MLC叶片系统误差对鼻咽癌VMAT和IMRT计划剂量影响的比较

叶淑敏，滕建建，石锦平，张利文，刘致滨

佛山市第一人民医院/中山大学附属佛山医院肿瘤中心放疗科，广东佛山528000

前言

容积调强（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）相对于普通调强（Intensity Modulated Radiation Therapy, IMRT）具有相似甚至更好的剂量分布，治疗时间短，已经被广泛地应用于鼻咽癌的治疗［1-3］。VMAT 通过改变机架旋转速度、多叶准直器（Multileaf Collimator,MLC）叶片位置以及射线剂量率来实现射野强度的调整，而IMRT仅通过改变MLC叶片位置来实现调强［4］。MLC叶片位置误差分为随机误差与系统误差，会对调强计划剂量分布产生影响，其中系统误差相对随机误差的影响更大［5-7］。本文拟研究MLC 叶片系统误差对于鼻咽癌VMAT 和IMRT两种调强技术剂量学影响的差异。

1 材料与方法

1.1 病例选择

随机选取佛山市第一人民医院2018年1月～8月间接受VMAT放射治疗的鼻咽癌患者20例。处方剂量：计划肿瘤靶区（Planning Gross Target Volume,PGTV）为70 Gy（2.12×33 Gy），淋巴结计划靶区（Planning Target Volume of node, PTVnd）为68 Gy（2.06×33 Gy），高危临床靶区（Planning Target Volume 1,PTV1）为60 Gy（1.82×33 Gy），下颈部预防照射区（PTV2）为50 Gy（1.64×33 Gy）。

1.2 计划设计

使用Eclipse 13.5对每一个鼻咽癌病例分别设计VMAT计划和IMRT计划。VMAT计划包含两条弧：一条弧机架角179°～181°，准直器角度依据实际情况在345°～340°之间取值；另一条弧机架角181°～179°，准直器角度在15°～20°之间取值。准直器大小限定在15 cm以内，最大剂量率600 MU/min。IMRT计划采用9野动态调强，机架角分别为0°、40°、80°、120°、160°、200°、240°、280°、320°，准直器角度为0°，不限制射野大小，剂量率为400 MU/min。同一病例的两种计划优化设计时，剂量优化条件相同。所有计划采用光子优化算法（Photon Optimizer,PO）13.5进行计划优化，采用各向异性分析算法（Anisotropic Analytical Algorithm,AAA）13.5进行剂量计算，计算网格大小2.5 mm。治疗使用6 MV光子线，在Varian公司的Trilogy上执行治疗，该加速器拥有40对叶片，中间20对叶片的宽度为0.5 cm，其余两侧叶片的宽度为1 cm。

1.3 模拟叶片系统误差

将两种调强计划的计划文件分别从治疗计划系统中导出。利用MATLAB R2009a设计程序，修改计划文件中MLC叶片的位置，人为引入-1.0、-0.5、-0.2、0.2、0.5、1.0 mm 的系统误差。误差为负数时表示叶片间隙变小，为正数时表示叶片间隙变大。仅修改运动叶片的位置，一条弧内只要任意两个控制点间叶片位置不同就认为是运动叶片。修改叶片位置时考虑机器的物理限制，运动叶片的最小间隙为5 mm，一条弧内任意控制点任意两条叶片的位置之差小于15 cm。将修改后的计划文件导回治疗计划系统，重新进行剂量计算。

1.4 生物学剂量一般等效均匀剂量（generalized Equivalent Uniform Dose,gEUD）

从治疗计划系统中导出剂量体积直方图，计算靶区（PGTV、PTVnd、PTV1、PTV2）和危及器官（脑干、脊髓、左侧腮腺、右侧腮腺）的gEUD。gEUD是指整个靶区均匀照射时产生与实际剂量分布相同的克隆源细胞存活的剂量［8-9］。公式如式（1）所示：

