本研究目的為系統地比較雙弧容積旋轉調強放射治療（VMAT）與動態調強放射治療（d-IMRT）兩種技術方法在多劑量水平鼻咽癌（NPC）計劃質量和傳輸效能上的異同，分析靶體積與計劃質量差異的相關性。為 20 例 2014 年—2015 年在本機構進行過 4～5 劑量水平全頸同步加量（SIB）調強放療的 NPC 患者重新設計雙弧 VMAT 計劃，其逆向優化條件與設計 IMRT 計劃時相同。然后對兩組計劃的靶區和危及器官（OAR）的劑量參數、傳輸效能進行了比較，用三維劑量驗證系統進行了質量保證驗證，分析腫瘤靶體積與計劃質量差異的相關性。結果顯示，雙弧 VMAT 靶區的適形度指數（CI）優于 d-IMRT（P < 0.05），未發現兩者差異與靶體積明顯相關（ P > 0.05）。VMAT 在靶區 PTV 1、PGTVnd 和 PTV3 的劑量分布與 d-IMRT 相似或前者略好。VMAT 降低了 PTV2 劑量，均勻指數（HI）變差。對脊髓、腦干等，VMAT 有更好的保護作用，但會增加腮腺劑量。d-IMRT 計劃跳數為 VMAT 計劃的 3.32 倍，出束時間為 VMAT 計劃的 2.19 倍。在 COMPASS? 質量保證（QA）驗證中，VMAT 與 IMRT 計劃的靶區 γ（3 mm，3%）通過率均大于 97%。本研究結果表明，VMAT 和 d-IMRT 兩種技術對多水平處方劑量 NPC 患者的治療效果相差不大，VMAT 能提高靶區的適形度，但使除頸部轉移淋巴結外的頸部靶區劑量覆蓋率和劑量分布變差。VMAT 的 QA 優于 d-IMRT，且 VMAT 在傳輸效率上也明顯高于 d-IMRT。
引用本文： 賈鵬飛, 許竣, 周曉曦, 陳健, 湯樂民. 多劑量水平鼻咽癌容積調強與動態調強放射治療劑量比較及傳輸效能分析. 生物醫學工程學雜志, 2017, 34(6): 907-913. doi: 10.7507/1001-5515.201607004 復制
引言
調強放療相對于常規放療能顯著提高靶區覆蓋率和危及器官（organ at risk，OAR）的保護作用，尤其是在頭頸部腫瘤治療中對腮腺的保護[1]，并且能提高患者生活質量[2-3]以及在提高腫瘤控制率及 5 年生存率的同時顯著減少并發癥發生[4-5]，目前已成為鼻咽癌（nasopharyngeal carcinoma，NPC）的主要治療方式。容積旋轉調強（volumetric modulated arc therapy，VMAT）是一種新技術，在國內外一些機構已開展使用，并應用于很多臨床研究，如前列腺癌[6]、食管癌[7]等胸腹部腫瘤，口咽癌、下咽癌、扁桃體腺癌等頭頸部腫瘤[8-10]。但目前臨床上動態調強放射治療（dynamic intensity modulated radiation therapy，d-IMRT）依然是 NPC 的首選治療手段，VMAT 還未普及，一方面可能是由于經濟原因，另一方面則是由于對 VMAT 計劃質量的優越性和優化條件還未形成共識。多項 NPC 的 VMAT 研究同時比較了多種治療方案，處方劑量多為 3 劑量水平[11-12]，研究結果并不完全一致。本機構 NPC 患者計劃處方劑量給予方式為 4～5 劑量水平全頸同步加量，本文系統研究了這些 NPC 患者雙弧 VMAT 與 d-IMRT 的計劃質量和傳輸效能上的異同，旨在為 NPC 患者多劑量水平治療技術的選擇提供一定臨床參考。
1 材料與方法
1.1 患者選擇
隨機選擇本院 2014 年—2015 年接受調強放療的 NPC 患者 20 例，選擇標準為：① 所有患者無遠處轉移；② 所有患者計劃由同一位物理師完成；③ 所有患者靶區輪廓由增強計算機斷層掃描（computed tomography，CT）與磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）融合勾畫。按鼻咽癌 2008 年分期標準分期，Ⅱ 期 8 例，Ⅲ 期 9 例，Ⅳa 期 3 例。12 例患者接受 4 劑量水平治療，8 例患者接受 5 劑量水平治療。所有患者放射治療前均簽署知情同意書，且本研究獲得本院倫理審查委員會的批準。
1.2 靶區勾畫和處方劑量
用熱塑性頭頸肩面罩對患者進行仰臥位固定后行 3 mm 螺旋 CT 掃描，影像通過 Varian 網絡傳入 Eclipse 10.0 TPS（Varian，美國）。醫師通過患者的定位 CT 與診斷 MRI 影像融合后進行靶區勾畫，靶區定義參照 ICRU 50、62 文件和中國鼻咽癌臨床分期工作委員會制定的標準[13]。腫瘤靶區（gross tumor volume，GTV）以影像學、內鏡、臨床檢查確認，包括原發腫瘤（GTVnx）與直徑 > 1 cm 和/或中央壞死頸部轉移淋巴結（GTV nd）。GTV 分別外放 3 mm 得到腫瘤計劃靶區（planning gross tumor volume，PGTV），其中 GTVnx 和 GTVnd 分別外放 3 mm 得到 PGTVnx 和 PGTVnd。CTV1 為臨床高危區，包括 PGTVnx 及鼻咽腫瘤易受侵犯結構。CTV2 包括 PGTVnd 及上中頸淋巴轉移區。CTV3 為臨床低危區，包括下頸鎖骨上淋巴引流區。CTV1、CTV2、CTV3 分別外放 3～5 mm 得到 PTV1、PTV2 和 PTV3。PTV1_opti 為 PTV1 減去 PGTVnx 的體積，PTV2_opti 為 PTV2 減去 PGTVnd 的體積，PTV_all 為 PTV1、PTV2 和 PTV3 合并體積。計劃評估、危及器官劑量限值參照 RTOG 0615[14]和 RTOG0225[15]標準。
