引用本文： 冀傳仙, 柏森, 李光俊, 蔣曉芹, 肖江紅. 二級準直器在鼻咽癌容積調強放射治療計劃設計中的應用研究. 華西醫學, 2015, 30(7): 1235-1238. doi: 10.7507/1002-0179.20150355 復制
容積調強放射治療（VMAT）可通過在不間斷出束的同時動態調節治療機架運動速度、照射劑量率和射野形狀以及準直器角度來增加治療的自由度，生成高度適形的劑量分布[1-3]。當前VMAT技術已經很成熟地運用在了鼻咽癌放射治療當中。文獻報道對前列腺、脊柱等部位的腫瘤，通過更改VMAT治療計劃中二級準直器（MLC）角度，可以在不降低計劃靶體積劑量要求的前提下，降低危及器官的劑量，更好地保護正常器官，降低放射治療產生的副反應[4-5]。為此我們通過分析20例鼻咽癌患者的數據，系統評價不同MLC角度計劃的特點。現報告如下。
1 資料與方法
1.1 一般資料
選取四川大學華西醫院2013年3月－12月的20例鼻咽癌患者，全部經病理檢查，臨床分期T1N0M0～T3N1M0，其中男14例，女6例；年齡31～58歲，中位年齡48歲。
1.2 儀器設備
患者經CT模擬定位后由三維放射治療計劃系統Pinnacle 9.2（荷蘭皇家飛利浦公司）進行VMAT計劃設計，執行設備和射線為配置了80葉MLC的Synergy直線加速器（瑞典Elekta公司）的6 MV光子射線，MLC的葉片寬度在等中心平面投影為1 cm。
1.3 靶區勾畫
按調強放射治療計劃要求，臨床醫生在CT圖像上勾畫鼻咽和頸部轉移淋巴結的大體腫瘤體積（GTV）、亞臨床病灶和高危淋巴引流區的臨床靶區體積（CTV1）以及預防照射區域的臨床靶區（CTV2），考慮擺位和機械誤差，分別作適當外擴得到相應的計劃靶區PGTV、PCTV1和PCTV2[6]。
1.4 計劃設計
患者均采用同步加量技術的VMAT治療。PGTV、PCTV1、PCTV2處方劑量分別為70、60、56 Gy，照射33次，5次/周。計劃治療床角度均固定為0°，按照準直器角度為0、15、30、45、60°制定VMAT計劃。VMAT采用720°的雙弧計劃（180～181°，181～180°），雙弧采用同一角度。計劃的優化參數為：多葉光柵移動速度0.46 cm/deg，最終間隔弧形角度為4。采用的優化算法為SmartArc。計算網格和方差分別為3 mm和3%。優化目標為95%的靶區受照劑量不低于處方劑量；危及器官限制劑量根據其與原發腫瘤之間的位置關系及自身的劑量響應特性，參照其最大耐受劑量設定，其中腦干最大劑量＜60 Gy，脊髓最大劑量＜45 Gy，晶狀體最大劑量＜8 Gy，腮腺平均劑量＜33 Gy，腮腺受到＞30 Gy劑量的體積（V30）＜50%。
1.5 運行參數的選擇
每例患者設置不同準直器的5個計劃均設置相同的運行參數和靶區器官限制條件，然后設計出相對最優的計劃進行比較分析。
1.6 計劃評價
計劃的比較是基于劑量分布和采用1 cGy和l cm3的分辨率生成的劑量-體積直方圖。比較時，將計劃都歸一至95%的PGTV接受到70 Gy。根據ICRU 83號報告，采用近似最大劑量（D2%）、近似最小劑量（D98%）和中位劑量（D50%）來評估靶區劑量分布。并引入適形性指數（CI）和均勻性指數（HI）評估計劃質量，其中HI=（D2%-D98%）/D50%[7]，CI=（TVRI×TVRI）/（TV×VRI）[8]，式中DX%為X%靶區體積接受的劑量，TVRI為處方劑量線所包裹的靶區體積，TV為靶體積，TVRI為處方劑量線所包裹的體積。評價改變MLC角度對計劃的危及器官的劑量分布影響，包括脊髓的最大劑量、腦干的平均劑量和最大劑量、晶狀體最大劑量、雙側腮腺的平均劑量和V30。
1.7 統計學方法
用SPSS 16.0軟件進行統計分析。對各個VMAT計劃的結果進行配對非參數秩和檢驗。檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 靶區內劑量分布CI、HI的比較