其中，vi表示受到Di剂量照射的体积，a是用来描述体积效应的特定组织参数。参数a参照AAPM 106号报告［10］，靶区选-10，脑干选16，脊髓选20，腮腺选1。计算gEUD的相对变化，公式如（2）所示：

其中，gEUDx表示重建计划的gEUD，而gEUDBaseline表示原治疗计划的gEUD，ΔgEUDx表示变化的相对差别。

1.5 统计学分析

采用SPSS 22.0 进行数据分析，数据资料采用均数±标准差的方式表示；两组差值服从正态分布，采用配对t检验，P＜0.05为差异具有统计学意义。同时用回归分析法检测MLC系统误差与生物学剂量相对偏差间的线性关系。

2 结果

2.1 靶区gEUD变化的比较

如表1所示，对于靶区gEUD，MLC 系统误差对VMAT 的影响比IMRT 小，差异具有统计学意义（P＜0.001）。当MLC 误差为0.2、0.5、1.0 mm 时，VMAT 的gEUD 变化分别在1%、2%、4%左右，而IMRT变化在2%、5%、11%左右。

2.2 危及器官gEUD变化的比较

如表2所示，对脑干、脊髓、腮腺等危及器官的gEUD ，MLC 系统误差对VMAT 的影响也比IMRT小，差异具有统计学意义（P＜0.001）。当MLC误差为0.2、0.5、1.0 mm 时，VMAT 的gEUD 变化分别在1%、3%、6%左右，而IMRT变化在3%、7%、15%左右。

表1 比较两种计划之间MLC系统误差对靶区gEUD的影响（±s，%）Tab.1 Comparison of the impacts of MLC systematic errors on gEUD of target areas between two plans(Mean±SD,%)

表1 比较两种计划之间MLC系统误差对靶区gEUD的影响（±s，%）Tab.1 Comparison of the impacts of MLC systematic errors on gEUD of target areas between two plans(Mean±SD,%)

VMAT：容积调强放射治疗；IMRT：调强放射治疗；PGTV：计划肿瘤靶区；PTVnd：计划淋巴结靶区；PTV1：高危临床靶区；PTV2：下颈部预防照射区

误差-1.0 mm-0.5 mm-0.2 mm 0.2 mm 0.5 mm 1.0 mm计划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系统误差与gEUD变化的关系

系统误差为-1.0～1.0 mm 时，MLC 系统误差与gEUD 的变化成线性关系，对于VMAT 和IMRT，PGTV、PTVnd、PTV1、PTV2、脑干、脊髓、左侧腮腺、右侧腮腺等受MLC 系统误差的变化分别为3.6 与10.7 %/mm、3.8 与10.5 %/mm、4.0 与11.2 %/mm、3.0与10.7 %/mm、5.6 与16.6 %/mm、5.6 与15.0 %/mm、6.8 与14.6%/mm、6.8 与14.4%/mm。MLC 误差对脑干、脊髓、腮腺等危及器官gEUD 的影响比靶区的影响较大（表3）。

3 讨论

鼻咽癌肿瘤靶区周围含有脑干、脊髓、腮腺等众多危及器官，为保证肿瘤剂量充足的同时减少危及器官的受照剂量，通常采用调强放射治疗，通过改变MLC 叶片位置来调整射线的强度，能够在靶区和危及器官之间形成一个陡峭的剂量梯度［11］。

MLC系统误差主要是由单个叶片或整组叶片的刻度误差，灯光野与辐射野间的误差，不同偏心位置处射线半影的变化以及治疗计划系统中叶片的不准确建模引起的［6］。笔者在本文中仅研究叶片刻度误差导致的系统误差，将误差分为两组叶片向相同方向和相反方向移动两类［12］。当MLC两组叶片向相同方向移动且不改变射野大小时对剂量变化的影响较小，这与等中心位移时对剂量的影响相似［13-14］。当两组叶片向相反方向移动时，射野会变大或缩小，Mu等［6］研究了此类误差对12例头颈癌患者简单调强计划的剂量影响，发现1 mm 的误差使靶区的D95，脑干和脊髓的最大剂量变化大约为4%，而腮腺平均剂量变化大约为9%。所以笔者在本研究中仅对MLC 向相反方向移动的情况进行研究分析。

