DHI描述计划靶区内剂量的均匀性,是最小剂量(D99.5%)和最大剂量(D0.5%)之间的比值。 7 g7 V! q+ t6 ^1 @7 a3 V
{0 O5 f) p _. {- ]8 V: Q T/ P' M
D99.5%0 L+ v! `, k! R/ w
+ a- E2 h/ U0 {6 f" @7 ~% a
DHI= D0.5% (2)8 o; S# `7 P4 o& J1 F$ ?* V, }* |8 j
- u7 r/ e- h/ h5 g6 }4 [3 D. w/ ZF、3 危及器官的平均剂量
( z+ P( H% ~; ^, f) Z) J# q/ R! ?
* ^. C$ u, z5 ]% u2 n- ~7 x 每个危及器官(OAR)的平均剂量都做了记录。要求的记录点包括50%剂量的体积和OAR最大剂量。因此,平均剂量应与要求的剂量-体积点相关。
8 ]) c! ]% t* U1 @- _. R! V; |, q
/ j) @' }6 T& w: a# ]: ]1 \+ ?G、累积剂量
( @9 z8 `2 S2 g, f. n5 R7 w; e' M+ y0 {% J }! w
如公式3所示,累积剂量是所有剂量体积元的质量加权和。模体有均匀的密度,所以公式可以做如下简化:N是体积元个数,Dmean是外轮廓平均剂量,mvixel为体积元的质量。公式简化为模体外轮廓质量(mbody)和模体外轮廓的平均剂量(Dmean,body)之间的乘积。. A' [$ C9 v; Z: U* t8 q
8 l% }, p) R0 W* G4 j" D
Eintegral=Di*mi=N*Dmean*mvixel=mbody* Dmean,body; O* {4 E6 K1 `3 B$ L
( z' y8 c$ y# N
H、受到>2Gy和>5Gy剂量的体积
1 i; D& i0 q9 [6 N$ P/ T
' ?; k9 u# z/ X1 j& v' [$ B: o- ?/ h4 w 一些放射致癌变模型认为剂量反应关系直到6Gy剂量都呈线性关系,然后才达到高峰坪区。受到>2Gy和>5Gy剂量的体积在本文中都很重要,每个治疗计划中都将涉及到。
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0 _! a/ k) [0 F( t9 |4 t; VI. 治疗计划时间
& i# V9 b. w/ h6 K" P% g- K
8 ]( \8 H* f: B2 u0 B 治疗计划时间定义为从开始计划设计直到最后优化和剂量计算完成之间的时间。由于假设计划能用于临床,因此也包括相关参数的选择、治疗的优化和最终剂量计算的过程。
% J/ X2 r% H& g- c- O3 b* t" d! m7 v, @; z
J、治疗出束时间的估计 O- L7 H+ o7 M' X7 d9 ?
3 y: G2 U9 `7 M; S' z
治疗出束时间定义为首次射线开启到最后射线关闭之间的时间。对sliding windows IMRT来说,就是剂量率乘以每野跳数,加上机架在连续野之间旋转的时间,再加上参数“delta”(包括考虑MLC出束文件的数据传递的时间、模式准备、旋转时间的错误估计和操作员的反应时间)。第一个射野不考虑delta参数,因为数据的传递和模式准备发生在第一个射野出束之前。delta参数(在我们中心治疗的215个头颈IMRT野提出)定义为剂量率为400MU/min和机架旋转速度为3600/min条件下的理论出束时间和被记录和验证系统记录的实际出束时间之间的不同。对RapidArc来说,治疗出束时间估计值是在一个弧度内177个子野出束的时间。这个时间是所有子野角度增量的和除以通过机架旋转速率。对多弧计划来说,只对第二个弧加delta参数,因为所有数据传递发生在射线开启之前。TOMO放疗的出束时间估计值是通过计划系统和来自最后计划报告的记录进行计算的。: r" d5 [- W9 |8 d: I
+ U Z; G/ _# x, kIII.结果
5 G. z$ i. C: L+ v( f% f' T' h6 n" b5 z' c
A. 剂量-体积评估
- p( b) M9 J' o* `+ R$ S6 g. X+ h1 c9 T$ w6 C/ H
