一项关于在Halcyon平台上使用基于广义等效均匀剂量（gEUD）光子优化器的VMAT规划对头颈部癌症进行临床评估的研究

《Medical Dosimetry》：A study on clinical evaluation of generalized equivalent uniform dose (gEUD) photon optimizer based VMAT planning on the halcyon platform for head and neck cancer

　　

文努戈帕尔·桑达拉姆（Venugopal Sundaram）| 大卫·卡纳（David Khanna）| 莫汉达斯·帕拉尼萨米（Mohandass Palanisamy）| 普拉布·R（Prabhu R）| 雷卡·阿利亚（Rekha Arya）| 尼洛特帕尔·查克拉瓦蒂（Nilotpal Chakravarty）| 巴拉吉·K（Balaji K）| 斯韦塔·索尼（Sweta Soni）

印度泰米尔纳德邦哥印拜陀卡鲁尼亚科技与科学学院（Karunya Institute of Technology and Sciences）物理科学系，邮编641114

摘要

目的

本研究利用Halcyon LINAC光子优化器（PO）引擎，探讨了在头部和颈部癌症（HNC）的容积调制弧形治疗（VMAT）规划中，广义等效均匀剂量（gEUD）目标的临床性能和有效性。

材料与方法

回顾性地选取了50名之前接受基于剂量体积（DV）的Halcyon VMAT治疗的HNC患者。通过使用针对风险器官（OARs）的gEUD目标以及对PTVs同时使用gEUD和DV目标重新规划DV计划，同时保持一致的束流几何形状和其他优化参数，生成了新的gEUD计划。比较了两种规划策略下的目标覆盖范围（D95%、D98%、Dmean、D2%、V105%、CI、HI）、OAR剂量（平均值和最大值）以及治疗输送参数（MU、MF、BOT、PD伽马通过率）。统计分析采用了双尾配对Student's t检验，并生成了箱线图。

结果

基于gEUD的规划在PTV覆盖范围和均匀性方面与基于DV的规划相当。重要的是，gEUD优化显著降低了腮腺的平均剂量（p < 0.05）。gEUD规划还显著减少了脊髓和下颌骨的剂量（p < 0.001）。尽管gEUD导致脑部剂量略有增加，但仍低于临床耐受限。治疗输送参数或PD QA通过率没有显著差异。

结论

使用Halcyon LINAC进行的HNC gEUD VMAT规划显示出对OARs（尤其是腮腺、脊髓和下颌骨）的显著保护作用，同时没有影响目标覆盖范围或输送效率。这些发现支持将gEUD优化应用于HNC临床治疗，以潜在地减少治疗相关毒性并改善治疗窗口。

引言

头部和颈部癌症（HNC）是一组影响上呼吸道和消化道的多种肿瘤，是全球第七大常见癌症。¹印度面临的癌症负担日益加重，根据GLOBOCAN 2020的预测，到2040年新发癌症病例将增加57.5%，达到每年210万例。^{2, 3, 4}HNC是印度的一个重大公共卫生问题，包括口腔、咽部和喉部的癌症，主要起源于黏膜上皮，但也影响唾液腺、鼻子、鼻窦、肌肉和神经等较少见的部位。⁵鳞状细胞癌占HNC病例的多数，⁶约占印度所有癌症的30%。⁷令人担忧的是，超过65%的印度HNC患者处于疾病晚期。^{8, 9, 10, 11}局部区域头部和颈部癌症的管理通常采用手术切除，随后进行术后辅助放疗，有时结合化疗，或者单独进行根治性放疗，同样可能结合化疗。

HNC的放疗（RT）由于头部和颈部的复杂解剖结构而变得复杂，患者容易出现放射引起的毒性反应，如口干、口腔黏膜炎、张口困难、味觉丧失、口腔灼烧综合征、放射性皮炎、骨放射坏死（尤其是在晚期病例中）以及头部和颈部皮肤的淋巴水肿。¹²先进的RT技术，如强度调制放疗（IMRT）和容积调制弧形治疗（VMAT），常用于减轻这些毒性反应。^{13, 14, 15, 16, 17}然而，即使使用IMRT/VMAT，目标与风险器官（OARs）的接近性也常常阻碍了理想的剂量分布的实现。在IMRT规划中，无论是使用IMRT还是VMAT，通常都基于物理剂量或剂量体积（DV）参数进行逆向优化。然而，这些物理剂量约束并不能完美替代更能准确反映临床目标的生物指标。因此，这些物理DV替代指标可能不足以描述组织的辐射反应，也无法生成更符合生物目标的剂量分布。^{18, 19}

