引用本文： 冀传仙, 柏森, 李光俊, 蒋晓芹, 肖江红. 二级准直器在鼻咽癌容积调强放射治疗计划设计中的应用研究. 华西医学, 2015, 30(7): 1235-1238. doi: 10.7507/1002-0179.20150355 复制
容积调强放射治疗（VMAT）可通过在不间断出束的同时动态调节治疗机架运动速度、照射剂量率和射野形状以及准直器角度来增加治疗的自由度，生成高度适形的剂量分布[1-3]。当前VMAT技术已经很成熟地运用在了鼻咽癌放射治疗当中。文献报道对前列腺、脊柱等部位的肿瘤，通过更改VMAT治疗计划中二级准直器（MLC）角度，可以在不降低计划靶体积剂量要求的前提下，降低危及器官的剂量，更好地保护正常器官，降低放射治疗产生的副反应[4-5]。为此我们通过分析20例鼻咽癌患者的数据，系统评价不同MLC角度计划的特点。现报告如下。
1 资料与方法
1.1 一般资料
选取四川大学华西医院2013年3月－12月的20例鼻咽癌患者，全部经病理检查，临床分期T1N0M0～T3N1M0，其中男14例，女6例；年龄31～58岁，中位年龄48岁。
1.2 仪器设备
患者经CT模拟定位后由三维放射治疗计划系统Pinnacle 9.2（荷兰皇家飞利浦公司）进行VMAT计划设计，执行设备和射线为配置了80叶MLC的Synergy直线加速器（瑞典Elekta公司）的6 MV光子射线，MLC的叶片宽度在等中心平面投影为1 cm。
1.3 靶区勾画
按调强放射治疗计划要求，临床医生在CT图像上勾画鼻咽和颈部转移淋巴结的大体肿瘤体积（GTV）、亚临床病灶和高危淋巴引流区的临床靶区体积（CTV1）以及预防照射区域的临床靶区（CTV2），考虑摆位和机械误差，分别作适当外扩得到相应的计划靶区PGTV、PCTV1和PCTV2[6]。
1.4 计划设计
患者均采用同步加量技术的VMAT治疗。PGTV、PCTV1、PCTV2处方剂量分别为70、60、56 Gy，照射33次，5次/周。计划治疗床角度均固定为0°，按照准直器角度为0、15、30、45、60°制定VMAT计划。VMAT采用720°的双弧计划（180～181°，181～180°），双弧采用同一角度。计划的优化参数为：多叶光栅移动速度0.46 cm/deg，最终间隔弧形角度为4。采用的优化算法为SmartArc。计算网格和方差分别为3 mm和3%。优化目标为95%的靶区受照剂量不低于处方剂量；危及器官限制剂量根据其与原发肿瘤之间的位置关系及自身的剂量响应特性，参照其最大耐受剂量设定，其中脑干最大剂量＜60 Gy，脊髓最大剂量＜45 Gy，晶状体最大剂量＜8 Gy，腮腺平均剂量＜33 Gy，腮腺受到＞30 Gy剂量的体积（V30）＜50%。
1.5 运行参数的选择
每例患者设置不同准直器的5个计划均设置相同的运行参数和靶区器官限制条件，然后设计出相对最优的计划进行比较分析。
1.6 计划评价
计划的比较是基于剂量分布和采用1 cGy和l cm3的分辨率生成的剂量-体积直方图。比较时，将计划都归一至95%的PGTV接受到70 Gy。根据ICRU 83号报告，采用近似最大剂量（D2%）、近似最小剂量（D98%）和中位剂量（D50%）来评估靶区剂量分布。并引入适形性指数（CI）和均匀性指数（HI）评估计划质量，其中HI=（D2%-D98%）/D50%[7]，CI=（TVRI×TVRI）/（TV×VRI）[8]，式中DX%为X%靶区体积接受的剂量，TVRI为处方剂量线所包裹的靶区体积，TV为靶体积，TVRI为处方剂量线所包裹的体积。评价改变MLC角度对计划的危及器官的剂量分布影响，包括脊髓的最大剂量、脑干的平均剂量和最大剂量、晶状体最大剂量、双侧腮腺的平均剂量和V30。
1.7 统计学方法
用SPSS 16.0软件进行统计分析。对各个VMAT计划的结果进行配对非参数秩和检验。检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 靶区内剂量分布CI、HI的比较