實驗結果顯示，5個準直器角度的計劃均能較好滿足95%等劑量曲線對計劃靶區的覆蓋，當MLC角度增大時，計劃的PGTV靶區的CI和HI都有降低趨勢。MLC角度對靶區適形性的影響更明顯。見圖 1。
圖1
MLC角度的選取對計劃的劑量適形性和PGTV劑量均勻性的影響 1a. 對劑量適形性的影響 1b. 對劑量均勻性的影響? ?圖 2MLC角度對脊髓最大劑量的影響? ?圖 3MLC角度對腦干受量的影響? ?圖 4MLC角度對晶狀體最大劑量的影響? ?圖 5MLC角度對腮腺受量的影響 5a. 對腮腺平均劑量的影響 5b. 對腮腺V30的影響? ?圖 6MLC角度對機器跳數的影響
2.2 MLC角度對脊髓、腦干、晶狀體、腮腺受照劑量影響
2.2.1 脊髓最大劑量
在試驗范圍內，準直器角度為0°時脊髓最大劑量最小，與15°計劃比較差異無統計學意義（P＞0.05），與其他準直器角度相比差異均有統計學意義（P＜0.05）。除了15°計劃與60°計劃比較差異有統計學意義外（P＜0.05），其他角度計劃兩兩比較差異均無統計學（P＞0.05）。見圖 2。
2.2.2 腦干平均劑量和最大劑量
準直器角度由0°增大到45°或60°時，腦干最大劑量明顯增加（P＜0.05），除45°和60°計劃腦干最大劑量較高外，0、15、30°計劃兩兩比較差異均無統計學意義（P＞0.05）。MLC角度60°的計劃腦干平均劑量最低（P＜0.05），0°計劃和45°計劃相當（P＞0.05），15°和30°計劃劑量較高（P＞0.05）。見圖 3。
2.2.3 晶狀體最大劑量
準直器角度由0°增加到15°時，晶狀體劑量明顯增加（P＜0.05），其他角度計劃兩兩比較均差異無統計學意義（P＞0.05）。見圖 4。
2.2.4 腮腺受照劑量體積比較
0、15、30°計劃兩兩比較，腮腺平均劑量和V30均無明顯差異（P＞0.05）；三者與45°和60°計劃比較，腮腺平均劑量和V30均明顯減少（P＜0.05）；60°計劃腮腺的V30比45°計劃高（P＜0.05），腮腺平均劑量兩者比較無明顯差異（P＞0.05）。見圖 5。
2.3 機器跳數比較
0、15、30°計劃兩兩比較，機器跳數差異無統計學意義（P＞0.05）；三者與45°和60°計劃比較，機器跳數明顯減少（P＜0.05）；45°與60°計劃機器跳數無明顯差異（P＞0.05）。見圖 6。
2.4 隨機選擇患者直方圖比較
隨機選擇1例患者，將0、30、60°計劃顯示在同一幅劑量-體積直方圖中。可以明顯看出0°計劃效果最好，60°計劃相對較差。見圖 7。
圖7
隨機患者不同準直器角度的劑量-體積直方圖
細實線代表0°計劃，虛線代表30°計劃，粗實線代表60°計劃
3 討論
VMAT在出束照射的過程中，通過治療機架的弧形旋轉和MLC動態運動，改變射野的方向、大小和形狀，同時改變治療加速器的劑量率，從而實現對靶區的快速調強治療[1-2, 9]。目前支持VAMT的計劃系統均可以改變MLC角度進行治療，但是每個弧在治療過程中MLC的角度不能改變。我們發現MLC角度的改變對VMAT治療計劃的質量和運行效率都會產生影響。
有學者認為，通過改變MLC角度10°或15°可以減弱MLC凹凸槽效應的影響，并且可以相應的減少漏射線[4, 10-12]。Jordan等[13]和Galvin等[14]分別用Farmer型電離室和膠片劑量計對Elekta和Varian加速器的MLC在相應X射線能量下的漏射線劑量進行了測量，葉片間的漏射線平均在1.8%左右，而相對葉片關閉時漏射線的劑量甚至可以達到50%以上，現在醫用加速器多已配備了后備準直器跟隨MLC，而且防漏射技術更為先進，已經大大減少了相鄰葉片和相對葉片關閉時的漏射線。我們認為，如果小幅度旋轉一下MLC，就可以使原本聚焦在人體上的漏射線平穩分散，使漏射由一條固定的窄縫（沿著刀刃方向切）成為攤開的面（使用刀刃刮），降低漏射線對人體的影響。我們的研究結果顯示，MLC角度轉到15°時，相對于0°計劃并無明顯差異，所以通過轉動MLC角度來減少漏射線對人體的影響是可行的。