在表2中,执行了剂量体积评估,列出了所有治疗计划的数据。图4列出了9野IMRT、2单弧RapidArc和Tomotherapy的DVH曲线。图5,列出了9野IMRT、双弧RapidArc和Tomotherapy剂量分布的轴断面等剂量曲线。基于表2数据,模体1,IMRT5和IMRT9,0/4符合优化约束;RA1和RA2,1/4符合约束;TOMO,2/4符合;模体2,IMRT5、IMRT9和RA1,0/6符合约束;RA2,1/6符合,TOMO,4/6符合;模体3所有的计划只有0/8符合约束;最后,对于模体4,TOMO有2/4符合约束,而其它计划有0/4符合约束。' a3 q# C# O5 c; I' l, }4 Y
1 |' B9 K% g, y# b3 A
表2是 所有剂量和体积参数的一份总结,列出实际上达到的剂量和体积。作为参考,要求剂量和体积值在应达到值的上面列出,以粗体和斜体标出的值是预先规定优化限制值。
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& ?6 {' z" g% F PTV OAR1 OAR2 OAR3 ' `5 b* \/ L8 J; k
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Min Max DVH DVH Max DVH DVH Max DVH DVH Max' [2 I. _3 ` k0 q% L
& U6 G, f2 U7 f. q/ }7 R ?* b
Dose Dose Vol Dose Dose Vol Dose Dose Vol Dose Dose
G4 t' k5 N2 q' ]$ b( }+ G
/ D1 c4 o' L: q( F8 ~6 q; t) p Phantom 1 60.0 65 50.0 13.3 20.0
" s4 ?" b8 g5 W/ ~, R9 T; Q, p; m; [4 q/ y* T" D
IMRT 5野 59.2 68.9 82.1 16.0 29.39 |# B; R& W# U+ Q# x A# C2 u4 y: `8 S
9 d- F* d, I7 y8 Q
9野 59.3 73.1 87.1 16.4 30.3
, x0 l: W5 L: W# G) |4 R& }2 Q' b7 m5 q5 L5 b g
RapidArc 1弧 59.2 68.7 40.9 12.4 23.61 v3 }4 d _7 f/ O+ b9 o7 d
8 m% X7 _8 ~: u$ n3 f9 H
2弧 59.5 67.0 40.1 12.5 22.6
8 ?5 ]3 m3 e8 p, \/ z
. W6 }& L. j! H' E: kTOMO 59.1 67.2 15.1 9.4 17.06 u0 G3 Z) Q# F
2 L0 {7 I, w7 \
Phantom 2 60.0 65 50.0 10.0 20.0 50.0 10.0 20.0
* y# y+ K; \. d# k& M
- ^/ @. j- U. |8 _) x8 s1 iIMRT 5野 58.2 69.3 97.7 13.2 28.6 63.8 25.3 27.6
- ]+ K9 A/ ~9 ~% W4 e2 k, B7 ]
& t# O, \" Z. A* ] 9野 57.0 69.2 90.4 13.1 31.6 64.8 25.7 29.5
& W7 w2 S5 D* ^* J# S# ^
9 R4 [# C5 }% K l# [. y( b/ |" jRapidArc 1弧 58.1 68.7 58.5 10.3 23.4 52.3 10.2 24.1
4 E5 o* e, h8 [8 Z
) y2 ]1 U0 e1 f, H* l 2弧 58.3 68.0 50.2 10.0 23.1 47.3 9.8 22.9; x* {7 R& C; X; W6 O' Y) h. T
5 r" ^- Z5 `5 C, p
TOMO 59.9 66.1 42.6 9.5 17.4 33.9 8.8 17.9, {6 d I/ }- ]5 N: V: H7 V }# U
0 j. Y+ k6 ]( J) m
Phantom 3 60.0 65 50.0 10.0 20.0 50.0 10.0 20.0 50.0 15.0 30.0
. |1 ~/ z1 B) V5 |6 [, @, S- T s' Z, T q& m2 i
IMRT 5野 58.8 70.4 79.6 12.9 28.4 66.1 13.3 35.4 66.9 19.5 44.7
* [9 b) z; ]0 f6 y9 y P6 U" [. l3 {' p- N/ J/ ]8 b& @( B, d