实验结果显示，5个准直器角度的计划均能较好满足95%等剂量曲线对计划靶区的覆盖，当MLC角度增大时，计划的PGTV靶区的CI和HI都有降低趋势。MLC角度对靶区适形性的影响更明显。见图 1。
图1
MLC角度的选取对计划的剂量适形性和PGTV剂量均匀性的影响 1a. 对剂量适形性的影响 1b. 对剂量均匀性的影响 图 2MLC角度对脊髓最大剂量的影响 图 3MLC角度对脑干受量的影响 图 4MLC角度对晶状体最大剂量的影响 图 5MLC角度对腮腺受量的影响 5a. 对腮腺平均剂量的影响 5b. 对腮腺V30的影响 图 6MLC角度对机器跳数的影响
2.2 MLC角度对脊髓、脑干、晶状体、腮腺受照剂量影响
2.2.1 脊髓最大剂量
在试验范围内，准直器角度为0°时脊髓最大剂量最小，与15°计划比较差异无统计学意义（P＞0.05），与其他准直器角度相比差异均有统计学意义（P＜0.05）。除了15°计划与60°计划比较差异有统计学意义外（P＜0.05），其他角度计划两两比较差异均无统计学（P＞0.05）。见图 2。
2.2.2 脑干平均剂量和最大剂量
准直器角度由0°增大到45°或60°时，脑干最大剂量明显增加（P＜0.05），除45°和60°计划脑干最大剂量较高外，0、15、30°计划两两比较差异均无统计学意义（P＞0.05）。MLC角度60°的计划脑干平均剂量最低（P＜0.05），0°计划和45°计划相当（P＞0.05），15°和30°计划剂量较高（P＞0.05）。见图 3。
2.2.3 晶状体最大剂量
准直器角度由0°增加到15°时，晶状体剂量明显增加（P＜0.05），其他角度计划两两比较均差异无统计学意义（P＞0.05）。见图 4。
2.2.4 腮腺受照剂量体积比较
0、15、30°计划两两比较，腮腺平均剂量和V30均无明显差异（P＞0.05）；三者与45°和60°计划比较，腮腺平均剂量和V30均明显减少（P＜0.05）；60°计划腮腺的V30比45°计划高（P＜0.05），腮腺平均剂量两者比较无明显差异（P＞0.05）。见图 5。
2.3 机器跳数比较
0、15、30°计划两两比较，机器跳数差异无统计学意义（P＞0.05）；三者与45°和60°计划比较，机器跳数明显减少（P＜0.05）；45°与60°计划机器跳数无明显差异（P＞0.05）。见图 6。
2.4 随机选择患者直方图比较
随机选择1例患者，将0、30、60°计划显示在同一幅剂量-体积直方图中。可以明显看出0°计划效果最好，60°计划相对较差。见图 7。
图7
随机患者不同准直器角度的剂量-体积直方图
细实线代表0°计划，虚线代表30°计划，粗实线代表60°计划
3 讨论
VMAT在出束照射的过程中，通过治疗机架的弧形旋转和MLC动态运动，改变射野的方向、大小和形状，同时改变治疗加速器的剂量率，从而实现对靶区的快速调强治疗[1-2, 9]。目前支持VAMT的计划系统均可以改变MLC角度进行治疗，但是每个弧在治疗过程中MLC的角度不能改变。我们发现MLC角度的改变对VMAT治疗计划的质量和运行效率都会产生影响。
有学者认为，通过改变MLC角度10°或15°可以减弱MLC凹凸槽效应的影响，并且可以相应的减少漏射线[4, 10-12]。Jordan等[13]和Galvin等[14]分别用Farmer型电离室和胶片剂量计对Elekta和Varian加速器的MLC在相应X射线能量下的漏射线剂量进行了测量，叶片间的漏射线平均在1.8%左右，而相对叶片关闭时漏射线的剂量甚至可以达到50%以上，现在医用加速器多已配备了后备准直器跟随MLC，而且防漏射技术更为先进，已经大大减少了相邻叶片和相对叶片关闭时的漏射线。我们认为，如果小幅度旋转一下MLC，就可以使原本聚焦在人体上的漏射线平稳分散，使漏射由一条固定的窄缝（沿着刀刃方向切）成为摊开的面（使用刀刃刮），降低漏射线对人体的影响。我们的研究结果显示，MLC角度转到15°时，相对于0°计划并无明显差异，所以通过转动MLC角度来减少漏射线对人体的影响是可行的。
