MLC葉片系統(tǒng)誤差對鼻咽癌VMAT和IMRT計劃劑量影響的比較

葉淑敏，滕建建，石錦平，張利文，劉致濱

佛山市第一人民醫(yī)院/中山大學附屬佛山醫(yī)院腫瘤中心放療科，廣東佛山528000

前言

容積調強（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）相對于普通調強（Intensity Modulated Radiation Therapy, IMRT）具有相似甚至更好的劑量分布，治療時間短，已經被廣泛地應用于鼻咽癌的治療［1-3］。VMAT 通過改變機架旋轉速度、多葉準直器（Multileaf Collimator,MLC）葉片位置以及射線劑量率來實現(xiàn)射野強度的調整，而IMRT僅通過改變MLC葉片位置來實現(xiàn)調強［4］。MLC葉片位置誤差分為隨機誤差與系統(tǒng)誤差，會對調強計劃劑量分布產生影響，其中系統(tǒng)誤差相對隨機誤差的影響更大［5-7］。本文擬研究MLC 葉片系統(tǒng)誤差對于鼻咽癌VMAT 和IMRT兩種調強技術劑量學影響的差異。

1 材料與方法

1.1 病例選擇

隨機選取佛山市第一人民醫(yī)院2018年1月～8月間接受VMAT放射治療的鼻咽癌患者20例。處方劑量：計劃腫瘤靶區(qū)（Planning Gross Target Volume,PGTV）為70 Gy（2.12×33 Gy），淋巴結計劃靶區(qū)（Planning Target Volume of node, PTVnd）為68 Gy（2.06×33 Gy），高危臨床靶區(qū)（Planning Target Volume 1,PTV1）為60 Gy（1.82×33 Gy），下頸部預防照射區(qū)（PTV2）為50 Gy（1.64×33 Gy）。

1.2 計劃設計

使用Eclipse 13.5對每一個鼻咽癌病例分別設計VMAT計劃和IMRT計劃。VMAT計劃包含兩條弧：一條弧機架角179°～181°，準直器角度依據(jù)實際情況在345°～340°之間取值；另一條弧機架角181°～179°，準直器角度在15°～20°之間取值。準直器大小限定在15 cm以內，最大劑量率600 MU/min。IMRT計劃采用9野動態(tài)調強，機架角分別為0°、40°、80°、120°、160°、200°、240°、280°、320°，準直器角度為0°，不限制射野大小，劑量率為400 MU/min。同一病例的兩種計劃優(yōu)化設計時，劑量優(yōu)化條件相同。所有計劃采用光子優(yōu)化算法（Photon Optimizer,PO）13.5進行計劃優(yōu)化，采用各向異性分析算法（Anisotropic Analytical Algorithm,AAA）13.5進行劑量計算，計算網(wǎng)格大小2.5 mm。治療使用6 MV光子線，在Varian公司的Trilogy上執(zhí)行治療，該加速器擁有40對葉片，中間20對葉片的寬度為0.5 cm，其余兩側葉片的寬度為1 cm。

1.3 模擬葉片系統(tǒng)誤差

將兩種調強計劃的計劃文件分別從治療計劃系統(tǒng)中導出。利用MATLAB R2009a設計程序，修改計劃文件中MLC葉片的位置，人為引入-1.0、-0.5、-0.2、0.2、0.5、1.0 mm 的系統(tǒng)誤差。誤差為負數(shù)時表示葉片間隙變小，為正數(shù)時表示葉片間隙變大。僅修改運動葉片的位置，一條弧內只要任意兩個控制點間葉片位置不同就認為是運動葉片。修改葉片位置時考慮機器的物理限制，運動葉片的最小間隙為5 mm，一條弧內任意控制點任意兩條葉片的位置之差小于15 cm。將修改后的計劃文件導回治療計劃系統(tǒng)，重新進行劑量計算。

1.4 生物學劑量一般等效均勻劑量（generalized Equivalent Uniform Dose,gEUD）

從治療計劃系統(tǒng)中導出劑量體積直方圖，計算靶區(qū)（PGTV、PTVnd、PTV1、PTV2）和危及器官（腦干、脊髓、左側腮腺、右側腮腺）的gEUD。gEUD是指整個靶區(qū)均勻照射時產生與實際劑量分布相同的克隆源細胞存活的劑量［8-9］。公式如式（1）所示：

