Jaw tracking模式下不同鉛門閾值對鼻咽癌VMAT計劃的劑量學(xué)和計劃復(fù)雜度分析

賈曉斌，董曉慶，岳堃

1. 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院 放療科，上海 201900；2. 同濟大學(xué)附屬第十人民醫(yī)院 放療科，上海 200072

容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放療（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）計劃主要通過調(diào)節(jié)射野內(nèi)多葉準(zhǔn)直器（Multiple Leaves Collimator，MLC）運動速度、劑量率及機架運動速度調(diào)制每個控制點（Control Point，CP）強度，達到提高靶區(qū)適形度的同時降低投照時間的目的[1-5]。然而，實際投照中受硬件限制，MLC中相鄰葉片最大運動范圍為15 cm，若葉片沿X方向運動范圍超過該閾值，葉片將無法完全遮擋漏射線；若葉片X方向運動閾值超過18 cm，計劃質(zhì)量顯著下降[6-7]。傳統(tǒng)鼻咽癌靶區(qū)形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，靶區(qū)X方向?qū)挾龋?5 cm，且周圍臨近組織器官較多，VMAT計劃設(shè)計難度較大。鉛門跟隨（Jaw tracking）功能通過設(shè)置鉛門閾值，使葉片在X方向?qū)挾劝l(fā)生變化，減少射束孔漏射[8-9]。本文選取15例鼻咽癌患者作為研究對象，通過設(shè)置不同的鉛門閾值，旨在評估Jaw tracking條件下不同鉛門閾值對靶區(qū)及危及器官（Organs at Risk，OAR）的劑量學(xué)影響，以及分析各組間計劃復(fù)雜度，以期探討鉛門閾值在鼻咽癌臨床治療中的價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2018年6月至2020年12月上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院放療科收治的15例鼻咽癌患者作為研究對象，其中男性10例、女性5例，年齡48～73歲（中位年齡59歲），TNM分期：T2N2M010例、T2N3M05例，見表1。所有患者均經(jīng)病理證實為鼻咽癌，且患者均對本研究知情并簽署知情同意書。

1.2 定位及靶區(qū)勾畫

患者取仰臥位，頭部覆蓋熱網(wǎng)膜固定。CT掃描范圍為眼眶上緣到鎖骨頭下緣2 cm，掃描層厚2.5 mm。由本院放療科同一醫(yī)師依據(jù)影像學(xué)檢查結(jié)果（CT、MRI及PET）勾畫鼻咽原發(fā)腫瘤區(qū)（Planning Gross Target Volume Nasopharynx，PGTVnx）、頸部轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)（Planning Gross Target Volume of Node，PGTVnd）、鼻咽癌原發(fā)灶高危亞臨床靶區(qū)（Planning Clinical Target Volume 1，PCTVp1）和鼻咽癌中危亞臨床靶區(qū)（PCTVp2），靶區(qū)橫向最大寬度為20.0～23.5 cm，見表1。

表1 15例患者病例數(shù)據(jù)

1.3 計劃設(shè)計

本研究采用Eclipse v13.6 計劃系統(tǒng)和EDGE加速器（Varian，美國）進行計劃設(shè)計。每例患者制定4組RapidArc計劃（T-Half組、T1組、T2組和 T-All組），見圖 1。每組計劃采用雙弧照射，機架角度分別是181°～179°和179°～181°。T-Half組采用半鉛門技術(shù)，X1方向鉛門根據(jù)靶區(qū)寬度全開，X2方向展開至靶區(qū)中線；T1組X1方向鉛門根據(jù)靶區(qū)寬度全開，X2方向展開至距X1鉛門15 cm處，觀測MLC運動閾值為15 cm時MLC運動對計劃的影響（對照組）；T2組X1方向鉛門根據(jù)靶區(qū)寬度全開，X2方向開至距X1鉛門18 cm處，觀測MLC運動閾值為18 cm時MLC運動對計劃的影響；T-All組X1方向與X2方向鉛門均開至靶區(qū)全包裹。4組計劃均勾選Jaw tracking模塊，優(yōu)化靶區(qū)和OAR的優(yōu)化條件與迭代時間一致，計算網(wǎng)格選取0.25 cm，優(yōu)化算法選取AAA，MLC選取HD MLC，其中32 對0.25 cm多葉光柵、28對0.50 cm多葉光柵。射線能量為6 MV X射線，劑量率600 MU/min。