本研究结果提示，在鼻咽癌的VMAT计划设计中，MLC角度的改变对计划结果产生了明显影响，随着MLC角度增大，CI和HI有变差的趋势。0°和15°计划对危及器官的保护最好，但15°计划晶状体的受量稍高于0°计划，其他角度相对较差，而60°计划能显著降低脑干的平均剂量。MLC角度增加到45°或60°时，机器跳数明显增加。我们认为，由于MLC叶片运动方向和靶区以及危及器官几何关系的差异[15]，0°计划MLC运行方向垂直于鼻咽癌靶区的长轴方向，所以MLC运行距离较短，计划优化出来的子野数和控制点数相对其他角度利用率高，机器跳数的利用率也较高，在计划系统相同设置参数前提下，0°计划更容易完成对靶区的覆盖以及避开危及器官，机器跳数相对其他角度也有明显的减少，从而减少分次内漏射线对人体的影响。所以，MLC角度的选择会对鼻咽癌双弧VMAT计划产生明显影响，利用pinnacle计划系统在做鼻咽癌的VMAT计划设计中，MLC角度应尽量设置在15°以内。
Treutwein等[4]系统分析了0°和45° MLC对前列腺计划的影响，认为45°的治疗计划要优于0°的计划，而本实验中发现对于鼻咽癌计划，45°和60°计划相比0°计划要差。Yang等[16]通过建立数学物理模型证明通过优化机架、治疗床和MLC的角度可以增加治疗中的灵活性，对中枢神经瘤有更好的剂量学优势。有学者做VMAT双弧计划时，两个弧采用对称角度（即Arc1+Arc2=2π），可以更好地减弱凹凸槽效应的影响和减少漏射线[17-19]。由于目前商业用治疗计划系统对于单个治疗弧只能确立一个准直器角度，降低了治疗中的灵活性，Webb等[20]尝试建立计算机模型模拟VMAT控制点间改变MLC角度，可以在不同机架角度上存在不同MLC角度，增加了自由度，理论上可以更好地保护危及器官，但在实际操作中存在诸多问题，需要进一步研究解决。
对不同的治疗计划和加速器系统，由于治疗机架和MLC的运动速度与范围等特性的差异，得出的结果也可能有差异。建议使用单位针对自己单位所使用的计划系统进行具体的实验，寻找最佳MLC角度设置条件。
容积调强放射治疗（VMAT）可通过在不间断出束的同时动态调节治疗机架运动速度、照射剂量率和射野形状以及准直器角度来增加治疗的自由度，生成高度适形的剂量分布[1-3]。当前VMAT技术已经很成熟地运用在了鼻咽癌放射治疗当中。文献报道对前列腺、脊柱等部位的肿瘤，通过更改VMAT治疗计划中二级准直器（MLC）角度，可以在不降低计划靶体积剂量要求的前提下，降低危及器官的剂量，更好地保护正常器官，降低放射治疗产生的副反应[4-5]。为此我们通过分析20例鼻咽癌患者的数据，系统评价不同MLC角度计划的特点。现报告如下。
1 资料与方法
1.1 一般资料
选取四川大学华西医院2013年3月－12月的20例鼻咽癌患者，全部经病理检查，临床分期T1N0M0～T3N1M0，其中男14例，女6例；年龄31～58岁，中位年龄48岁。
1.2 仪器设备
患者经CT模拟定位后由三维放射治疗计划系统Pinnacle 9.2（荷兰皇家飞利浦公司）进行VMAT计划设计，执行设备和射线为配置了80叶MLC的Synergy直线加速器（瑞典Elekta公司）的6 MV光子射线，MLC的叶片宽度在等中心平面投影为1 cm。
1.3 靶区勾画
按调强放射治疗计划要求，临床医生在CT图像上勾画鼻咽和颈部转移淋巴结的大体肿瘤体积（GTV）、亚临床病灶和高危淋巴引流区的临床靶区体积（CTV1）以及预防照射区域的临床靶区（CTV2），考虑摆位和机械误差，分别作适当外扩得到相应的计划靶区PGTV、PCTV1和PCTV2[6]。
1.4 计划设计