4 劑量水平放射治療各靶區處方劑量為 PGTVnx：2.12～2.15 Gy/次，5 天/周，總劑量 69.96～70.95 Gy/6.5 周；PGTVnd：2.00～2.10 Gy/次，5 天/周，總劑量 66.00～69.30 Gy/6.5 周；PTV1：1.82～2.00 Gy/次，5 天/周，總劑量 60.06～66.00 Gy/6.5 周；PTV2：1.70～1.82 Gy/次，5 天/周，總劑量 56.10～60.06 Gy/6.5 周。
5 劑量水平放射治療各靶區處方劑量為 PGTVnx：2.12～2.15 Gy/次，5 天/周，總劑量 69.96～70.95 Gy/6.5 周；PGTVnd：2.00～2.10 Gy/次，5 天/周，總劑量 66.00～69.30 Gy/6.5 周；PTV1：1.82～2.00 Gy/次，5 天/周，總劑量 60.06～66.00 Gy/6.5 周；PTV2：1.70～1.82 Gy/次，5 天/周，總劑量 56.10～60.06 Gy/6.5 周；PTV3：1.70～1.82 Gy/次，5 天/周，總劑量 51.00～54.60 Gy/6 周。
1.3 計劃設計
用 VARIAN Eclipse TPS 對患者制定 9 野共面均分 d-IMRT 計劃，計劃優化算法為劑量體積優化算法（DVO_10.0.28），傳輸方式為滑窗（Sliding Window），劑量計算算法為各向異性分析算法（AAA_10.0.28），計算網格為 2.5 mm。d-IMRT 劑量率設置為 400 MU/min，用 Varian Trilogy 直線加速器 6MV X 射線對患者進行放射治療。VMAT 計劃用 VARIAN Eclipse TPS 的 RapidArc 技術完成，此計劃不用于患者的治療，計劃均設計為雙弧 360° 旋轉照射。每弧有 179 個控制點，弧一逆時針方向從 179.9° 旋轉到 181.1°，弧二順時針方向從 181.1° 旋轉到 179.9°，機頭角度分別設置 15° 和 345°。VMAT 優化算法為最新帶空氣腔修正逐步分辨率優化算法（PRO_10.0.28），VMAT 最大劑量率設置為 600 MU/min，且 VMAT 的逆向優化條件與 IMRT 相同。所有計劃均由同一位物理師完成并由相應主任醫師確認。
1.4 計劃比較
對靶區 PGTVnx、PGTVnd、PTV1_opti、PTV2_opti 和 PTV3 的劑量分布做比較分析，參數包括：靶區最大相對劑量（maximum relative dose，RDmax）、最小相對劑量（minimum relative dose，RDmin）、平均相對劑量（mean relative dose，RDmean）、靶區劑量均勻性（heterogeneity indexes，HI）、靶區適形指數（conform indexes，CI）及靶區受量的體積分數（V95%、V105%）。其中，RDmax 為 2% 靶區的體積所接受的照射劑量（D2）占該靶區所給的處方劑量的百分比，RDmin 為 98% 靶區的體積所接受的照射劑量（D98）占該靶區所給的處方劑量的百分比，RDmean 為靶區所接受的平均劑量（mean dose，Dmean）占該靶區所給的處方劑量的百分比，V95% 和 V105% 分別為 95% 和 105% 劑量線覆蓋的靶區體積除以靶區體積。HI1 = （D2 — D 98）/D50，HI2 = D5/D95。CI = TVPV × TVPV/（VTV × VPTV），其中 VPTV 為 PTV 體積，VTV 為 95%PTV 最小處方劑量包圍體積，TVPV 為 VPTV 與 VTV 重疊體積。VMAT 相對 d-IMRT 的劑量均勻性和適形度增益分別為 ΔHI 和 ΔCI，ΔHI = （HIVMAT — HI IMRT）/HIIMRT，ΔCI = （CIVMAT — CI IMRT）/CIIMRT。
對危及器官的劑量分布做比較分析，參數包括：腦干、脊髓、晶體及視交叉的 D1 和 D2；左右腮腺的 Dmean、D50、V26 及 V35，其中 V26 和 V35 分別為 26 Gy 和 35 Gy 劑量線覆蓋的腮腺體積除以腮腺體積，當腮腺與 PTV1 有重疊時，我們比較的是靶區外腮腺體積，作腮腺的數據統計時排除了 T4 期患者的數據；ΔVX 為正常組織（healthy tissue，HT）VX 的相對偏差，ΔVX = （VX（VMAT） — V X（IMRT））/VX（IMRT），HT = BODY – PTV_all，其中 VX 表示 HT 接受 X Gy 劑量的體積除以 HT 體積。
1.5 傳輸效能評估