圖1 鉛門設(shè)置示意圖

1.4 計劃評估

1.4.1 計劃質(zhì)量評估

PGTVnx、PGTVnd、PCTVp1、PCTVp2的處方劑量分別為69 Gy/30次、69 Gy/30次、66 Gy/30次、60 Gy/30次，為方便統(tǒng)計，本文將PGTVnx與PGTVnd兩組結(jié)構(gòu)合并為PGTV69，所有計劃歸一于PGTV69處方劑量覆蓋95%靶區(qū)體積。計劃靶區(qū)（Planning Target Volume，PTV）劑量學(xué)評估包括Dmean、V60、靶區(qū)適形指數(shù)（Conformity Index，CI）與均勻指數(shù)（Homogeneity Index， HI）。靶區(qū)CI的定義如公式（1）所示[10]，靶區(qū)HI的定義如公式（2）所示。

式中，VT.ref表示處方劑量包含PTV體積；Vref表示處方劑量覆蓋總體積；VT表示計劃靶區(qū)體積。CI數(shù)值趨近于1表示適形度越好。

式中，D2表示2%靶區(qū)體積接受的處方劑量；D98表示98%靶區(qū)體積接受處方劑量；D50表示50%靶區(qū)體積接受的處方劑量。HI數(shù)值趨近0表明均勻度越好。

1.4.2 OAR劑量學(xué)評估

口腔評估Dmean與V30，左側(cè)腮腺、右側(cè)腮腺與喉評估Dmean與V30，腦干與脊髓評估Dmax。

1.4.3 計劃復(fù)雜度評估

本文計劃復(fù)雜度評估采取平均葉片運動路徑（Average Leaf Trajectory，ALT）、 調(diào) 制 復(fù) 雜 度 因 子（Modulation Complexity Score，MCS） 和 不 規(guī) 則 度（Aperture Irregularity，AI）3種指標(biāo)，所有計劃復(fù)雜度數(shù)據(jù)均由Eclipse API腳本編譯讀取RapidArc計劃log文件獲取，其中ALT由Iori等[11]提出，用于描述射野中所有MLC運動距離的平均值，MCS[12-14]用于評估靜態(tài)野調(diào)強復(fù)雜度，MCS計算方式如公式（3）所示。

式中，i表示當(dāng)前控制點指數(shù)；MUcpi表示相鄰控制點投照MU數(shù)；MUarc表示全弧投照MU數(shù)。AAV表示當(dāng)前控制點光柵面積變異系數(shù)；LSV表示當(dāng)前控制點葉片序列變異系數(shù)。MCS數(shù)值越大表示計劃越復(fù)雜，為了評估不同射束孔面積對劑量驗證的影響，本文對全弧射野中射束孔面積進行頻數(shù)統(tǒng)計。

AI則用于描述每個控制點中，MLC形式射束孔的不規(guī)則度[15]，AI計算方式如公式（4）所示。

式中，cpi表示當(dāng)前控制點指數(shù)；AP表示當(dāng)前控制點中MLC生成射野周長；AA表示當(dāng)前控制點中MLC生成射野面積。AI數(shù)值越大表示計劃越復(fù)雜。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析，劑量學(xué)參數(shù)采用±s表示，采用配對wilcoxon秩和檢驗，行雙側(cè)顯著性檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 靶區(qū)及OAR劑量學(xué)比較

如表2和表3所示，4組計劃均能滿足臨床需求。T-Half組靶區(qū)PCTVp2的HI與V60與T1組比較差異顯著（t=2.135、-2.222，P=0.033、0.026）；T2組靶區(qū)中PGTV69的CI、HI和PCTVp2的V60與T1組比較差異顯著（t=-2.103、-2.691、-2.012，P=0.035、0.007、0.044）；T-All組靶區(qū)PGTV69的CI、HI、Dmean和PCTVp1的HI以及PCTVp2的V60與T1組比較差異顯著（t=-2.726、-2.762、-2.419、-2.622、-3.414，P=0.006、0.006、0.016、0.009、0.010）。OAR方面，T2組的串行器官脊髓Dmax與T1組比較差異顯著（t=-2.900，P=0.008）；T2組并行器官中喉的V50、Dmean（t=-3.237、-2.727，P=0.001、0.008），左側(cè)腮腺Dmean、V30（t=-3.237、-2.727，P=0.001、0.006），右側(cè)腮腺的Dmean、V30（t=-2.045、-2.047，P=0.041、0.041），口腔的Dmean、V30（t=-2.898、-2.786，P=0.004、0.005）與T1組的比較差異均顯著。T-All組的串行器官脊髓Dmax與T1組比較差異顯著（t=-3.241，P=0.001）；T-All組并行器官中喉的V50、Dmean（t=-3.411、-3.067，P=0.001、0.002），左側(cè)腮腺的Dmean、V30（t=-3.408、-3.408，P=0.001、0.001），右側(cè)腮腺的Dmean、V30（t=-2.329、-3.239，P=0.020、0.001），口腔的Dmean、V30（t=-3.411、-3.408，P=0.001、0.001）與T1組的比較差異均顯著。