其中，vi表示受到Di劑量照射的體積，a是用來描述體積效應的特定組織參數(shù)。參數(shù)a參照AAPM 106號報告［10］，靶區(qū)選-10，腦干選16，脊髓選20，腮腺選1。計算gEUD的相對變化，公式如（2）所示：

其中，gEUDx表示重建計劃的gEUD，而gEUDBaseline表示原治療計劃的gEUD，ΔgEUDx表示變化的相對差別。

1.5 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 22.0 進行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)資料采用均數(shù)±標準差的方式表示；兩組差值服從正態(tài)分布，采用配對t檢驗，P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。同時用回歸分析法檢測MLC系統(tǒng)誤差與生物學劑量相對偏差間的線性關系。

2 結果

2.1 靶區(qū)gEUD變化的比較

如表1所示，對于靶區(qū)gEUD，MLC 系統(tǒng)誤差對VMAT 的影響比IMRT 小，差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.001）。當MLC 誤差為0.2、0.5、1.0 mm 時，VMAT 的gEUD 變化分別在1%、2%、4%左右，而IMRT變化在2%、5%、11%左右。

2.2 危及器官gEUD變化的比較

如表2所示，對腦干、脊髓、腮腺等危及器官的gEUD ，MLC 系統(tǒng)誤差對VMAT 的影響也比IMRT小，差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.001）。當MLC誤差為0.2、0.5、1.0 mm 時，VMAT 的gEUD 變化分別在1%、3%、6%左右，而IMRT變化在3%、7%、15%左右。

表1 比較兩種計劃之間MLC系統(tǒng)誤差對靶區(qū)gEUD的影響（±s，%）Tab.1 Comparison of the impacts of MLC systematic errors on gEUD of target areas between two plans(Mean±SD,%)

表1 比較兩種計劃之間MLC系統(tǒng)誤差對靶區(qū)gEUD的影響（±s，%）Tab.1 Comparison of the impacts of MLC systematic errors on gEUD of target areas between two plans(Mean±SD,%)

VMAT：容積調強放射治療；IMRT：調強放射治療；PGTV：計劃腫瘤靶區(qū)；PTVnd：計劃淋巴結靶區(qū)；PTV1：高危臨床靶區(qū)；PTV2：下頸部預防照射區(qū)

誤差-1.0 mm-0.5 mm-0.2 mm 0.2 mm 0.5 mm 1.0 mm計劃VMAT IMRT t值P值VMAT IMRT t值P值VMAT IMRT t值P值VMAT IMRT t值P值VMAT IMRT t值P值VMAT IMRT t值P值PGTV-3.66±0.50-10.51±0.71 63.976＜0.001-1.82±0.25-5.29±0.34 67.394＜0.001-0.72±0.10-2.14±0.13 73.092＜0.001 0.72±0.11 2.15±0.16-52.285＜0.001 1.79±0.26 5.41±0.37-60.026＜0.001 3.53±0.522 10.79±0.71-63.338＜0.001 PTVnd-3.86±0.53-10.54±0.75 41.606＜0.001-1.92±0.27-5.33±0.37 41.441＜0.001-0.77±0.11-2.20±0.15 41.594＜0.001 0.76±0.11 2.01±0.18-33.955＜0.001 1.90±0.28 5.18±0.41-36.509＜0.001 3.75±0.55 10.43±0.81-37.376＜0.001 PTV1-4.12±0.47-11.11±0.57 81.862＜0.001-2.03±0.23-5.62±0.29 77.341＜0.001-0.80±0.09-2.31±0.12 68.391＜0.001 0.79±0.09 2.19±0.13-81.411＜0.001 1.96±0.24 5.61±0.32-80.890＜0.001 3.86±0.47 11.26±0.63-79.524＜0.001 PTV2-3.05±0.64-10.67±0.72 44.480＜0.001-1.51±0.32-5.42±0.37 43.513＜0.001-0.60±0.13-2.26±0.16 40.487＜0.001 0.60±0.13 2.04±0.15-48.768＜0.001 1.49±0.33 5.29±0.38-46.835＜0.001 2.95±0.66 10.68±0.77-46.225＜0.001