9野 58.3 70.1 84.8 14.3 31.3 69.4 13.6 40.1 69.7 18.7 46.8 # X0 K; }3 j- y4 Y4 S( V/ j
* j& p5 j0 D7 |$ c q/ k# kRapidArc 1弧 58.3 69.0 94.9 13.4 24.7 81.9 13.1 28.6 91.3 21.7 44.2
1 w7 ]; n* s# V) t
. H- E8 V" p9 b. h6 x$ {) {& n 2弧 58.3 69.0 90.7 13.5 26.1 88.1 13.2 27.8 93.8 21.2 43.6( s$ @3 } T5 U0 b8 R
/ j( Z: R1 ^3 _, f
TOMO 56.7 66.7 99.9 15.1 24.6 96.8 13.5 25.2 83.0 21.5 43.6- ^" X7 J, M5 T8 k( M- L- x7 `, K
" t1 Y& ^# l9 }# ^6 y& P7 KPhantom 4 60.0 65 50.0 15.0 30.0) N' V j4 ]- i8 ?/ R
& S$ u9 Z. U/ ~' R
IMRT 5野 55.0 75.3 86.5 23.3 41.46 S9 O6 t+ q; y4 R2 S( S
3 [, C* i/ I1 l4 `" D. d 9野 57.6 69.5 87.6 21.6 39.4
3 _7 h7 @( S: Q0 A
" F: B/ z9 @ X# ?- n1 X$ BRapidArc 1弧 57.4 69.5 74.4 18.3 36.38 ^5 q) w7 L5 g
& b& Y( O& R9 a. o; y7 s$ B 2弧 59.0 66.5 68.3 16.9 33.8
0 Y. s( R& y3 }# q% H8 g
# h( k# v$ R4 f' i( cTOMO 57.4 65.6 28.7 11.2 29.5: _+ C3 u( t) Y; i
% C2 m' t0 Q4 j3 `
B. 放射适形度指数、剂量均匀性指数* f( y6 ]% c+ R9 I
5 L( b/ J& O* V! L$ l" A8 c/ i; o表3显示了所有计划的放射适形度和剂量均匀性指数。RCI平均值:IMRT:0.870.7,RapidArc:0.90.02,TOMO:0.810.07;DHI平均值:IMRT: 0.830.03,RapidArc:0.860.02,TOMO:0.880.02。+ ]) z9 ]# J, M, \9 E' M" K ]2 D
$ k3 s# X( i' R
表3 在实验模体中有IMRT、RapidArc 和TOMO计划的放射适形度指数和剂量均匀性指数在前两列列出,OAR平均剂量在三、四、五列分别列出,累积剂量(体积受照量>2Gy
' D9 n/ b- n( r1 Y- L
# T( O" m$ V3 c# N% D4 g( C,和>5Gy)在六、七、八列分别列出。
; F, q2 e0 \; h" e; u9 U4 ]& z$ [) m* ?# `% Z( T! L* \# ~% k
9 `) c$ U2 H4 A" ?
! T8 N \$ k; U Mean Mean Mean Integral% d4 O# F+ _/ i$ o. j: {% d1 s4 G
8 }1 K+ E0 r6 U( J- w/ K
RCI DHI OAR1 OAR2 OAR3 DOSE V>2Gy V>5 Gy
, k- D1 a) h5 E% i2 P F0 I! ~, U& {3 k" H1 k, t' P- k/ u" g
Phantom IMRT 5野 0.855 0.860 17.32 89.0 4148 32754 f: K! e- l3 G, t/ A: _
* B8 b5 Q2 j3 ?8 E 1 9野 0.913 0.811 17.78 87.8 4151 3425
% t4 S( S; t& F, X ~4 b0 E! S J: e% m0 J" T5 ]3 ]
RapidArc 1弧 0.890 0.862 13.65 85.8 4338 3379
- k, k% P% W/ F; e- _. c2 ?9 e8 f6 R, O7 l( M3 ^& E
2弧 0.914 0.888 13.53 85.7 4311 33811 ]1 @. T O, H, x y7 |9 |1 Y, `( Z
& D; C% `9 A- e$ }6 H7 q