表2 比较两种计划之间MLC系统误差对危及器官gEUD的影响（±s，%）Tab.2 Comparison of the impacts of MLC systematic error on gEUD of organs-atrisk between two plans(Mean±SD,%)

表2 比较两种计划之间MLC系统误差对危及器官gEUD的影响（±s，%）Tab.2 Comparison of the impacts of MLC systematic error on gEUD of organs-atrisk between two plans(Mean±SD,%)

误差-1.0 mm-0.5 mm-0.2 mm 0.2 mm 0.5 mm 1.0 mm计划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值脑干-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左侧腮腺-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右侧腮腺-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

物理剂量仅仅指的是某个特定点的剂量，而生物学剂量gEUD 用来评价解剖结构受到不均匀剂量照射时的生物学效应，可以反映整条剂量体积直方图曲线的变化趋势，因此生物学剂量更适合用来评价误差对靶区和危及器官造成的剂量影响。Oliver等［15］研究了MLC 系统误差对10 例前列腺癌VMAT计划的影响，结果发现MLC 叶片同向运动时，PTV的gEUD 变化约1%/mm，而MLC 叶片反向运动时，PTV的gEUD 变化约8%/mm。根据公式（1）的定义，照射体积Vi和物理剂量Di是影响生物学剂量gEUD的因素，MLC 误差可以同时引起受照体积和剂量的变化，因此本文中笔者直接分析了叶片误差对生物学剂量的影响，研究方法与Oliver相同。

Rangel 等[16]研究了MLC 系统误差对7 例头颈癌IMRT 计划剂量的影响，发现1 mm 的系统误差使临床靶区和脊髓的gEUD 分别改变6%和4%。Oliver等［17］研究了MLC误差对8例头颈癌VMAT计划剂量的影响，发现1 mm 的系统误差使PTV 和脊髓的gEUD 分别改变3%和2%。Oliver对照Rangel的研究，认为如果使PTV 的gEUD 变化在2%以内，VMAT 和IMRT计划的MLC 误差应分别小于0.76 和0.36 mm。Oliver直接引用了Rangel的研究数据，没有针对相同的病人进行研究，治疗计划系统也不相同，而研究结果会受到病例、计算方法、计算网格大小等的影响。

表3 MLC系统误差与gEUD相对变化的线性关系（%/mm）Tab.3 Linear relationship between gEUD variations and MLC systematic errors(%/mm)

笔者针对20 例鼻咽癌患者展开了研究，采用相同的MLC 配置、优化算法、计算算法和计算网格，比较了MLC 误差对VMAT 和IMRT 计划影响的差别。研究发现VMAT 计划MLC 误差对靶区和危及器官gEUD 的影响比IMRT 计划要小。如果要限制PGTV的gEUD 变化在2%以内，对于VMAT 和IMRT，MLC系统误差分别应小于0.6和0.2 mm，笔者的研究结果与Oliver相似。

MLC 系统误差对IMRT 计划gEUD 的影响比VMAT 计划大的原因可能在于两种计划之间的差别。Eclipse 计划系统优化IMRT 计划时采用基于通量的优化算法，而优化VMAT 计划时采用的是直接进行子野优化的方法［18］。相对于VMAT 计划，IMRT计划的机器跳数大，子野数目多，子野面积小。相同的MLC误差对小子野的影响比大子野的大。

为确保放射剂量在允许的误差范围之内，必须利用胶片、EPID等测量工具定期对MLC的叶片位置进行检测［19-20］，执行IMRT 计划时需要比执行VMAT计划进行更加严格的MLC质量控制。