本研究結果提示，在鼻咽癌的VMAT計劃設計中，MLC角度的改變對計劃結果產生了明顯影響，隨著MLC角度增大，CI和HI有變差的趨勢。0°和15°計劃對危及器官的保護最好，但15°計劃晶狀體的受量稍高于0°計劃，其他角度相對較差，而60°計劃能顯著降低腦干的平均劑量。MLC角度增加到45°或60°時，機器跳數明顯增加。我們認為，由于MLC葉片運動方向和靶區以及危及器官幾何關系的差異[15]，0°計劃MLC運行方向垂直于鼻咽癌靶區的長軸方向，所以MLC運行距離較短，計劃優化出來的子野數和控制點數相對其他角度利用率高，機器跳數的利用率也較高，在計劃系統相同設置參數前提下，0°計劃更容易完成對靶區的覆蓋以及避開危及器官，機器跳數相對其他角度也有明顯的減少，從而減少分次內漏射線對人體的影響。所以，MLC角度的選擇會對鼻咽癌雙弧VMAT計劃產生明顯影響，利用pinnacle計劃系統在做鼻咽癌的VMAT計劃設計中，MLC角度應盡量設置在15°以內。
Treutwein等[4]系統分析了0°和45° MLC對前列腺計劃的影響，認為45°的治療計劃要優于0°的計劃，而本實驗中發現對于鼻咽癌計劃，45°和60°計劃相比0°計劃要差。Yang等[16]通過建立數學物理模型證明通過優化機架、治療床和MLC的角度可以增加治療中的靈活性，對中樞神經瘤有更好的劑量學優勢。有學者做VMAT雙弧計劃時，兩個弧采用對稱角度（即Arc1+Arc2=2π），可以更好地減弱凹凸槽效應的影響和減少漏射線[17-19]。由于目前商業用治療計劃系統對于單個治療弧只能確立一個準直器角度，降低了治療中的靈活性，Webb等[20]嘗試建立計算機模型模擬VMAT控制點間改變MLC角度，可以在不同機架角度上存在不同MLC角度，增加了自由度，理論上可以更好地保護危及器官，但在實際操作中存在諸多問題，需要進一步研究解決。
對不同的治療計劃和加速器系統，由于治療機架和MLC的運動速度與范圍等特性的差異，得出的結果也可能有差異。建議使用單位針對自己單位所使用的計劃系統進行具體的實驗，尋找最佳MLC角度設置條件。
容積調強放射治療（VMAT）可通過在不間斷出束的同時動態調節治療機架運動速度、照射劑量率和射野形狀以及準直器角度來增加治療的自由度，生成高度適形的劑量分布[1-3]。當前VMAT技術已經很成熟地運用在了鼻咽癌放射治療當中。文獻報道對前列腺、脊柱等部位的腫瘤，通過更改VMAT治療計劃中二級準直器（MLC）角度，可以在不降低計劃靶體積劑量要求的前提下，降低危及器官的劑量，更好地保護正常器官，降低放射治療產生的副反應[4-5]。為此我們通過分析20例鼻咽癌患者的數據，系統評價不同MLC角度計劃的特點。現報告如下。
1 資料與方法
1.1 一般資料
選取四川大學華西醫院2013年3月－12月的20例鼻咽癌患者，全部經病理檢查，臨床分期T1N0M0～T3N1M0，其中男14例，女6例；年齡31～58歲，中位年齡48歲。
1.2 儀器設備
患者經CT模擬定位后由三維放射治療計劃系統Pinnacle 9.2（荷蘭皇家飛利浦公司）進行VMAT計劃設計，執行設備和射線為配置了80葉MLC的Synergy直線加速器（瑞典Elekta公司）的6 MV光子射線，MLC的葉片寬度在等中心平面投影為1 cm。
1.3 靶區勾畫
按調強放射治療計劃要求，臨床醫生在CT圖像上勾畫鼻咽和頸部轉移淋巴結的大體腫瘤體積（GTV）、亞臨床病灶和高危淋巴引流區的臨床靶區體積（CTV1）以及預防照射區域的臨床靶區（CTV2），考慮擺位和機械誤差，分別作適當外擴得到相應的計劃靶區PGTV、PCTV1和PCTV2[6]。
1.4 計劃設計