TOMO 0.706 0.880 10.47 106.9 4884 4281 O$ B9 s$ f8 c% _! d
& J- @9 ^& s2 X/ q7 [, q i* uPhantom IMRT 5野 0.876 0.839 14.66 13.88 59.2 2617 20515 u- w! x) Z" n; i8 f$ a
2 C8 U" S' K" u8 A+ v+ U5 M8 G
2 9野 0.921 0.824 14.90 14.28 59.0 2662 2101
5 p2 C7 ^* s# q1 S5 d( K- [8 H
L; A e$ {' [* p$ kRapidArc 1弧 0.911 0.846 11.63 11.68 58.0 3019 2181# v% Y# F5 R" K7 Y8 ?* M
& d$ o5 i2 J; ~) K/ \5 }% G( ?) `
2弧 0.926 0.857 11.20 11.19 57.2 2970 2158
5 e) p. Y5 `* j( m/ x" V7 b# e6 l6 f! Q- a
TOMO 0.793 0.906 10.07 9.93 75.2 35.7 2995 V; t0 Y& g E0 Z2 _5 }% E
T; d) z( w! `# f5 p# G# l Phantom IMRT 5野 0.758 0.835 14.55 15.16 21.26 59.1 2630 20355 B I0 Y3 v5 i; f" N/ i( u
# D# U' V" [; u$ V* @) _* k 3 9野 0.783 0.832 15.86 16.17 21.46 58.3 2633 2031
( n, y& | T% A# a ~8 u& m6 _: P/ C. ^9 D/ b! e, m: R
RapidArc 1弧 0.904 0.844 14.44 14.56 24.27 58.6 3104 22262 }3 o! z2 h0 H
% ?+ O7 c+ v( }& d: Z: F
2弧 0.911 0.846 14.43 14.71 23.81 58.2 3060 2223
) P' |# `' K q' P! K' p' a4 n
TOMO 0.847 0.850 15.74 14.77 23.23 73.5 3510 2977
2 }5 N" e' B8 j( {
z8 ]. F& V( U1 z5 i. m5 |/ _Phantom IMRT 5野 0.769 0.730 24.34 148.3 4991 3477
8 ]! _5 }; s5 a9 Y9 \/ {7 o2 m) C2 |1 a. N" v x
4 9野 0.912 0.829 23.06 142.3 4833 3450
( W# m2 Z1 l3 v$ S& N& c8 F5 Z5 q! R; i
) q' w7 P# z: A9 C9 q% `RapidArc 1弧 0.904 0.826 20.24 142.1 5562 3915
( [, y7 X3 @$ m; G. {5 H- f2 `, \8 M% I" _4 u7 f* w
2弧 0.940 0.887 18.81 141.2 5629 39152 c5 ~7 n/ \7 W9 u1 x
) p5 k. D3 h, ?- a' E* l6 O/ Q- ETOMO 0.900 0.874 13.26 158.9 5367 4195
; ]( D! c3 a) K4 g
+ c' ?6 }" f$ X; w( h! W: U' v$ WC. OAR平均剂量
9 w) x' [. E/ k8 L3 H
( Q) r7 b! V% I$ l 表3列出了每个模体和治疗技术的模体平均剂量值。模体1、4的OAR平均剂量总的趋势是dOAR,TOMO<dOAE,RA2,<dOAR,RA1<dOAR,IMRT5OR9。
. t& y5 n$ O) w5 T# `) w) D1 _/ l
D.累积剂量和体积(受照量>2Gy,和>5Gy)# K7 O8 n8 _# C
. d9 @4 A- Z/ V# D5 g( V0 m
表3列出了累计剂量,T omotherapy出束总剂量比IMRT和RapidArc平均高20%。受到>2Gy和>5Gy剂量的体积也在表3中列出,总的趋势是Tomotherapy受到>2Gy和>5Gy的体积最大,其次RaptidArc,IMRT计划体积最小。$ o1 ]7 b2 I0 _$ U5 X: P1 ]; U4 P