2.3 MLC系統(tǒng)誤差與gEUD變化的關系

系統(tǒng)誤差為-1.0～1.0 mm 時，MLC 系統(tǒng)誤差與gEUD 的變化成線性關系，對于VMAT 和IMRT，PGTV、PTVnd、PTV1、PTV2、腦干、脊髓、左側腮腺、右側腮腺等受MLC 系統(tǒng)誤差的變化分別為3.6 與10.7 %/mm、3.8 與10.5 %/mm、4.0 與11.2 %/mm、3.0與10.7 %/mm、5.6 與16.6 %/mm、5.6 與15.0 %/mm、6.8 與14.6%/mm、6.8 與14.4%/mm。MLC 誤差對腦干、脊髓、腮腺等危及器官gEUD 的影響比靶區(qū)的影響較大（表3）。

3 討論

鼻咽癌腫瘤靶區(qū)周圍含有腦干、脊髓、腮腺等眾多危及器官，為保證腫瘤劑量充足的同時減少危及器官的受照劑量，通常采用調強放射治療，通過改變MLC 葉片位置來調整射線的強度，能夠在靶區(qū)和危及器官之間形成一個陡峭的劑量梯度［11］。

MLC系統(tǒng)誤差主要是由單個葉片或整組葉片的刻度誤差，燈光野與輻射野間的誤差，不同偏心位置處射線半影的變化以及治療計劃系統(tǒng)中葉片的不準確建模引起的［6］。筆者在本文中僅研究葉片刻度誤差導致的系統(tǒng)誤差，將誤差分為兩組葉片向相同方向和相反方向移動兩類［12］。當MLC兩組葉片向相同方向移動且不改變射野大小時對劑量變化的影響較小，這與等中心位移時對劑量的影響相似［13-14］。當兩組葉片向相反方向移動時，射野會變大或縮小，Mu等［6］研究了此類誤差對12例頭頸癌患者簡單調強計劃的劑量影響，發(fā)現(xiàn)1 mm 的誤差使靶區(qū)的D95，腦干和脊髓的最大劑量變化大約為4%，而腮腺平均劑量變化大約為9%。所以筆者在本研究中僅對MLC 向相反方向移動的情況進行研究分析。

表2 比較兩種計劃之間MLC系統(tǒng)誤差對危及器官gEUD的影響（±s，%）Tab.2 Comparison of the impacts of MLC systematic error on gEUD of organs-atrisk between two plans(Mean±SD,%)

表2 比較兩種計劃之間MLC系統(tǒng)誤差對危及器官gEUD的影響（±s，%）Tab.2 Comparison of the impacts of MLC systematic error on gEUD of organs-atrisk between two plans(Mean±SD,%)

誤差-1.0 mm-0.5 mm-0.2 mm 0.2 mm 0.5 mm 1.0 mm計劃VMAT IMRT t值P值VMAT IMRT t值P值VMAT IMRT t值P值VMAT IMRT t值P值VMAT IMRT t值P值VMAT IMRT t值P值腦干-5.32±0.78-14.97±0.76 48.449＜0.001-2.73±0.41-7.76±0.41 47.662＜0.001-1.11±0.17-3.18±0.17 49.808＜0.001 1.16±0.18 3.55±0.30-38.459＜0.001 2.93±0.46 8.99±0.72-41.277＜0.001 5.96±0.94 18.20±1.45-41.765＜0.001脊髓-5.27±0.49-12.94±1.03 38.309＜0.001-2.70±0.27-6.77±0.58 36.076＜0.001-1.10±0.11-2.82±0.26 33.215＜0.001 1.14±0.12 3.27±0.31-36.539＜0.001 2.88±0.32 8.36±0.81-36.315＜0.001 5.85±0.66 16.96±1.70-34.841＜0.001左側腮腺-6.68±1.00-13.63±0.78 43.247＜0.001-3.37±0.51-7.15±0.43 45.4＜0.001-1.36±0.21-3.06±0.18 45.844＜0.001 1.38±0.21 2.86±0.29-36.425＜0.001 3.46±0.53 7.59±0.70-44.976＜0.001 6.96±1.07 15.55±1.39-47.427＜0.001右側腮腺-6.61±1.37-13.41±1.23 40.236＜0.001-3.34±0.70-7.01±0.64 41.151＜0.001-1.35±0.28-3.00±0.25 39.939＜0.001 1.37±0.29 2.80±0.38-34.953＜0.001 3.43±0.73 7.44±0.88-45.586＜0.001 6.91±1.48 15.26±1.74-48.960＜0.001