用等效水模體、二維電離室矩陣（IBA，德國）及 COMPASS[16]軟件對所有 d-IMRT 和 VMAT 計劃在 Trilogy 直線加速器上進行驗證。驗證前用指形電離室進行絕對劑量測量，保證各能量射線參數均符合要求；計劃驗證時，角度傳感器固定在機架上，二維電離室矩陣和等效水模體附于機頭適配器上隨機架一起旋轉。為定量分析 d-IMRT 和 VMAT 計劃實際傳輸準確性，我們對兩種計劃質量保證（quality assurance，QA）的結果做了比較分析，參數包括：靶區（PGTVnx、PGTVnd、PTV1、PTV2、PTV3）的 D95 相對偏差（relative difference of D95，RD95D）、平均劑量相對偏差（relative difference of Dmean，RDmeanD）、γ 通過率及平均 γ 值；串行器官（腦干、脊髓、晶體、視交叉）的最大劑量相對偏差（relative difference of Dmax，RDmaxD）、RDmeanD 及平均 γ 值；腮腺的 RDmaxD、V30 相對偏差（relative difference of V30，RV30D）及平均 γ 值。其中 RD95D = （實測 D95 — 計劃 D 95）/實測 D95，RDmaxD = （實測 D1 — 計劃 D 1）/實測 D1，RDmeanD = （實測 Dmean — 計劃 D mean）/實測 Dmean，RV30D = （實測 V30 — 計劃 V 30）/實測 V30，γ 值標準設為 3%/3 mm。此外，我們還測量了每個 d-IMRT 和 VMAT 計劃的機器跳數和出束時間。
1.6 統計分析
數據結果用均數 ± 標準差表示。應用 SPSS19.0 軟件進行統計學處理，不同治療計劃結果采用雙邊 Wilcoxon 配對符號秩檢驗，相關性采用 Spearman 相關分析。P < 0.05 為差異有統計學意義。
2 結果
2.1 靶區
圖 1 為一患者各靶區劑量分布，上、下圖分別為 d-IMRT 和雙弧 VMAT 各靶區 PTV1、PTV2、PTV3 同一層面的劑量分布。表 1 和表 2 為各靶區劑量學比較結果。對 PGTVnx 和 PTV1-opti，兩技術的劑量分布一致。對 PTV2_opti，VMAT 劑量分布不如 d-IMRT。對 PGTVnd，VMAT 能降低其高劑量，而靶區適形度和劑量均勻性的差異則無統計學意義。本文比較了 8 例患者 PTV3，發現 VMAT 能夠降低其 RDmax（109.94 vs.111.66），劑量均勻性 HI2 變好（P = 0.05）。VMAT 對各靶區適形度均有顯著提高，其中靶區 PTV1 尤為明顯（ΔCI 為 23.08%）。
圖1
一例患者橫斷層劑量分布對比圖
Figure1.
Comparison of the transverse dose distribution in one case
表1
各靶區平均劑量-體積直方圖（DVH）參數值和均勻性的比較結果
Table1.
Comparison of dose-volume histograms (DVH) and HIs for PTVs
表2
各靶區適形指數比較結果
Table2.
Comparison of CI for PTVs
2.2 危及器官與正常組織
表 3 為串行器官劑量學比較結果。兩種計劃的脊髓劑量差異無統計學意義，但兩技術對脊髓保護的個體差異較大，其中 1 例 d-IMRT 中脊髓 D1 為 44.46 Gy（接近劑量限值 45 Gy），但 VMAT 中脊髓 D1 僅為 38.78 Gy，且此患者靶區體積在所有患者中最大（854.3 cm3）。而對靶體積最小（397.0 cm3）的一例患者，VMAT 中脊髓的 D1 只比 d-IMRT 少 0.52 Gy。兩技術對腦干均有很好的保護作用，但 VMAT 明顯提高了腦干的 D2。兩技術對視覺系統（晶體和視交叉）保護的差異無統計學意義，但個體差異較大，可能與靶區形狀及相對位置有關。
表3
危及器官劑量參數比較結果1
Table3.
Comparison 1 of dose for OAR
表 4 為腮腺的劑量學比較結果。VMAT 會增加腮腺照射劑量，相比于 d-IMRT，VMAT 計劃中左右側腮腺的 Dmean 分別提高了 1.82 Gy 和 2.43 Gy。VMAT 的其它各劑量學指標均不如 d-IMRT，且除左側腮腺 V35 外差異均有統計學意義。
表4
危及器官劑量參數比較結果2
Table4.
Comparison 2 of dose for OAR
圖 2 為 ΔVX 曲線圖。結果表明 VMAT 可增加 HT 低劑量照射，減少 HT 高劑量照射。
圖2
ΔVX 曲線圖
Figure2.
Graph of ΔVX
2.3 QA 與傳輸效率
我們用 COMPASS 2.1 三維劑量驗證軟件比較了各靶區和危及器官的 QA 結果。表 5 為靶區 QA 的比較結果，各靶區的 γ（3 mm，3%）通過率均 > 97%，且平均 γ 值均 < 0.5。VMAT 的 QA 要好于 d-IMRT，在 PGTV nd、PTV2 尤為明顯。VMAT 中各個靶區的 RD95D 均小于 d-IMRT，且除 PTV3 外差異均有統計學意義。
表5
VMAT 和 d-IMRT 靶區 QA 的比較結果
Table5.