2 D+ l' W7 n( B# fE.治疗计划时间和治疗出束时间估计( H1 v A% L& P8 B# {
' K$ I' y% p8 ^; v( l- ~2 i8 j# o
表4是计划时间和治疗出束时间估计值的一份总结。IMRT平均计划时间7.5分钟,RapidArc48分钟,Tomotherapy59分钟。IMRT出束时间估计4.8分钟,RapidArc2.2分钟,Tomotherapy3.5分钟。基于头颈215子野的IMRT,每个IMRT野的平均delta值是19.12.2s/野。
4 }# v% v" @7 ^6 X* H8 O
+ ^% n- U* l3 ~. q6 L0 F2 g 表格4 模体1-4:IMRT、RapidArc、Tomotherapy的计划设计治疗计划时间和治疗出束时间估计值表。
6 }: m8 T1 _% U$ G/ k
0 u% _7 R9 M* [9 @: X1 P
% p0 w3 `0 I" B
9 m$ B; Z- g# y 1模体 2模体 3模体 4模体 $ _% ?2 }9 `+ P. u/ D- G& ~
0 ?$ [, g3 e" Z. Q9 ]* n6 @
计划 出束 计划 出束 计划 出束 计划 出束5 w5 J& e7 @+ q/ i: |7 e
: l ?; j8 _6 x( wIMRT 5野 6.8 3.8 6.7 3.9 6.7 4.0 7.3 4.3 0 G9 l n1 G- z
/ B/ h) s* d' N3 O: @) S2 K 9野 8.1 5.2 7.5 5.3 7.8 5.8 9.1 5.9
9 p/ {0 P" s" W# Z S) d- l9 }2 O& O* K
RapidArc 1弧 45.0 1.4 38.0 1.4 30.0 1.7 53.0 1.79 Z* f1 F- N+ Q/ Y* ^0 u. _2 o
( |0 U6 H- z/ ~* \ 2弧 60.0 2.8 47.0 2.8 50.0 2.8 62.0 2.8
' d) m- E& g; i( i% U6 {. h I1 p6 \9 d# D( q- q
TOMO 45.0 4.3 44.0 2.8 44.0 2.8 101.0 3.9
2 R8 W) j, O0 A
+ R# e$ ^# c( n! ] ' k' k8 m/ | g0 x! A
* Q- A" d, i1 E0 ]5 A6 X
IV.讨论$ s' a4 ?6 O$ n0 L
- \6 }' n( [8 {. U& \
对于所有模体,Tomotherapy能满足最大限度满足优化限制(2/4P1,3/6P2,2/4P4),其次为RapidArc(1/4P1,1/6P2和0/4P3),最后是IMRT(0/4P1,0/6P2和1/4P4)。这些结果是依治疗技术作出的总结,几乎与所采用射野/弧个数独无关的。Tomotherapy计划对所有模体说,均能做出PTV最佳的剂量均匀性(DHITOMO>DHIRA2>DHIRA1>DHIIMRT9>DHIIMRT5)。这个满足DVH限制能力的提高是一其他的成本作为代价的,包括:较长的计划时间(tplan,tomo>tplan,ra2>tplan,ra1>tplan,imrt9>tplan,imrt5),较长治疗时间(tplan,imrt9>tplan,imrt5 >tplan,tomo>tplan,ra2>tplan,ra1),较低适形度指标(RCITOMO<RCIIMRT5<RCIIMRT9<RCIRA1<RCIRA2),和较高累积剂量(大约是IMRT或者RapidArc的1.2倍)。' n5 x D9 @: d' N. A9 S7 V" w4 |! |
1 n5 s/ V, k0 ?7 l, o 对模体3,没有一个治疗计划能满足剂量体积限制。然而,Tomotherapy还是能为计划提供最好的剂量均匀性(DHITOMO>DHIRA2>DHIRA1> DHIIMRT5> DHIIMRT9),但适形度较低(RCIRA2> RCIRA1> RCITOMO > RCIIMRT9> RCIIMRT5)。关于模体3OAR的平均剂量,没有差异趋势。, S9 S6 u: ~- r m# K0 q$ |6 j$ y
$ s4 w7 [. K5 n$ {
