兩種準直器寬度對鼻咽癌放療中的劑量學差異影響

馬天斌，蔣振東，俞海東，張漢雄，胡丹，陳意標

梅州市人民醫院（黃塘醫院）放射治療室，廣東梅州514031

前言

鼻咽癌是我國常見惡性腫瘤之一，放療為首選治療方式［1］，其所在位置解剖結構復雜，靶區周圍重要器官較多，且靶區形狀復雜［2］。經過數十年放療設備和放療技術的更新，以及臨床經驗的累積，鼻咽癌放療后5年生存率由15%～25%提高到80%左右［3］。調強放射治療（Intensity-Modulated Radiation Therapy,IMRT）技術是目前鼻咽癌放療的主要技術，其中多葉準直器（Multi-Leaf Collimator,MLC）是醫用直線加速器的重要組成部分，是實現三維適形和三維調強放射治療的重要設備［4］。目前放療醫用直線加速器中使用MLC 寬度（等中心處投影）主要有1.0 和0.5 cm，而0.5 cm MLC 是各加速器廠家新開發的產品，正在被各放療中心推廣使用。本研究主要比較本院同一廠家（醫科達）兩種規格MLC（等中心處投影0.5 和1.0 cm）在鼻咽癌靜態調強計劃設計中劑量學方面差別，總結新款0.5 cm MLC 在鼻咽癌患者計劃中是否有顯著優勢。

1 資料與方法

1.1 患者資料

隨機選取本院2016年至2018年間鼻咽部原發腫瘤放療患者31 例治療方案進行回顧性研究，其中男24 例，女7 例，年齡31～68 歲，中位年齡53 歲。所有患者采用RTOG2008分期：T1期4例，T2期7例，T3期13 例，T4 期7 例，均無遠處轉移（M=0）；使用Pinnacle3計劃系統22 例，Monaco 計劃系統9 例，全部首次接受放射治療。所有治療方案的選擇都告知患者，取得患者知情同意。

1.2 設備

本次使用射野模型1 對應醫科達加速器Precise，配備40對1.0 cm 寬多葉準直器系統MLCi；射野模型2 對應醫科達加速器Synergy-S，配備80 對0.5 cm 寬新型多葉準直器系統Agility。計劃設計采用飛利浦公司計劃系統Pinnacle39.8 版本和醫科達計劃系統Monaco 5.11 版本。圖像掃描采用GE 公司大孔徑CT590 RT。

1.3 靶區和危及器官勾畫

所有患者采用仰臥位，雙手置于體側，使用頭頸肩膜固定，圖像采用同一大孔徑CT 掃描，掃描層厚2.5 mm，范圍自頭頂到鎖骨下約5 cm，分平掃和增強兩個序列，所有靶區和危及器官由醫生根據ICRU 83號報告標準勾畫，包括鼻咽部原發灶腫瘤（Gross Tumor Volume,GTVnx）、左側高危頸淋巴結（GTVnd1）、右側高危頸淋巴結（GTVnd2）、臨床靶區（Clinical Tumor Volume,CTV）（腫瘤周圍極可能受侵的鄰近區域或極可能轉移的區域，高位區）、臨床靶區CTV2（根據腫瘤生物學行為推斷可能會出現淋巴結轉移的區域，選擇照射區）和對應的計劃靶區PGTVnx、PGTVnd1、PGTVnd2、PCTV、PCTV2 及危及器官晶體、視神經、視交叉、腦干、顳葉、顳頜關節、中耳、脊髓、腮腺、喉等。

1.4 計劃設計

所有患者原計劃全部經主治醫師驗收合格用于患者治療，由同一物理師設計，采用6 MV 高能X 射線、9 野（160°、120°、80°、40°、0°、320°、280°、240°、200°）共面等中心設計，拷貝原計劃保留原計劃射野參數、目標函數和優化條件，分別使用兩種加速器射野模型重新優化計算，不做局部二次優化，子野總數、最小子野面積和最小子野跳數統一使用80 個、5 cm2和5 MU。靶區處方劑量PGTVnx（T3-T4 期）：73.92 Gy/33 f；PGTVnx（T1-T2 期）：69.96 Gy/33 f；PCTV：60.06 Gy/33 f；PCTV2：50.96 Gy/28 f，放療每周5 次，保留原計劃處方歸一值，處方位置PGTVnx，覆蓋體積范圍95%～99%，均值96.2%。其中9 例患者頸部二三區有淋巴結所以沒有PCTV2。