Comparison of QA of PTVs between the double arc VMAT and d-IMRT
表 6 為危及器官 QA 的比較結果，各危及器官的平均 γ 值均 < 0.5。腦干和脊髓的 VMAT 各項 QA 參數均優于 d-IMRT。左右晶體的 RD maxD 為 24% 左右，RDmeanD 為 30% 左右，且 RDmeanD 的差異有統計學意義。VMAT 的左右腮腺的 RDmeanD 和平均 γ 值均優于 d-IMRT，且差異有統計學意義。但 VMAT 的左右腮腺的 RV30D 均差于 d-IMRT，且差異有統計學意義。
表6
雙弧 VMAT、d-IMRT 危及器官 QA 的比較結果
Table6.
Comparison of QA of OARs between the double arc VMAT and d-IMRT
驗證過程中，我們同時測量了每例患者 d-IMRT 和 VMAT 的機器跳數和出束時間，見表 7。與其它研究一致，VMAT 大大提高了治療效率，機器跳數和治療時間均比 d-IMRT 少得多。
表7
VMAT、d-IMRT 的機器跳數和出束時間的比較結果
Table7.
Comparison of monitor unit and delivery time between the double arc VMAT and d-IMRT
2.4 相關性分析
本文主要分析了各靶區 ΔCI 與靶區體積大小的相關性。ΔCIPTV1、ΔCIPTV2、ΔCIPTV3、ΔCIPTV-all 與靶體積的相關系數分別為 — 0.429、— 0.238、— 0.381 和 — 0.310， P 值均 > 0.05。表明靶區適形度差異與靶體積大小相關性不強。
3 討論
本文 NPC 患者劑量處方為 4～5 劑量水平（12 例 4 劑量水平，8 例 5 劑量水平），VMAT 和 d-IMRT 中 PTV1 和 PTV3 靶區覆蓋率（V95%）接近 100%。VMAT 中 PTV3 劑量分布與 d-IMRT 相似但 HI 比 d-IMRT 略好，VMAT 中各靶區適形度均優于 d-IMRT。對 PGTVnd，VMAT 能降低其高劑量，但本文 VMAT 中 PTV2 靶區覆蓋率變差，平均劑量降低，劑量均勻性不如 IMRT，與其它研究結果有所不同，可能是由于不同機構案例選取不同、VMAT 優化對 IMRT 目標函數不適應及機架旋轉速度和最大劑量率的限制。Ning 等[11]研究了 20 例 3 劑量水平 NPC 患者，發現單、雙弧 VMAT 中靶區覆蓋率與動、靜態 IMRT 相似但 HI 和 CI 優于動、靜態 IMRT，與本文結果一致。Sun 等[17]研究了 52 例 4 劑量水平 NPC 患者，發現單弧 VMAT 中靶區覆蓋率與靜態 IMRT 相似，但適形度不如 IMRT，兩種計劃中劑量均勻性因不同腫瘤分期而不同。
Lu 等[18]發現雙弧 VMAT 比常規 IMRT 提高了 NPC 患者危及器官的劑量保護。Kan 等[19]表明雙弧 VMAT 對 NPC 腮腺保護比動態 IMRT 差。Ning 等[11]也發現雙弧 VMAT 在腮腺保護上比 d-IMRT 差。本研究結果表明除腮腺外，VMAT 和 d-IMRT 對危及器官保護的結果相似。d-IMRT 腮腺 Dmean 小于劑量限值 26 Gy。VMAT 腮腺 Dmean 比 d-IMRT 增加約 2 Gy。VMAT 顯著降低了正常組織高劑量體積，升高了低劑量體積，對減少旁效應的發生有益。原因可能為：其一，VMAT 的適形度好于 d-IMRT；其二，VMAT 傳輸劑量的射野自由度遠大于 d-IMRT。
在 Trilogy 直線加速器上進行雙弧 VMAT 治療，每次治療時間只需 2.6 min（機器完成出束時間），不足 d-IMRT 的 50%。本研究中，9 野 d-IMRT 平均跳數為 1 799 MU，是 VMAT 的 3.32 倍。VMAT 中治療時間的縮短可以降低治療過程中患者移動概率，尤其是頭頸部復雜腫瘤的精確放療。VMAT 對機器跳數利用率明顯提高，會使透過多葉光柵的漏射線減少，有利于保護患者。
Boggula 等[16]比較 COMPASS 重建劑量與射線膠片劑量 γ 值，在 Г3 mm，3% 標準下，前列腺癌平均通過率 > 96%，椎旁腫瘤通過率為 99.02% ± 1.80%，肛管癌通過率為 90.86% ± 7.82%，并表明 COMPASS 三維劑量驗證系統能保證劑量計算和計劃傳輸的準確性。對通用的 Г 3 mm，3% 標準，本文中的靶區 γ（3 mm，3%）通過率均 > 97%，但晶體的劑量偏差平均值均比較大，可能與晶體所受的劑量均小于 600 cGy 有關。
盡管本文未發現靶區體積與靶區適形度差異存在明顯相關，但可能主要與靶區形狀、危及器官相對位置及多劑量水平有關。在研究過程中發現 VMAT 計劃質量在不同患者間個體差異較大，可能與不同患者靶區處方劑量不同及靶區與危及器官相對位置有關。Sun 等[17]發現不同分期患者，VMAT 與 IMRT 對危及器官的保護作用不同，對早期 T 分期患者，VMAT 對危及器官保護更好，對晚期 T 分期則較差。
RapidArc 設計雙弧 VMAT 各靶區適形度明顯優于 d-IMRT。本機構 4～5 處方劑量水平 NPC 患者，VMAT 鼻咽部和下頸鎖骨上靶區劑量分布與 IMRT 相似或略好于后者，但頸部靶區（PTV2）劑量分布變差。VMAT 對危及器官的保護與 IMRT 相似或略好于后者，但腮腺除外，與其它研究結果類似，可能成熟 d-IMRT 計劃優化目標對 VMAT 不是最佳的。VMAT 最明顯的優勢是出束時間和機器跳數明顯低于 d-IMRT，有利于開展圖像引導等高精度治療。考慮到 VMAT 治療花費較 IMRT 高，選擇何種患者進行 VMAT 治療能獲得較大劑量增益是需要我們進一步研究的。