患者均采用同步加量技術的VMAT治療。PGTV、PCTV1、PCTV2處方劑量分別為70、60、56 Gy，照射33次，5次/周。計劃治療床角度均固定為0°，按照準直器角度為0、15、30、45、60°制定VMAT計劃。VMAT采用720°的雙弧計劃（180～181°，181～180°），雙弧采用同一角度。計劃的優化參數為：多葉光柵移動速度0.46 cm/deg，最終間隔弧形角度為4。采用的優化算法為SmartArc。計算網格和方差分別為3 mm和3%。優化目標為95%的靶區受照劑量不低于處方劑量；危及器官限制劑量根據其與原發腫瘤之間的位置關系及自身的劑量響應特性，參照其最大耐受劑量設定，其中腦干最大劑量＜60 Gy，脊髓最大劑量＜45 Gy，晶狀體最大劑量＜8 Gy，腮腺平均劑量＜33 Gy，腮腺受到＞30 Gy劑量的體積（V30）＜50%。
1.5 運行參數的選擇
每例患者設置不同準直器的5個計劃均設置相同的運行參數和靶區器官限制條件，然后設計出相對最優的計劃進行比較分析。
1.6 計劃評價
計劃的比較是基于劑量分布和采用1 cGy和l cm3的分辨率生成的劑量-體積直方圖。比較時，將計劃都歸一至95%的PGTV接受到70 Gy。根據ICRU 83號報告，采用近似最大劑量（D2%）、近似最小劑量（D98%）和中位劑量（D50%）來評估靶區劑量分布。并引入適形性指數（CI）和均勻性指數（HI）評估計劃質量，其中HI=（D2%-D98%）/D50%[7]，CI=（TVRI×TVRI）/（TV×VRI）[8]，式中DX%為X%靶區體積接受的劑量，TVRI為處方劑量線所包裹的靶區體積，TV為靶體積，TVRI為處方劑量線所包裹的體積。評價改變MLC角度對計劃的危及器官的劑量分布影響，包括脊髓的最大劑量、腦干的平均劑量和最大劑量、晶狀體最大劑量、雙側腮腺的平均劑量和V30。
1.7 統計學方法
用SPSS 16.0軟件進行統計分析。對各個VMAT計劃的結果進行配對非參數秩和檢驗。檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 靶區內劑量分布CI、HI的比較
實驗結果顯示，5個準直器角度的計劃均能較好滿足95%等劑量曲線對計劃靶區的覆蓋，當MLC角度增大時，計劃的PGTV靶區的CI和HI都有降低趨勢。MLC角度對靶區適形性的影響更明顯。見圖 1。
圖1
MLC角度的選取對計劃的劑量適形性和PGTV劑量均勻性的影響 1a. 對劑量適形性的影響 1b. 對劑量均勻性的影響? ?圖 2MLC角度對脊髓最大劑量的影響? ?圖 3MLC角度對腦干受量的影響? ?圖 4MLC角度對晶狀體最大劑量的影響? ?圖 5MLC角度對腮腺受量的影響 5a. 對腮腺平均劑量的影響 5b. 對腮腺V30的影響? ?圖 6MLC角度對機器跳數的影響
2.2 MLC角度對脊髓、腦干、晶狀體、腮腺受照劑量影響
2.2.1 脊髓最大劑量
在試驗范圍內，準直器角度為0°時脊髓最大劑量最小，與15°計劃比較差異無統計學意義（P＞0.05），與其他準直器角度相比差異均有統計學意義（P＜0.05）。除了15°計劃與60°計劃比較差異有統計學意義外（P＜0.05），其他角度計劃兩兩比較差異均無統計學（P＞0.05）。見圖 2。
2.2.2 腦干平均劑量和最大劑量
準直器角度由0°增大到45°或60°時，腦干最大劑量明顯增加（P＜0.05），除45°和60°計劃腦干最大劑量較高外，0、15、30°計劃兩兩比較差異均無統計學意義（P＞0.05）。MLC角度60°的計劃腦干平均劑量最低（P＜0.05），0°計劃和45°計劃相當（P＞0.05），15°和30°計劃劑量較高（P＞0.05）。見圖 3。
2.2.3 晶狀體最大劑量
準直器角度由0°增加到15°時，晶狀體劑量明顯增加（P＜0.05），其他角度計劃兩兩比較均差異無統計學意義（P＞0.05）。見圖 4。
2.2.4 腮腺受照劑量體積比較
0、15、30°計劃兩兩比較，腮腺平均劑量和V30均無明顯差異（P＞0.05）；三者與45°和60°計劃比較，腮腺平均劑量和V30均明顯減少（P＜0.05）；60°計劃腮腺的V30比45°計劃高（P＜0.05），腮腺平均劑量兩者比較無明顯差異（P＞0.05）。見圖 5。
2.3 機器跳數比較