1.5 數據記錄

記錄每個計劃跳數（Monitor Unit,MU），通過劑量體積直方圖（Dose Volume Histogram,DVH）和等劑量曲線記錄靶區體積、處方劑量體積和處方劑量覆蓋靶區體積，計算適形度指數（Conformal Index,CI）和均勻性指數（Homogeneity Index,HI），記錄晶體等危及器官的最大劑量（Dmax）、體積劑量、平均劑量（Dmean）。CI=Vtref2/(Vt×Vref)，其中，Vtref表示處方劑量覆蓋靶區體積，Vt表示靶區體積，Vref表示處方劑量體積，CI 值范圍0～1，CI 值越大，適形度越高。HI=D5/D95，其中，D5表示覆蓋靶區5%體積的劑量，D95表示覆蓋靶區95%體積的劑量，HI 值范圍≥1，HI 值越小，均勻性越好。

1.6 統計學方法

使用SPSS22.0 軟件對全樣本和每個計劃系統（Pinnacle3,Monaco）樣本分別進行處理分析，符合正態分布的計量資料用均數±標準差表示，兩組間比較采用獨立樣本t檢驗，P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 全樣本分析結果

兩組計劃靶區（PGTVnx、PCTV2）CI差異有統計學意義（P=0.000、0.004），模型2 計劃優于模型1 計劃；靶區（PGTVnx、PCTV、PCTV2）HI 差異有統計學意義（均P=0.000），模型2 計劃優于模型1，如表1所示，其中靶區PCTV的CI差異無統計學意義（P=0.075），但模型2 均值優于模型1。即在相同處方要求、射野參數、目標函數和優化條件下，Agility 0.5 cm MLC可以顯著提升靶區適形度和均勻性；危及器官中右側視神經和視交叉Dmax、左側顳葉和右側顳頜關節Dmean、左右腮腺V30、氣管和脊髓及脊髓PRV（Planning Risk Volume,PRV）的Dmean差異有統計學意義（P＜0.05），模型2 優于模型1（對應P=0.032、0.001、0.000、0.002、0.010、0.015、0.003、0.032、0.047），即計劃中使用Agility 0.5cm MLC 時，這些危及器官可以獲得更多增益，其他危及器官和MU差異無統計學意義（P＞0.05）。

表1 基于兩種模型和兩種計劃系統設計計劃的參數統計分析結果（± s）Tab.1 Results of parameter statistical analysis of plans based on two beam models and two treatment planning system (Mean±SD)

表1 基于兩種模型和兩種計劃系統設計計劃的參數統計分析結果（± s）Tab.1 Results of parameter statistical analysis of plans based on two beam models and two treatment planning system (Mean±SD)