4 結論
本研究結果表明，VMAT 和 d-IMRT 兩種技術對多水平處方劑量 NPC 患者的治療效果相差不大，VMAT 能提高靶區的適形度，但使除頸部轉移淋巴結外的頸部靶區劑量覆蓋率和劑量分布變差。VMAT 在鼻咽部、頸部轉移淋巴結及下頸鎖骨上靶區的劑量分布與 d-IMRT 相似或略好于后者。VMAT 對危及器官有很好的保護作用，但腮腺除外。VMAT 的 QA 優于 d-IMRT，且在傳輸效率上也明顯高于 d-IMRT。
引言
調強放療相對于常規放療能顯著提高靶區覆蓋率和危及器官（organ at risk，OAR）的保護作用，尤其是在頭頸部腫瘤治療中對腮腺的保護[1]，并且能提高患者生活質量[2-3]以及在提高腫瘤控制率及 5 年生存率的同時顯著減少并發癥發生[4-5]，目前已成為鼻咽癌（nasopharyngeal carcinoma，NPC）的主要治療方式。容積旋轉調強（volumetric modulated arc therapy，VMAT）是一種新技術，在國內外一些機構已開展使用，并應用于很多臨床研究，如前列腺癌[6]、食管癌[7]等胸腹部腫瘤，口咽癌、下咽癌、扁桃體腺癌等頭頸部腫瘤[8-10]。但目前臨床上動態調強放射治療（dynamic intensity modulated radiation therapy，d-IMRT）依然是 NPC 的首選治療手段，VMAT 還未普及，一方面可能是由于經濟原因，另一方面則是由于對 VMAT 計劃質量的優越性和優化條件還未形成共識。多項 NPC 的 VMAT 研究同時比較了多種治療方案，處方劑量多為 3 劑量水平[11-12]，研究結果并不完全一致。本機構 NPC 患者計劃處方劑量給予方式為 4～5 劑量水平全頸同步加量，本文系統研究了這些 NPC 患者雙弧 VMAT 與 d-IMRT 的計劃質量和傳輸效能上的異同，旨在為 NPC 患者多劑量水平治療技術的選擇提供一定臨床參考。
1 材料與方法
1.1 患者選擇
隨機選擇本院 2014 年—2015 年接受調強放療的 NPC 患者 20 例，選擇標準為：① 所有患者無遠處轉移；② 所有患者計劃由同一位物理師完成；③ 所有患者靶區輪廓由增強計算機斷層掃描（computed tomography，CT）與磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）融合勾畫。按鼻咽癌 2008 年分期標準分期，Ⅱ 期 8 例，Ⅲ 期 9 例，Ⅳa 期 3 例。12 例患者接受 4 劑量水平治療，8 例患者接受 5 劑量水平治療。所有患者放射治療前均簽署知情同意書，且本研究獲得本院倫理審查委員會的批準。
1.2 靶區勾畫和處方劑量
用熱塑性頭頸肩面罩對患者進行仰臥位固定后行 3 mm 螺旋 CT 掃描，影像通過 Varian 網絡傳入 Eclipse 10.0 TPS（Varian，美國）。醫師通過患者的定位 CT 與診斷 MRI 影像融合后進行靶區勾畫，靶區定義參照 ICRU 50、62 文件和中國鼻咽癌臨床分期工作委員會制定的標準[13]。腫瘤靶區（gross tumor volume，GTV）以影像學、內鏡、臨床檢查確認，包括原發腫瘤（GTVnx）與直徑 > 1 cm 和/或中央壞死頸部轉移淋巴結（GTV nd）。GTV 分別外放 3 mm 得到腫瘤計劃靶區（planning gross tumor volume，PGTV），其中 GTVnx 和 GTVnd 分別外放 3 mm 得到 PGTVnx 和 PGTVnd。CTV1 為臨床高危區，包括 PGTVnx 及鼻咽腫瘤易受侵犯結構。CTV2 包括 PGTVnd 及上中頸淋巴轉移區。CTV3 為臨床低危區，包括下頸鎖骨上淋巴引流區。CTV1、CTV2、CTV3 分別外放 3～5 mm 得到 PTV1、PTV2 和 PTV3。PTV1_opti 為 PTV1 減去 PGTVnx 的體積，PTV2_opti 為 PTV2 減去 PGTVnd 的體積，PTV_all 為 PTV1、PTV2 和 PTV3 合并體積。計劃評估、危及器官劑量限值參照 RTOG 0615[14]和 RTOG0225[15]標準。
4 劑量水平放射治療各靶區處方劑量為 PGTVnx：2.12～2.15 Gy/次，5 天/周，總劑量 69.96～70.95 Gy/6.5 周；PGTVnd：2.00～2.10 Gy/次，5 天/周，總劑量 66.00～69.30 Gy/6.5 周；PTV1：1.82～2.00 Gy/次，5 天/周，總劑量 60.06～66.00 Gy/6.5 周；PTV2：1.70～1.82 Gy/次，5 天/周，總劑量 56.10～60.06 Gy/6.5 周。
5 劑量水平放射治療各靶區處方劑量為 PGTVnx：2.12～2.15 Gy/次，5 天/周，總劑量 69.96～70.95 Gy/6.5 周；PGTVnd：2.00～2.10 Gy/次，5 天/周，總劑量 66.00～69.30 Gy/6.5 周；PTV1：1.82～2.00 Gy/次，5 天/周，總劑量 60.06～66.00 Gy/6.5 周；PTV2：1.70～1.82 Gy/次，5 天/周，總劑量 56.10～60.06 Gy/6.5 周；PTV3：1.70～1.82 Gy/次，5 天/周，總劑量 51.00～54.60 Gy/6 周。
1.3 計劃設計