患者均采用同步加量技术的VMAT治疗。PGTV、PCTV1、PCTV2处方剂量分别为70、60、56 Gy，照射33次，5次/周。计划治疗床角度均固定为0°，按照准直器角度为0、15、30、45、60°制定VMAT计划。VMAT采用720°的双弧计划（180～181°，181～180°），双弧采用同一角度。计划的优化参数为：多叶光栅移动速度0.46 cm/deg，最终间隔弧形角度为4。采用的优化算法为SmartArc。计算网格和方差分别为3 mm和3%。优化目标为95%的靶区受照剂量不低于处方剂量；危及器官限制剂量根据其与原发肿瘤之间的位置关系及自身的剂量响应特性，参照其最大耐受剂量设定，其中脑干最大剂量＜60 Gy，脊髓最大剂量＜45 Gy，晶状体最大剂量＜8 Gy，腮腺平均剂量＜33 Gy，腮腺受到＞30 Gy剂量的体积（V30）＜50%。
1.5 运行参数的选择
每例患者设置不同准直器的5个计划均设置相同的运行参数和靶区器官限制条件，然后设计出相对最优的计划进行比较分析。
1.6 计划评价
计划的比较是基于剂量分布和采用1 cGy和l cm3的分辨率生成的剂量-体积直方图。比较时，将计划都归一至95%的PGTV接受到70 Gy。根据ICRU 83号报告，采用近似最大剂量（D2%）、近似最小剂量（D98%）和中位剂量（D50%）来评估靶区剂量分布。并引入适形性指数（CI）和均匀性指数（HI）评估计划质量，其中HI=（D2%-D98%）/D50%[7]，CI=（TVRI×TVRI）/（TV×VRI）[8]，式中DX%为X%靶区体积接受的剂量，TVRI为处方剂量线所包裹的靶区体积，TV为靶体积，TVRI为处方剂量线所包裹的体积。评价改变MLC角度对计划的危及器官的剂量分布影响，包括脊髓的最大剂量、脑干的平均剂量和最大剂量、晶状体最大剂量、双侧腮腺的平均剂量和V30。
1.7 统计学方法
用SPSS 16.0软件进行统计分析。对各个VMAT计划的结果进行配对非参数秩和检验。检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 靶区内剂量分布CI、HI的比较
实验结果显示，5个准直器角度的计划均能较好满足95%等剂量曲线对计划靶区的覆盖，当MLC角度增大时，计划的PGTV靶区的CI和HI都有降低趋势。MLC角度对靶区适形性的影响更明显。见图 1。
图1
MLC角度的选取对计划的剂量适形性和PGTV剂量均匀性的影响 1a. 对剂量适形性的影响 1b. 对剂量均匀性的影响 图 2MLC角度对脊髓最大剂量的影响 图 3MLC角度对脑干受量的影响 图 4MLC角度对晶状体最大剂量的影响 图 5MLC角度对腮腺受量的影响 5a. 对腮腺平均剂量的影响 5b. 对腮腺V30的影响 图 6MLC角度对机器跳数的影响
2.2 MLC角度对脊髓、脑干、晶状体、腮腺受照剂量影响
2.2.1 脊髓最大剂量
在试验范围内，准直器角度为0°时脊髓最大剂量最小，与15°计划比较差异无统计学意义（P＞0.05），与其他准直器角度相比差异均有统计学意义（P＜0.05）。除了15°计划与60°计划比较差异有统计学意义外（P＜0.05），其他角度计划两两比较差异均无统计学（P＞0.05）。见图 2。
2.2.2 脑干平均剂量和最大剂量
准直器角度由0°增大到45°或60°时，脑干最大剂量明显增加（P＜0.05），除45°和60°计划脑干最大剂量较高外，0、15、30°计划两两比较差异均无统计学意义（P＞0.05）。MLC角度60°的计划脑干平均剂量最低（P＜0.05），0°计划和45°计划相当（P＞0.05），15°和30°计划剂量较高（P＞0.05）。见图 3。
2.2.3 晶状体最大剂量
准直器角度由0°增加到15°时，晶状体剂量明显增加（P＜0.05），其他角度计划两两比较均差异无统计学意义（P＞0.05）。见图 4。
2.2.4 腮腺受照剂量体积比较
0、15、30°计划两两比较，腮腺平均剂量和V30均无明显差异（P＞0.05）；三者与45°和60°计划比较，腮腺平均剂量和V30均明显减少（P＜0.05）；60°计划腮腺的V30比45°计划高（P＜0.05），腮腺平均剂量两者比较无明显差异（P＞0.05）。见图 5。
2.3 机器跳数比较