表2 4組計劃靶區(qū)劑量學(xué)比較（±s）

表2 4組計劃靶區(qū)劑量學(xué)比較（±s）

注： PGTV69：計劃腫瘤靶區(qū)；PCTVp1：原發(fā)灶高危亞臨床靶區(qū)； PCTVp2：中危亞臨床靶區(qū)；CI：適形指數(shù)；HI：均勻指數(shù)。a表示與T1組比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

PCTVp1 PCTVp2 CI HI Dmean/Gy HI Dmean/Gy HI V60/%T-Half組 0.87±0.05 0.05±0.02 7095.40±39.54 0.08±0.04 6778.00±28.98 0.11±0.02a 92.60±1.65a T1組 0.87±0.06 0.05±0.01 7079.10±49.69 0.08±0.03 6766.10±38.96 0.12±0.02 93.02±1.09 T2組 0.84±0.06a 0.05±0.01a 7083.60±58.14 0.08±0.03 6776.08±70.33 0.12±0.02 93.16±1.41a TAll組 0.82±0.07a 0.06±0.01a 7114.03±50.32a 0.09±0.04a 6778.30±53.01 0.13±0.02 88.60±2.27a組別 PGTV69

表3 4組計劃OAR劑量學(xué)比較（±s）

表3 4組計劃OAR劑量學(xué)比較（±s）

注：a表示與T1組比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。V50表示接受5000 cGy劑量體積占總體積的百分比；V30表示接受3000 cGy劑量體積占總體積的百分比。

組別 脊髓 腦干 喉 左側(cè)腮腺 右側(cè)腮腺 口腔Dmax/Gy Dmax/Gy V50/% Dmean/Gy Dmean/Gy V30/% Dmean/Gy V30/% Dmean/Gy V30/%T-Half組 3769.70±89.52 4783.30±427.50 51.45±2.09 3011.41±71.29 2354.5±38.40 20.89±1.70 2361.5±57.50 21.52±1.50 2953.3±270.03 44.79±15.07 T1組 3746.27±9.33 4762.1±434.70 50.68±4.06 3097.61±56.44 2362.1±31.70 21.63±3.40 2346.2±41.70 20.72±3.20 2975.2±367.10 43.69±15.27 T2組 3910.82±189.60a 4927.3±624.20 53.3±4.59a 3205.7±110.80a 2413.2±41.60a 23.98±4.10a 2377.8±34.50a 22.66±2.80a 3056.9±336.74a 47.48±16.44a 54.35±16.94a T-All組 4115.30±250.60a 4839±527.50 62.86±8.22a 3323.51±144.90a 2455.1±52.20a 25.73±3.00a 2417.7±54.00a 25.14±3.70a 3191.20±393.50a

2.2 計劃復(fù)雜度分析

4組計劃鉛門寬度整體均呈現(xiàn)余弦變化趨勢，其中178個控制點中，T-Half組與T1組所有的鉛門寬度均≤15 cm，T2組中有80個控制點＞15 cm，占全弧控制點（Control Point，CP）的44.9%；TAll組中有92個控制點＞15 cm，占全弧CP的51.6%（圖2a）。針對每個CP的MLC形態(tài)研究發(fā)現(xiàn)，4組計劃全弧范圍內(nèi)AI并無顯著變化（圖2b）。隨著鉛門閾值增加，4組計劃的MCS、ALT和MU總體呈現(xiàn)下降趨勢（圖3）。進一步研究全弧CP中射束孔面積頻數(shù)分布發(fā)現(xiàn)，T-Half組射束孔以小野為主，射束孔主要分布于AA＜9 cm2范圍內(nèi)；T1組射束孔分布范圍與T-Half組類似，AA＞25 cm2射束孔數(shù)目較T-Half組明顯提高；T2組射束孔最大射束孔面積AA≤81 cm2；T-All組射束孔分布較為均衡，81cm2≤AA≤100 cm2射束孔數(shù)量顯著增加（圖4）。