用 VARIAN Eclipse TPS 對患者制定 9 野共面均分 d-IMRT 計劃，計劃優化算法為劑量體積優化算法（DVO_10.0.28），傳輸方式為滑窗（Sliding Window），劑量計算算法為各向異性分析算法（AAA_10.0.28），計算網格為 2.5 mm。d-IMRT 劑量率設置為 400 MU/min，用 Varian Trilogy 直線加速器 6MV X 射線對患者進行放射治療。VMAT 計劃用 VARIAN Eclipse TPS 的 RapidArc 技術完成，此計劃不用于患者的治療，計劃均設計為雙弧 360° 旋轉照射。每弧有 179 個控制點，弧一逆時針方向從 179.9° 旋轉到 181.1°，弧二順時針方向從 181.1° 旋轉到 179.9°，機頭角度分別設置 15° 和 345°。VMAT 優化算法為最新帶空氣腔修正逐步分辨率優化算法（PRO_10.0.28），VMAT 最大劑量率設置為 600 MU/min，且 VMAT 的逆向優化條件與 IMRT 相同。所有計劃均由同一位物理師完成并由相應主任醫師確認。
1.4 計劃比較
對靶區 PGTVnx、PGTVnd、PTV1_opti、PTV2_opti 和 PTV3 的劑量分布做比較分析，參數包括：靶區最大相對劑量（maximum relative dose，RDmax）、最小相對劑量（minimum relative dose，RDmin）、平均相對劑量（mean relative dose，RDmean）、靶區劑量均勻性（heterogeneity indexes，HI）、靶區適形指數（conform indexes，CI）及靶區受量的體積分數（V95%、V105%）。其中，RDmax 為 2% 靶區的體積所接受的照射劑量（D2）占該靶區所給的處方劑量的百分比，RDmin 為 98% 靶區的體積所接受的照射劑量（D98）占該靶區所給的處方劑量的百分比，RDmean 為靶區所接受的平均劑量（mean dose，Dmean）占該靶區所給的處方劑量的百分比，V95% 和 V105% 分別為 95% 和 105% 劑量線覆蓋的靶區體積除以靶區體積。HI1 = （D2 — D 98）/D50，HI2 = D5/D95。CI = TVPV × TVPV/（VTV × VPTV），其中 VPTV 為 PTV 體積，VTV 為 95%PTV 最小處方劑量包圍體積，TVPV 為 VPTV 與 VTV 重疊體積。VMAT 相對 d-IMRT 的劑量均勻性和適形度增益分別為 ΔHI 和 ΔCI，ΔHI = （HIVMAT — HI IMRT）/HIIMRT，ΔCI = （CIVMAT — CI IMRT）/CIIMRT。
對危及器官的劑量分布做比較分析，參數包括：腦干、脊髓、晶體及視交叉的 D1 和 D2；左右腮腺的 Dmean、D50、V26 及 V35，其中 V26 和 V35 分別為 26 Gy 和 35 Gy 劑量線覆蓋的腮腺體積除以腮腺體積，當腮腺與 PTV1 有重疊時，我們比較的是靶區外腮腺體積，作腮腺的數據統計時排除了 T4 期患者的數據；ΔVX 為正常組織（healthy tissue，HT）VX 的相對偏差，ΔVX = （VX（VMAT） — V X（IMRT））/VX（IMRT），HT = BODY – PTV_all，其中 VX 表示 HT 接受 X Gy 劑量的體積除以 HT 體積。
1.5 傳輸效能評估
用等效水模體、二維電離室矩陣（IBA，德國）及 COMPASS[16]軟件對所有 d-IMRT 和 VMAT 計劃在 Trilogy 直線加速器上進行驗證。驗證前用指形電離室進行絕對劑量測量，保證各能量射線參數均符合要求；計劃驗證時，角度傳感器固定在機架上，二維電離室矩陣和等效水模體附于機頭適配器上隨機架一起旋轉。為定量分析 d-IMRT 和 VMAT 計劃實際傳輸準確性，我們對兩種計劃質量保證（quality assurance，QA）的結果做了比較分析，參數包括：靶區（PGTVnx、PGTVnd、PTV1、PTV2、PTV3）的 D95 相對偏差（relative difference of D95，RD95D）、平均劑量相對偏差（relative difference of Dmean，RDmeanD）、γ 通過率及平均 γ 值；串行器官（腦干、脊髓、晶體、視交叉）的最大劑量相對偏差（relative difference of Dmax，RDmaxD）、RDmeanD 及平均 γ 值；腮腺的 RDmaxD、V30 相對偏差（relative difference of V30，RV30D）及平均 γ 值。其中 RD95D = （實測 D95 — 計劃 D 95）/實測 D95，RDmaxD = （實測 D1 — 計劃 D 1）/實測 D1，RDmeanD = （實測 Dmean — 計劃 D mean）/實測 Dmean，RV30D = （實測 V30 — 計劃 V 30）/實測 V30，γ 值標準設為 3%/3 mm。此外，我們還測量了每個 d-IMRT 和 VMAT 計劃的機器跳數和出束時間。
1.6 統計分析
數據結果用均數 ± 標準差表示。應用 SPSS19.0 軟件進行統計學處理，不同治療計劃結果采用雙邊 Wilcoxon 配對符號秩檢驗，相關性采用 Spearman 相關分析。P < 0.05 為差異有統計學意義。
2 結果
2.1 靶區
圖 1 為一患者各靶區劑量分布，上、下圖分別為 d-IMRT 和雙弧 VMAT 各靶區 PTV1、PTV2、PTV3 同一層面的劑量分布。表 1 和表 2 為各靶區劑量學比較結果。對 PGTVnx 和 PTV1-opti，兩技術的劑量分布一致。對 PTV2_opti，VMAT 劑量分布不如 d-IMRT。對 PGTVnd，VMAT 能降低其高劑量，而靶區適形度和劑量均勻性的差異則無統計學意義。本文比較了 8 例患者 PTV3，發現 VMAT 能夠降低其 RDmax（109.94 vs.111.66），劑量均勻性 HI2 變好（P = 0.05）。VMAT 對各靶區適形度均有顯著提高，其中靶區 PTV1 尤為明顯（ΔCI 為 23.08%）。
圖1
一例患者橫斷層劑量分布對比圖
Figure1.