0、15、30°计划两两比较，机器跳数差异无统计学意义（P＞0.05）；三者与45°和60°计划比较，机器跳数明显减少（P＜0.05）；45°与60°计划机器跳数无明显差异（P＞0.05）。见图 6。
2.4 随机选择患者直方图比较
随机选择1例患者，将0、30、60°计划显示在同一幅剂量-体积直方图中。可以明显看出0°计划效果最好，60°计划相对较差。见图 7。
图7
随机患者不同准直器角度的剂量-体积直方图
细实线代表0°计划，虚线代表30°计划，粗实线代表60°计划
3 讨论
VMAT在出束照射的过程中，通过治疗机架的弧形旋转和MLC动态运动，改变射野的方向、大小和形状，同时改变治疗加速器的剂量率，从而实现对靶区的快速调强治疗[1-2, 9]。目前支持VAMT的计划系统均可以改变MLC角度进行治疗，但是每个弧在治疗过程中MLC的角度不能改变。我们发现MLC角度的改变对VMAT治疗计划的质量和运行效率都会产生影响。
有学者认为，通过改变MLC角度10°或15°可以减弱MLC凹凸槽效应的影响，并且可以相应的减少漏射线[4, 10-12]。Jordan等[13]和Galvin等[14]分别用Farmer型电离室和胶片剂量计对Elekta和Varian加速器的MLC在相应X射线能量下的漏射线剂量进行了测量，叶片间的漏射线平均在1.8%左右，而相对叶片关闭时漏射线的剂量甚至可以达到50%以上，现在医用加速器多已配备了后备准直器跟随MLC，而且防漏射技术更为先进，已经大大减少了相邻叶片和相对叶片关闭时的漏射线。我们认为，如果小幅度旋转一下MLC，就可以使原本聚焦在人体上的漏射线平稳分散，使漏射由一条固定的窄缝（沿着刀刃方向切）成为摊开的面（使用刀刃刮），降低漏射线对人体的影响。我们的研究结果显示，MLC角度转到15°时，相对于0°计划并无明显差异，所以通过转动MLC角度来减少漏射线对人体的影响是可行的。
本研究结果提示，在鼻咽癌的VMAT计划设计中，MLC角度的改变对计划结果产生了明显影响，随着MLC角度增大，CI和HI有变差的趋势。0°和15°计划对危及器官的保护最好，但15°计划晶状体的受量稍高于0°计划，其他角度相对较差，而60°计划能显著降低脑干的平均剂量。MLC角度增加到45°或60°时，机器跳数明显增加。我们认为，由于MLC叶片运动方向和靶区以及危及器官几何关系的差异[15]，0°计划MLC运行方向垂直于鼻咽癌靶区的长轴方向，所以MLC运行距离较短，计划优化出来的子野数和控制点数相对其他角度利用率高，机器跳数的利用率也较高，在计划系统相同设置参数前提下，0°计划更容易完成对靶区的覆盖以及避开危及器官，机器跳数相对其他角度也有明显的减少，从而减少分次内漏射线对人体的影响。所以，MLC角度的选择会对鼻咽癌双弧VMAT计划产生明显影响，利用pinnacle计划系统在做鼻咽癌的VMAT计划设计中，MLC角度应尽量设置在15°以内。
Treutwein等[4]系统分析了0°和45° MLC对前列腺计划的影响，认为45°的治疗计划要优于0°的计划，而本实验中发现对于鼻咽癌计划，45°和60°计划相比0°计划要差。Yang等[16]通过建立数学物理模型证明通过优化机架、治疗床和MLC的角度可以增加治疗中的灵活性，对中枢神经瘤有更好的剂量学优势。有学者做VMAT双弧计划时，两个弧采用对称角度（即Arc1+Arc2=2π），可以更好地减弱凹凸槽效应的影响和减少漏射线[17-19]。由于目前商业用治疗计划系统对于单个治疗弧只能确立一个准直器角度，降低了治疗中的灵活性，Webb等[20]尝试建立计算机模型模拟VMAT控制点间改变MLC角度，可以在不同机架角度上存在不同MLC角度，增加了自由度，理论上可以更好地保护危及器官，但在实际操作中存在诸多问题，需要进一步研究解决。
对不同的治疗计划和加速器系统，由于治疗机架和MLC的运动速度与范围等特性的差异，得出的结果也可能有差异。建议使用单位针对自己单位所使用的计划系统进行具体的实验，寻找最佳MLC角度设置条件。