考虑在治疗计划时间、治疗出束时间和计划总体质量之间的权衡,本研究说明不同的治疗技术间各不相同。很明显,Sliding Window IMRT技术相比RapidArc或Tomotherapy,可以在短得多的时间内生成治疗计划;相比于IMRT和Tomotherapy,RapidArc(不论是单弧或双弧)有最低的治疗出束时间。对于计划质量,虽然Tomotherapy可以满足绝大多数剂量-体积限制,而且一般可以使靶区体积的均匀性做到最好。即使TOMO在优化过程中形成剂量分布上灵活性更高,但Tomotherapy的平均适形度指标却差于IMRT和RapidArc,我们的结果至少有两个理由可以解释。首先,两个治疗计划系统(TOMO和Eclipse)可能在判断体素在勾画轮廓内外上有不同标准。其次,为了满足Tomotherapy的靶区剂量,剂量提升区至少需要和扇形野厚度一致,这会导致靶区体积的上下方向额外剂量照射。图6显示的9野IMRT、双弧RapidArc和TOMO穿过模体4中心的上下方向剂量分布,就说明了这种剂量提升效应。
0 z4 j3 X- V" R$ |% ~; B0 Z. n9 w
5 Q) O w9 }) o: Y 本研究采用了简单通过的方法,在多次循环中反复优化参数以获得一个与DVH限制符合的最好计划的方法没有被采用。需要一个更有说服力的方法去评价IMRT、RA和TOMO的计划质量等级。例如,通过反复调节优化参数,相比一个简单通过方法,专业计划者可以获得更好的计划。另外,为每种治疗技术都招募专业计划人员将会对研究有益,但我们依然可以看到同样的治疗技术排序,因为对固定的计划设计时间,IMRT可以在短时间内完成一个计划,而且相对于RA和Tomo,IMRT有更多的优化参数可以调整。. ^, Y" Z* g$ _% x
) ]" R# ~) ]% [$ X) L9 R4 S 治疗计划研究的另外一项缺点就是来自不同治疗计划系统数据之间的相互比较,由于存在较多复杂因素可能不公平。其中一个因素即Deasy所谓的“Weight Pardox”(权重悖论),即对不同PTV和OAR优化限制相对权重有优选并不明晰,可能需要大量重复地试验和错误判别。DVH限制的选择也是在OAR和PTV覆盖相互妥协的一个限制,也可能在用户不期望的计划结果上终止优化。这些剂量障碍已经通过两种不同的方法包括多限制优化和Pareto优化加以考量,如在商业治疗计划系统运行就可能提供较好的结果。另一个困惑就是不同制造商的治疗计划系统可能定义定PTV和OAR的功能和权重其意义各不相同。这个信息通常用户都不清楚,也很难去干涉。
* S' k3 |" P9 l9 `7 s$ j
; Y' @' Z$ I! S4 w/ ?- Z2 T( f 本研究的一个缺点是模体在2D轴断面轮廓扩展而成,不能代表在临床环境中所能看到的轮廓。这就不能确定Tomotherapy系统在上下方向轮廓改变的PTV和OAR模体计划设计时是否会存在困难。正如Bortfeld和Webb文章中所提及的,在上下方向上计划时,Tomotherapy需要在扇形射野宽度的选择、调制因子和螺距等因素间做有效的权衡。在上下方向上形状变化的结构,这些权衡因素怎样去影响计划质量和治疗效率,需要进一步去进行研究。
1 Q- L% `; c3 {1 ]/ ]9 Q+ X, k
) p" u7 c" Q7 S& A1 d1 x 最后,很难去确切地知道优化运算收敛到了局部最小量或者现有方案与整体最小化间距离有多大。虽然运算循环的次数现在可以直观显示给用户,但现在还没有一个限制可以在优化已经集达到设定好标准(比如说100循环中目标函数有1%差异)时停止优化。如果有这种停止优化的限制,那么相应的优化算法的收敛性应做出说明。
5 J, s$ p" Y/ M+ |' z8 E
# K; D4 \" a5 Q6 Z 进一步理解在临床几何条件下的不同治疗技术的相对优势还需要做进一步的研究。5 F2 L0 Q5 ^: d
) P0 ~: S) g8 n; I8 h. U V.结论' z; s" q( S# |1 s
+ l; \$ [5 q" ?# f7 t0 M; \+ f 每项先进的放射治疗技术都有它们各自的相对优势。对本研究使用的四个模体,5和9野IMRT技术可以在较短时间内做出计划,以最低累积剂量出束。单弧和双弧RapidArc计划能在最短时间内出束,而且能提供PTV最好的适形度。最后,Tomotherapy能最大地满足计划要求,而且能提供PTV最大的剂量均匀性。
) m7 B V7 d2 w+ w* y9 Z* t* I$ [7 Z& @+ G
完成6 |& ?, K3 f" A6 P
5 C5 Q7 Z3 v/ w$ i% ~" A& d 我们由衷感谢英国癌症计划组织允许我们在这项研究中使用TOMO计划工作站。 |