Comparison of the transverse dose distribution in one case
表1
各靶區平均劑量-體積直方圖（DVH）參數值和均勻性的比較結果
Table1.
Comparison of dose-volume histograms (DVH) and HIs for PTVs
表2
各靶區適形指數比較結果
Table2.
Comparison of CI for PTVs
2.2 危及器官與正常組織
表 3 為串行器官劑量學比較結果。兩種計劃的脊髓劑量差異無統計學意義，但兩技術對脊髓保護的個體差異較大，其中 1 例 d-IMRT 中脊髓 D1 為 44.46 Gy（接近劑量限值 45 Gy），但 VMAT 中脊髓 D1 僅為 38.78 Gy，且此患者靶區體積在所有患者中最大（854.3 cm3）。而對靶體積最小（397.0 cm3）的一例患者，VMAT 中脊髓的 D1 只比 d-IMRT 少 0.52 Gy。兩技術對腦干均有很好的保護作用，但 VMAT 明顯提高了腦干的 D2。兩技術對視覺系統（晶體和視交叉）保護的差異無統計學意義，但個體差異較大，可能與靶區形狀及相對位置有關。
表3
危及器官劑量參數比較結果1
Table3.
Comparison 1 of dose for OAR
表 4 為腮腺的劑量學比較結果。VMAT 會增加腮腺照射劑量，相比于 d-IMRT，VMAT 計劃中左右側腮腺的 Dmean 分別提高了 1.82 Gy 和 2.43 Gy。VMAT 的其它各劑量學指標均不如 d-IMRT，且除左側腮腺 V35 外差異均有統計學意義。
表4
危及器官劑量參數比較結果2
Table4.
Comparison 2 of dose for OAR
圖 2 為 ΔVX 曲線圖。結果表明 VMAT 可增加 HT 低劑量照射，減少 HT 高劑量照射。
圖2
ΔVX 曲線圖
Figure2.
Graph of ΔVX
2.3 QA 與傳輸效率
我們用 COMPASS 2.1 三維劑量驗證軟件比較了各靶區和危及器官的 QA 結果。表 5 為靶區 QA 的比較結果，各靶區的 γ（3 mm，3%）通過率均 > 97%，且平均 γ 值均 < 0.5。VMAT 的 QA 要好于 d-IMRT，在 PGTV nd、PTV2 尤為明顯。VMAT 中各個靶區的 RD95D 均小于 d-IMRT，且除 PTV3 外差異均有統計學意義。
表5
VMAT 和 d-IMRT 靶區 QA 的比較結果
Table5.
Comparison of QA of PTVs between the double arc VMAT and d-IMRT
表 6 為危及器官 QA 的比較結果，各危及器官的平均 γ 值均 < 0.5。腦干和脊髓的 VMAT 各項 QA 參數均優于 d-IMRT。左右晶體的 RD maxD 為 24% 左右，RDmeanD 為 30% 左右，且 RDmeanD 的差異有統計學意義。VMAT 的左右腮腺的 RDmeanD 和平均 γ 值均優于 d-IMRT，且差異有統計學意義。但 VMAT 的左右腮腺的 RV30D 均差于 d-IMRT，且差異有統計學意義。
表6
雙弧 VMAT、d-IMRT 危及器官 QA 的比較結果
Table6.
Comparison of QA of OARs between the double arc VMAT and d-IMRT
驗證過程中，我們同時測量了每例患者 d-IMRT 和 VMAT 的機器跳數和出束時間，見表 7。與其它研究一致，VMAT 大大提高了治療效率，機器跳數和治療時間均比 d-IMRT 少得多。
表7
VMAT、d-IMRT 的機器跳數和出束時間的比較結果
Table7.