物理劑量僅僅指的是某個特定點的劑量，而生物學劑量gEUD 用來評價解剖結構受到不均勻劑量照射時的生物學效應，可以反映整條劑量體積直方圖曲線的變化趨勢，因此生物學劑量更適合用來評價誤差對靶區(qū)和危及器官造成的劑量影響。Oliver等［15］研究了MLC 系統(tǒng)誤差對10 例前列腺癌VMAT計劃的影響，結果發(fā)現(xiàn)MLC 葉片同向運動時，PTV的gEUD 變化約1%/mm，而MLC 葉片反向運動時，PTV的gEUD 變化約8%/mm。根據(jù)公式（1）的定義，照射體積Vi和物理劑量Di是影響生物學劑量gEUD的因素，MLC 誤差可以同時引起受照體積和劑量的變化，因此本文中筆者直接分析了葉片誤差對生物學劑量的影響，研究方法與Oliver相同。

Rangel 等[16]研究了MLC 系統(tǒng)誤差對7 例頭頸癌IMRT 計劃劑量的影響，發(fā)現(xiàn)1 mm 的系統(tǒng)誤差使臨床靶區(qū)和脊髓的gEUD 分別改變6%和4%。Oliver等［17］研究了MLC誤差對8例頭頸癌VMAT計劃劑量的影響，發(fā)現(xiàn)1 mm 的系統(tǒng)誤差使PTV 和脊髓的gEUD 分別改變3%和2%。Oliver對照Rangel的研究，認為如果使PTV 的gEUD 變化在2%以內，VMAT 和IMRT計劃的MLC 誤差應分別小于0.76 和0.36 mm。Oliver直接引用了Rangel的研究數(shù)據(jù)，沒有針對相同的病人進行研究，治療計劃系統(tǒng)也不相同，而研究結果會受到病例、計算方法、計算網(wǎng)格大小等的影響。

表3 MLC系統(tǒng)誤差與gEUD相對變化的線性關系（%/mm）Tab.3 Linear relationship between gEUD variations and MLC systematic errors(%/mm)

筆者針對20 例鼻咽癌患者展開了研究，采用相同的MLC 配置、優(yōu)化算法、計算算法和計算網(wǎng)格，比較了MLC 誤差對VMAT 和IMRT 計劃影響的差別。研究發(fā)現(xiàn)VMAT 計劃MLC 誤差對靶區(qū)和危及器官gEUD 的影響比IMRT 計劃要小。如果要限制PGTV的gEUD 變化在2%以內，對于VMAT 和IMRT，MLC系統(tǒng)誤差分別應小于0.6和0.2 mm，筆者的研究結果與Oliver相似。

MLC 系統(tǒng)誤差對IMRT 計劃gEUD 的影響比VMAT 計劃大的原因可能在于兩種計劃之間的差別。Eclipse 計劃系統(tǒng)優(yōu)化IMRT 計劃時采用基于通量的優(yōu)化算法，而優(yōu)化VMAT 計劃時采用的是直接進行子野優(yōu)化的方法［18］。相對于VMAT 計劃，IMRT計劃的機器跳數(shù)大，子野數(shù)目多，子野面積小。相同的MLC誤差對小子野的影響比大子野的大。

為確保放射劑量在允許的誤差范圍之內，必須利用膠片、EPID等測量工具定期對MLC的葉片位置進行檢測［19-20］，執(zhí)行IMRT 計劃時需要比執(zhí)行VMAT計劃進行更加嚴格的MLC質量控制。