全樣本Pinnacle靶區和危及器官參數Agility（模型2）MLCi（模型1）t值P值Monaco Agility（模型2）MLCi（模型1）t值P值t值P值Agility（模型2）MLCi（模型1）1 005.5±226.6 0.759±0.065 1.056±0.013 0.853±0.027 1.252±0.039 0.826±0.037 1.071±0.010 5.754±1.154 5.720±1.232 43.477±15.253 42.668±14.266 42.954±14.059 73.195±5.822 16.950±4.942 73.739±5.533 17.633±5.763 62.143±7.537 0.899±1.251 3.090±2.986 28.438±3.610 56.481±7.599 40.139±6.183 57.818±7.989 41.496±7.845 0.742±0.061 1.064±0.019 0.823±0.091 1.263±0.041 0.812±0.036 1.082±0.013 5.891±1.076 5.824±0.914 44.614±13.538 44.063±13.904 45.909±13.454 73.686±5.574 17.534±4.957 74.027±5.377 17.999±5.017 61.612±7.530 0.939±1.434 3.097±3.027 28.464±3.956 56.606±7.548 39.752±6.466 57.590±8.402 40.298±7.655 PGTVnx PCTV PCTV2晶體CI HI CI HI CI HI Dmax_L/Gy Dmax_R/Gy 4.582-4.710 1.848-11.009 3.243-9.127-1.732-0.952 2.794 17.145-0.380-6.091 2.121-9.722-1.793 0.057 0.023 0.000 0.714 0.000 0.101 0.001 0.111 0.956 0.000 0.000 0.075 0.000 0.004 0.000 0.094 0.349 3.646-3.009-0.324-9.073 2.568-7.472-0.799-1.488 0.002 0.007 0.749 0.000 0.021 0.000 0.433 0.152視神經Dmax_L/Gy -1.675 0.104-0.338 0.744-1.712 0.102 Dmax_R/Gy -2.244 0.032-1.680 0.132-1.621 0.120視交叉Dmax/Gy -3.702 0.001-1.679 0.132-3.264 0.004顳葉Dmax_L/Gy -1.894 0.068-1.558 0.158-1.266 0.219 Dmean_L/Gy -4.306 0.000-2.070 0.072-3.734 0.001 Dmax_R/Gy -0.982 0.334-3.095 0.015 0.221 0.827 Dmean_R/Gy -0.981 0.002 0.813 0.440-4.838 0.000腦干Dmax/Gy 1.378 0.178-0.029 0.977 1.569 0.132 V60/%V54/%-0.193-0.032 0.848 0.975 0.612 0.036 0.558 0.972-0.263-0.044 0.795 0.965 Dmean/Gy -0.135 0.894 0.400 0.699-0.543 0.593顳頜關節Dmax_L/Gy -0.332 0.742-0.051 0.961-0.352 0.728 Dmean_L/Gy 0.807 0.426 0.606 0.561 0.563 0.580 Dmax_R/Gy 0.530 0.600 0.111 0.915 0.537 0.597 Dmean_R/Gy 2.964 0.006 0.762±0.052 1.244±0.037 0.841±0.039 1.244±0.037 0.803±0.054 1.073±0.018 6.566±1.725 6.537±1.827 45.104±15.033 44.440±14.872 44.061±16.547 70.920±5.848 17.347±6.085 71.581±6.817 18.988±7.849 60.855±9.148 0.743±1.159 2.777±3.079 29.729±3.968 57.624±7.589 39.061±5.966 60.712±8.262 41.369±4.172 0.738±0.052 1.061±0.010 0.855±0.111 1.255±0.039 0.787±0.054 1.090±0.019 6.869±1.501 6.520±1.162 45.485±13.718 46.133±14.193 46.742±15.337 71.620±6.296 17.948±5.979 72.769±6.840 18.069±5.711 60.873±8.532 0.693±1.049 2.769±3.063 29.551±4.310 57.659±7.685 38.538±5.991 60.630±9.261 39.763±4.210 1.960 0.086 0.758±0.071 1.058±0.013 0.858±0.020 1.255±0.040 0.833±0.028 1.070±0.008 5.422±0.608 5.386±0.701 42.811±15.642 41.943±14.304 42.502±13.317 74.126±5.681 16.788±4.548 74.621±4.818 17.079±4.781 62.669±6.947 0.963±1.307 3.218±3.011 27.910±3.407 56.014±7.731 40.579±6.352 56.634±7.753 41.547±9.015 0.743±0.014 1.065±0.022 0.872±0.207 1.267±0.042 0.820±0.026 1.080±0.010 5.490±0.465 5.540±0.621 44.257±13.772 43.216±14.030 45.568±12.983 74.531±5.168 17.364±4.623 74.542±4.746 17.970±4.851 61.914±7.276 1.040±1.576 3.231±3.074 28.019±3.817 56.175±7.630 40.249±6.721 56.346±7.912 40.517±8.763 2.201 0.039 1 005.4±185.0機器跳數MU 0.010 0.992 718.5±163.8 777.2±115.5-2.495 0.037 1.673 0.109 1122.9±115.5 1098.7±111.2