剂量-反应模型大致可分为机制模型和现象学模型。机制模型（如基于正常组织并发症概率NTCP的模型）数学上描述了细胞存活过程。Lyman-Kutcher-Burman模型²⁰是一个著名的例子，它使用3个参数来定义均匀照射下的剂量-反应曲线。为了考虑非均匀剂量分布，通常采用剂量体积直方图（DVH）减少算法²¹。Niemierko²²提出的等效均匀剂量（EUD）概念及其扩展——广义等效均匀剂量（gEUD）²³提供了一个单一指标来表示非均匀剂量分布。gEUD使用特定于器官的参数来描述对所传递剂量分布的生物反应。在逆向规划过程中将基于生物的约束纳入优化函数，本质上考虑了体积效应，从而允许通过平衡不同体积的剂量水平来塑造剂量分布。然而，逆向规划的结果取决于所有成本函数项的复杂相互作用。理解生物目标对剂量分布控制的影响以及期望的最终剂量分布对于在临床实践中有效使用该模型至关重要。基于生物的优化用一个更有效地指导DVH曲线形状的函数替代了传统的DV点，以实现最佳治疗结果，而不仅仅是满足约束条件。此外，指定多个DV约束会增加计算复杂性。

Eclipse治疗规划系统（Varian Medical Systems，美国帕洛阿尔托）从版本13.5开始，在其光子优化器（PO）算法中同时纳入了gEUD目标和传统的DV目标，适用于IMRT和VMAT。Varian Halcyon V2.0是一种新推出的O-ring直线加速器（LINAC），专为常规分次治疗设计的IGRT设计，优先考虑患者安全和精确输送，具有6 MV FFF束流和4 RPM的机架旋转速度。Eclipse内置了一个不可修改的参考束流模型。Halcyon的1.3 MeV平均能量和1.3 cm的最大剂量深度为其独特的束流特性做出了贡献。^{24, 25}其双层交错MLC设计（叶片间距为5.0 mm）在等中心处提供了有效的5 mm宽度。²⁶无颌设计允许28 × 28 cm2的照射野大小。²⁶MLC叶片的运行速度是标准Millennium 120 MLC的两倍，最小化了泄漏和传输（<0.5%），从而改善了半影特性，并实现了约0.1 mm的DLG。²⁷快速的15秒kV-iCBCT结合迭代重建技术有助于精确的患者定位。²⁸自动化的1步患者设置流程通过自动应用等中心位移简化了工作流程。PO算法支持基于gEUD的生物优化目标，该目标表示产生与异质分布相同生物效应的均匀剂量。gEUD目标需要定义一个特定于组织的参数gEUD(a)，以反映体积效应。在逆向规划过程中将基于生物的约束纳入优化函数，可以平衡不同体积的剂量水平，从而更好地实现剂量分布。然而，逆向规划的结果取决于所有成本函数项的复杂相互作用。理解生物目标对剂量分布控制的影响以及期望的最终剂量分布对于有效使用该模型至关重要。基于生物的优化用一个更有效的函数替代了DV点，以指导DVH曲线的形状，从而实现最佳治疗结果，而不仅仅是满足约束条件。此外，指定多个DV约束会增加计算复杂性。

本研究利用Halcyon LINAC当前的PO优化引擎，探讨了在HNC VMAT规划中gEUD目标的临床性能和有效性。

章节摘录

患者样本、目标及OAR勾画

这项回顾性研究包括了50名之前接受基于DV的Halcyon VMAT治疗的HNC患者，以验证gEUD VMAT规划的可行性。选择晚期疾病患者以代表复杂的临床情况。所有患者均采用头部朝下的仰卧位（HFS）进行螺旋CT扫描，层厚为3 mm。规划CT图像被导入Eclipse治疗规划系统（TPS，版本15.6，Varian Medical Systems，帕洛阿尔托，加州）进行目标和OAR勾画

目标覆盖范围评估：DV vs gEUD

表4总结了Halcyon VMAT头部和颈部计划中PTV1 7000和PTV2 6300的目标覆盖范围。基于gEUD的VMAT计划在PTV1 7000的目标覆盖范围（D95%、Dmean、V105%、D2%、D98%、CI）和目标剂量均匀性（HI）方面与基于DV的计划相当。PTV2 6300也显示出相似的剂量（D95%、Dmean、V105%、D2%）。观察到的微小绝对差异在临床上不太可能具有显著性。图1显示了相似的PTV1（7000 cGy）

讨论

本研究回顾性地评估了50名接受Halcyon VMAT治疗的HNC患者中，基于gEUD的规划与基于DV的规划在剂量学上的影响。通过使用gEUD目标重新规划现有的DV计划，同时保持相同的束流几何形状和优化参数（目标函数和优先级除外），可以直接比较这两种方法。结果表明，基于gEUD的规划在目标覆盖范围和均匀性方面与基于DV的规划相当

结论

本研究表明，与基于DV的规划相比，基于PO优化器的gEUD VMAT规划在HNC患者中具有剂量学优势。gEUD优化在实现目标覆盖范围和均匀性方面相当，同时显著提高了对OARs（特别是腮腺、脊髓和脑干）的保护。这些OAR剂量的减少表明有可能降低治疗相关毒性。使用适当的gEUD(a)值，根据OAR的序列性进行优化

伦理批准

不适用，本研究未涉及人类受试者或动物的研究。

知情同意

不需要。

作者贡献

所有作者在以下方面做出了同等贡献：（1）研究的构思和设计、数据收集、数据分析和解释；（2）文章的起草和修订；（3）所有作者均已批准文章的最终版本并已提交。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。