Comparison of monitor unit and delivery time between the double arc VMAT and d-IMRT
2.4 相關性分析
本文主要分析了各靶區 ΔCI 與靶區體積大小的相關性。ΔCIPTV1、ΔCIPTV2、ΔCIPTV3、ΔCIPTV-all 與靶體積的相關系數分別為 — 0.429、— 0.238、— 0.381 和 — 0.310， P 值均 > 0.05。表明靶區適形度差異與靶體積大小相關性不強。
3 討論
本文 NPC 患者劑量處方為 4～5 劑量水平（12 例 4 劑量水平，8 例 5 劑量水平），VMAT 和 d-IMRT 中 PTV1 和 PTV3 靶區覆蓋率（V95%）接近 100%。VMAT 中 PTV3 劑量分布與 d-IMRT 相似但 HI 比 d-IMRT 略好，VMAT 中各靶區適形度均優于 d-IMRT。對 PGTVnd，VMAT 能降低其高劑量，但本文 VMAT 中 PTV2 靶區覆蓋率變差，平均劑量降低，劑量均勻性不如 IMRT，與其它研究結果有所不同，可能是由于不同機構案例選取不同、VMAT 優化對 IMRT 目標函數不適應及機架旋轉速度和最大劑量率的限制。Ning 等[11]研究了 20 例 3 劑量水平 NPC 患者，發現單、雙弧 VMAT 中靶區覆蓋率與動、靜態 IMRT 相似但 HI 和 CI 優于動、靜態 IMRT，與本文結果一致。Sun 等[17]研究了 52 例 4 劑量水平 NPC 患者，發現單弧 VMAT 中靶區覆蓋率與靜態 IMRT 相似，但適形度不如 IMRT，兩種計劃中劑量均勻性因不同腫瘤分期而不同。
Lu 等[18]發現雙弧 VMAT 比常規 IMRT 提高了 NPC 患者危及器官的劑量保護。Kan 等[19]表明雙弧 VMAT 對 NPC 腮腺保護比動態 IMRT 差。Ning 等[11]也發現雙弧 VMAT 在腮腺保護上比 d-IMRT 差。本研究結果表明除腮腺外，VMAT 和 d-IMRT 對危及器官保護的結果相似。d-IMRT 腮腺 Dmean 小于劑量限值 26 Gy。VMAT 腮腺 Dmean 比 d-IMRT 增加約 2 Gy。VMAT 顯著降低了正常組織高劑量體積，升高了低劑量體積，對減少旁效應的發生有益。原因可能為：其一，VMAT 的適形度好于 d-IMRT；其二，VMAT 傳輸劑量的射野自由度遠大于 d-IMRT。
在 Trilogy 直線加速器上進行雙弧 VMAT 治療，每次治療時間只需 2.6 min（機器完成出束時間），不足 d-IMRT 的 50%。本研究中，9 野 d-IMRT 平均跳數為 1 799 MU，是 VMAT 的 3.32 倍。VMAT 中治療時間的縮短可以降低治療過程中患者移動概率，尤其是頭頸部復雜腫瘤的精確放療。VMAT 對機器跳數利用率明顯提高，會使透過多葉光柵的漏射線減少，有利于保護患者。
Boggula 等[16]比較 COMPASS 重建劑量與射線膠片劑量 γ 值，在 Г3 mm，3% 標準下，前列腺癌平均通過率 > 96%，椎旁腫瘤通過率為 99.02% ± 1.80%，肛管癌通過率為 90.86% ± 7.82%，并表明 COMPASS 三維劑量驗證系統能保證劑量計算和計劃傳輸的準確性。對通用的 Г 3 mm，3% 標準，本文中的靶區 γ（3 mm，3%）通過率均 > 97%，但晶體的劑量偏差平均值均比較大，可能與晶體所受的劑量均小于 600 cGy 有關。
盡管本文未發現靶區體積與靶區適形度差異存在明顯相關，但可能主要與靶區形狀、危及器官相對位置及多劑量水平有關。在研究過程中發現 VMAT 計劃質量在不同患者間個體差異較大，可能與不同患者靶區處方劑量不同及靶區與危及器官相對位置有關。Sun 等[17]發現不同分期患者，VMAT 與 IMRT 對危及器官的保護作用不同，對早期 T 分期患者，VMAT 對危及器官保護更好，對晚期 T 分期則較差。
RapidArc 設計雙弧 VMAT 各靶區適形度明顯優于 d-IMRT。本機構 4～5 處方劑量水平 NPC 患者，VMAT 鼻咽部和下頸鎖骨上靶區劑量分布與 IMRT 相似或略好于后者，但頸部靶區（PTV2）劑量分布變差。VMAT 對危及器官的保護與 IMRT 相似或略好于后者，但腮腺除外，與其它研究結果類似，可能成熟 d-IMRT 計劃優化目標對 VMAT 不是最佳的。VMAT 最明顯的優勢是出束時間和機器跳數明顯低于 d-IMRT，有利于開展圖像引導等高精度治療。考慮到 VMAT 治療花費較 IMRT 高，選擇何種患者進行 VMAT 治療能獲得較大劑量增益是需要我們進一步研究的。
4 結論
本研究結果表明，VMAT 和 d-IMRT 兩種技術對多水平處方劑量 NPC 患者的治療效果相差不大，VMAT 能提高靶區的適形度，但使除頸部轉移淋巴結外的頸部靶區劑量覆蓋率和劑量分布變差。VMAT 在鼻咽部、頸部轉移淋巴結及下頸鎖骨上靶區的劑量分布與 d-IMRT 相似或略好于后者。VMAT 對危及器官有很好的保護作用，但腮腺除外。VMAT 的 QA 優于 d-IMRT，且在傳輸效率上也明顯高于 d-IMRT。