續表1

2.2 計劃系統組樣本結果

Monaco 計劃系統中，兩組計劃靶區（PGTVnx、PCTV、PCTV2）HI 差異有統計學意義（P=0.000、0.000、0.001），模型2 優于模型1；靶區PGTVnx 的CI差異有統計學意義（P=0.023），模型2優于模型1。其中靶區（PCTV、PCTV2）CI差異無統計學意義（P＞0.05），如表1所示。危及器官中右側顳葉Dmax、左右腮腺V30和MU 差異有統計學意義（對應P=0.015、0.011、0.021、0.037），模型2優于模型1，即在Monaco計劃系統中設計計劃使用Agility 0.5 cm MLC，這些危及器官可以獲得更多增益，其他危及器官及MU差異無統計學意義（P＞0.05）。在Pinnacle 計劃系統中，兩組計劃靶區（PGTVnx、PCTV、PCTV2）HI差異有統計學意義（P=0.007、0.000、0.000），模型2 優于模型1；靶區（PGTVnx、PCTV2）CI 差異有統計學意義（P=0.002、0.021），模型2 優于模型1。其中靶區PCTV 的CI 差異無統計學意義（P＞0.05），如表1所示。危及器官中視交叉Dmax，以及左右顳葉、右側顳頜關節、右側中耳、左側腮腺、脊髓、脊髓PRV 和氣管的Dmean差異有統計學意義（P=0.004、0.001、0.000、0.039、0.017、0.003、0.032、0.047、0.003），模型2優于模型1，其他危及器官及MU差異無統計學意義（P＞0.05）。

3 討論

放療技術的發展很大程度上依賴放療設備的發展，醫用直線加速器是放療使用的主流設備之一，所以說放療技術的發展很大程度上依賴于多葉準直器MLC發展，放療技術的發展方向是為了提高靶區劑量（包括適形度和均勻性），降低正常組織劑量，對應MLC的發展方向就是更薄、更低的穿射、漏射，葉片的寬度決定了射野與靶區幾何適形度，越薄適形度越好［5］，而穿射、漏射影響半影的寬度，半影則影響靶區邊緣劑量［6］。此次研究結果顯示，模型2 Agility機頭在計劃中提升靶區適形度和均勻性具有統計學意義，數據如表1所示。Agility機頭配備了80 對160 片0.5 cm MLC，運動速度更快（6.5 cm/s，MLCi是2.0 cm/s），單側葉片可以到達對側15.0 cm（MLCi是12.5 cm），可以有效縮短治療時間，形成更豐富的子野形狀，如孤島野，如圖1所示。Zhang等［7-8］在研究中也證明了此點。Agility機頭MLC擁有更低的穿射比，經過測量，Agility 機頭MLC 穿射比為0.59%（MLCi是3.13%），這些都是提高靶區適形度和均勻性的基礎。Ryota等［9］通過測量和蒙卡模擬Agility機頭得到MLC的最大穿射比為0.45%和0.46%，可以降低IMRT和VMAT野漏射劑量。楊超鳳等［2］在研究鼻咽癌放療選用配置小葉片MLC結構的加速器，能獲得更好的靶區適形度和靶區劑量均勻性。黃娜等［10］在研究AAPM 119號報告標準模體靶區時，得出Agility機頭0.5 cm MLC在C形、頭頸和多靶點靶區計劃中劑量指標CI和HI等多優于1.0 cm MLCi2系統，且在劑量限值要求比較苛刻的情況下，0.5 cm MLC可以更好地達到目標要求。Zhang等［11-14］在研究頭頸和乳腺計劃中也得出了相似的結果，Agility MLC能夠改善靶區適形性和均勻性，能有效縮短治療時間。此次研究中危及器官晶體、腦干、中耳、顳頜關節（早期未侵犯時）、脊髓和脊髓PRV的Dmax等差異無統計學意義，通過觀察，這些危及器官（除了腦干）距離靶區相對比較遠，兩種MLC都可以輕松達到臨床劑量限值要求。其中腦干比較特殊，在腫瘤分期比較晚時常靠近靶區PCTV，腦干的體積比較大，在靶區適形度提高的情況下無差異，說明計劃使用模型2時靠近腦干的靶區邊緣劑量跌落梯度增加。在表1中，統計結果顯示多數危及器官劑量均值模型2優于模型1，即在使用模型2計劃中并沒有因為提高靶區適形度和均勻性而增加正常組織劑量。危及器官中視神經、視交叉、左右腮腺V30和氣管等受量差異有統計學意義（P＜0.05），通過觀察，這些危及器官比較靠近靶區，其中視交叉可以充分反映MLC厚度對靶區劑量的影響，如圖2所示，在靠近視交叉位置，模型2計劃中一個葉片左右移動就可以很好地遮擋視交叉而不損失靶區劑量，在模型1中，如圖3所示，移動一個葉片遮擋視交叉時也會擋去部分靶區，導致靶區欠量，反之視交叉就會超量，所以差異有統計學意義（P＜0.05）。左右腮腺常與靶區PCTV有重疊，與腦干相似，使用0.5 cm MLC計劃在靶區與腮腺相接邊緣區域的劑量跌落梯度增加，所以導致V30差異有統計學意義（P＜0.05），如圖4和圖5所示，紅色標記圈內0.5 cm MLC比1.0 cm MLC遮擋更多腮腺，可以更好地保護腮腺，可以有效降低腮腺V30。Mohan等［15］在研究中也證實了0.5 cm MLC可以更好地適形靶區和保護危及器官。范廷勇等［16-17］在研究鼻咽癌計劃時總結出，采用0.5 cm MLC會獲得更好的劑量分布和適形度，且在較晚期鼻咽癌計劃中，0.5 cm MLC不僅能夠明顯降低受侵危及器官的高劑量，而且可以帶來更好的靶區劑量均勻性。氣管處在靶區PCTV和PCTV2兩側翼之間，模型2葉片更薄，且靶區邊緣的劑量梯度更大，所以氣管平均劑量會更小，能夠更好地保護氣管，降低氣管塌陷概率。Fiveash 等［18］也得到相同結果，0.5 cm MLC在處理靶區與危及器官距離很近時有明顯優勢。