0、15、30°計劃兩兩比較，機器跳數差異無統計學意義（P＞0.05）；三者與45°和60°計劃比較，機器跳數明顯減少（P＜0.05）；45°與60°計劃機器跳數無明顯差異（P＞0.05）。見圖 6。
2.4 隨機選擇患者直方圖比較
隨機選擇1例患者，將0、30、60°計劃顯示在同一幅劑量-體積直方圖中。可以明顯看出0°計劃效果最好，60°計劃相對較差。見圖 7。
圖7
隨機患者不同準直器角度的劑量-體積直方圖
細實線代表0°計劃，虛線代表30°計劃，粗實線代表60°計劃
3 討論
VMAT在出束照射的過程中，通過治療機架的弧形旋轉和MLC動態運動，改變射野的方向、大小和形狀，同時改變治療加速器的劑量率，從而實現對靶區的快速調強治療[1-2, 9]。目前支持VAMT的計劃系統均可以改變MLC角度進行治療，但是每個弧在治療過程中MLC的角度不能改變。我們發現MLC角度的改變對VMAT治療計劃的質量和運行效率都會產生影響。
有學者認為，通過改變MLC角度10°或15°可以減弱MLC凹凸槽效應的影響，并且可以相應的減少漏射線[4, 10-12]。Jordan等[13]和Galvin等[14]分別用Farmer型電離室和膠片劑量計對Elekta和Varian加速器的MLC在相應X射線能量下的漏射線劑量進行了測量，葉片間的漏射線平均在1.8%左右，而相對葉片關閉時漏射線的劑量甚至可以達到50%以上，現在醫用加速器多已配備了后備準直器跟隨MLC，而且防漏射技術更為先進，已經大大減少了相鄰葉片和相對葉片關閉時的漏射線。我們認為，如果小幅度旋轉一下MLC，就可以使原本聚焦在人體上的漏射線平穩分散，使漏射由一條固定的窄縫（沿著刀刃方向切）成為攤開的面（使用刀刃刮），降低漏射線對人體的影響。我們的研究結果顯示，MLC角度轉到15°時，相對于0°計劃并無明顯差異，所以通過轉動MLC角度來減少漏射線對人體的影響是可行的。
本研究結果提示，在鼻咽癌的VMAT計劃設計中，MLC角度的改變對計劃結果產生了明顯影響，隨著MLC角度增大，CI和HI有變差的趨勢。0°和15°計劃對危及器官的保護最好，但15°計劃晶狀體的受量稍高于0°計劃，其他角度相對較差，而60°計劃能顯著降低腦干的平均劑量。MLC角度增加到45°或60°時，機器跳數明顯增加。我們認為，由于MLC葉片運動方向和靶區以及危及器官幾何關系的差異[15]，0°計劃MLC運行方向垂直于鼻咽癌靶區的長軸方向，所以MLC運行距離較短，計劃優化出來的子野數和控制點數相對其他角度利用率高，機器跳數的利用率也較高，在計劃系統相同設置參數前提下，0°計劃更容易完成對靶區的覆蓋以及避開危及器官，機器跳數相對其他角度也有明顯的減少，從而減少分次內漏射線對人體的影響。所以，MLC角度的選擇會對鼻咽癌雙弧VMAT計劃產生明顯影響，利用pinnacle計劃系統在做鼻咽癌的VMAT計劃設計中，MLC角度應盡量設置在15°以內。
Treutwein等[4]系統分析了0°和45° MLC對前列腺計劃的影響，認為45°的治療計劃要優于0°的計劃，而本實驗中發現對于鼻咽癌計劃，45°和60°計劃相比0°計劃要差。Yang等[16]通過建立數學物理模型證明通過優化機架、治療床和MLC的角度可以增加治療中的靈活性，對中樞神經瘤有更好的劑量學優勢。有學者做VMAT雙弧計劃時，兩個弧采用對稱角度（即Arc1+Arc2=2π），可以更好地減弱凹凸槽效應的影響和減少漏射線[17-19]。由于目前商業用治療計劃系統對于單個治療弧只能確立一個準直器角度，降低了治療中的靈活性，Webb等[20]嘗試建立計算機模型模擬VMAT控制點間改變MLC角度，可以在不同機架角度上存在不同MLC角度，增加了自由度，理論上可以更好地保護危及器官，但在實際操作中存在諸多問題，需要進一步研究解決。
對不同的治療計劃和加速器系統，由于治療機架和MLC的運動速度與范圍等特性的差異，得出的結果也可能有差異。建議使用單位針對自己單位所使用的計劃系統進行具體的實驗，尋找最佳MLC角度設置條件。