圖2 不同機架角度下鉛門寬度（a）與射束孔不規(guī)則度（b）變化

圖3 鉛門選取對計劃復(fù)雜度影響

圖4 4組計劃射束孔面積分組頻數(shù)統(tǒng)計

3 討論

VMAT技術(shù)因具有較好的適形性和均勻性而被廣泛應(yīng)用于鼻咽癌放療中。吳凡等[16]使用NovalisTX加速器Fixed Jaw模式發(fā)現(xiàn)，鼻咽癌VMAT計劃容積計劃中鉛門尺寸的設(shè)置是重要的影響因素，過寬的鉛門閾值不但無法提高靶區(qū)的適形性和均勻性，還可能會顯著增加靶區(qū)周圍高劑量體積，不利于正常組織的保護。EDGE系列加速器內(nèi)置Jaw tracking功能[17]，不同于Fixed Jaw技術(shù)，Jaw tracking設(shè)置鉛門閾值后，X方向鉛門寬度全弧度范圍內(nèi)呈現(xiàn)余弦動態(tài)變化，確保鉛門能在X方向合理適配MLC形態(tài)并遮擋漏射線，降低正常組織受量[18-19]。

本研究比較了Jaw tracking條件下鉛門閾值在鼻咽癌VMAT計劃中的影響。T-Half組采取半鉛門技術(shù)，因此在實際投照中該組射束孔主要采用小面積（AA＜9 cm2）為主。這些小面積射束孔顯著提高了計劃的調(diào)制難度，增加了葉片的運動ALT，提高了計劃執(zhí)行MU。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，半鉛門技術(shù)顯著影響計劃MU，在鉛門寬度對鼻咽癌VMAT計劃的影響中也發(fā)現(xiàn)半鉛門技術(shù)（FJ1組）相較于FJ2、FJ3、FJ4和FJ5這4組實驗分別提高20.0%、19.6%、19.7%和14.9%[16]。陳亞正等[20]則發(fā)現(xiàn)半鉛門在口咽癌VMAT計劃中比全鉛門多出37.6%的MU。T1組全弧范圍內(nèi)葉片X方向展寬≤15 cm，全弧內(nèi)所有葉片均處于最大調(diào)制范圍中。相較于半鉛門技術(shù)，全弧范圍內(nèi)T1組鉛門可變范圍高于T-Half組。本文中各個CP間MLC的AI變化雖然無明顯差異，但是增加中等面積（AA＞25 cm2）射束孔數(shù)量，降低了MLC調(diào)制難度（MCS、ALT），以滿足計劃執(zhí)行需求。隨著鉛門閾值提高至18 cm，T2組部分弧段（181°～230°，320°～40°，127°～179°）射束孔 X方向＞15 cm，其余弧段采用X方向＜15 cm的射束孔照射。結(jié)合射束孔頻數(shù)分析發(fā)現(xiàn)T2組引入更多大尺寸射束孔（AA＞64 cm2），然而更大的射束孔對靶區(qū)劑量學(xué)并未有顯著改善，卻提高了部分OAR受照劑量，放療不良反應(yīng)的發(fā)生概率提高。T-All組X方向＞15 cm的射束孔照射弧段區(qū)域（181°～224°，310°～52°，145°～179°）相較于T2進一步增加，其中葉片X方向＞18 cm的弧段占全弧數(shù)的36.5%，這些弧段MLC在投照過程中采用更多的大尺寸射束孔照射。照射中大量引入的大尺寸射束孔雖然降低了葉片的MLC調(diào)制難度（MCS和ALT），提高了MU利用率，但實際投照中影響了靶區(qū)的均勻性和適形性，甚至導(dǎo)致T-All組部分OAR受量高于器官閾值，難以滿足臨床需求。

4 結(jié)論

對于鼻咽癌類葉片X方向較寬的計劃，鉛門閾值的選取對計劃質(zhì)量的影響顯著。X方向鉛門設(shè)置為半鉛門模式對靶區(qū)劑量學(xué)結(jié)果及OAR保護并未提高，卻顯著增加了計劃MU。18 cm與全鉛門模式雖然降低了計劃復(fù)雜度，但是因為OAR受照劑量顯著增加，影響實際治療效果。在實際治療中建議將鼻咽癌VMAT計劃中鉛門閾值限制在15 cm。