圖1 Agility機頭形成的孤島野（取自Monaco計劃系統） Fig.1 Isolated beam field of Agility(from Monaco TPS)

圖2 0.5 cm MLC射野BEV（取自Monaco計劃系統，紅圈內是視交叉位置）Fig.2 Field BEV with 0.5 cm MLC(from Monaco TPS,with the optic chiasma in the red circle)

圖3 1.0 cm寬MLC射野BEV（取自Monaco計劃系統，紅圈內是視交叉位置）Fig.3 Field BEV with 1.0 cm MLC(from Monaco TPS,with the optic chiasma in the red circle)

圖4 0.5 cm寬MLC射野BEV（取自Monaco計劃系統，紅圈內是腮腺位置）Fig.4 Field BEV with 0.5 cm MLC(from Monaco TPS,with the parotid gland in the red circle)

圖5 1.0 cm寬MLC射野BEV（取自Monaco計劃系統，紅圈內是腮腺位置）Fig.5 Field BEV with 1.0 cm MLC(from Monaco TPS,with the parotid gland in the red circle)

在Monaco計劃系統中，如表1所示，所有靶區均勻性指數HI 差異有統計學意義（P＜0.05），適形度指數CI 只有PGTVnx 差異有統計學意義（P＜0.05），其他靶區差異無統計學意義（P＞0.05）。危及器官中只有右側顳葉Dmax左右腮腺V30和計劃總MU 差異有統計學意義（P＜0.05），其他差異無統計學意義（P＞0.05）；而在Pinnacle3計劃系統中除了靶區PCTV 的CI，其他靶區CI 和靶區HI 差異均有統計學意義（P＜0.05）。危及器官中視交叉Dmax，以及左右顳葉、右側顳頜關節、右側中耳、左側腮腺、喉和氣管的Dmean差異有統計學意義（P＜0.05），其他差異無統計學意義（P＞0.05）。說明不同計劃系統對計劃優化是有差異的，不同計劃系統子野優化方法和劑量算法的不同會導致不同結果。Burmeister 等［19-20］在研究中也得到了相同結論。所以選擇合適的計劃系統下，0.5 cm MLC 在鼻咽癌調強計劃中可以進一步提高靶區CI和HI，也能有效降低部分危及器官受量，可以進一步提高患者的預后生存質量。