快速旋轉的環型加速器Halcyon鼻咽癌VMAT計劃研究

李珍，余建榮，陳夢豪，楊鑫

1.中山市人民醫院腫瘤分院 放療科，廣東 中山 528400；2.中山大學腫瘤防治中心，廣東 廣州 510060

引言

鼻咽癌是中國南方地區常見的惡性腫瘤，放療或放化療目前被認為是鼻咽癌的基本治療方式，腫瘤局部控制與放療劑量呈正相關。目前接受調強放療的鼻咽癌患者5 年和10 年總生存率分別為77.1%～82.6%和49.5%[1]。雖然近年來調強放療在鼻咽癌治療中提供了極好的局部區域控制和危及器官（Organs at Risk，OARs）保護，但由于解剖學復雜，鼻咽周圍許多正常結構（如腦干、口腔、耳蝸、喉部、腮腺和視神經等）放療后仍有相當大的急性和晚期毒性（如急性黏膜炎、口干癥和腦干神經病變）。2～4 級口干癥和感覺神經性聽力損失仍然發生，發病率分別為39.3%和37.0%[2]。

關于鼻咽癌放療后輻射誘導毒性反應的研究表明，毒性發生概率和嚴重程度與輻射劑量高度相關[3-5]。比如Fan 等[3]對適形調強放療（Intensity-Modulated Radiation Therapy，IMRT）治療鼻咽癌輻射誘發腦干壞死的劑量學分析，說明了腦干壞死與高劑量照射有關，Dmax是腦干壞死最重要的預測劑量學因素。Huang 等[4]研究了關于調強放療后鼻咽癌中輻射相關甲狀腺功能減退風險的甲狀腺劑量-容積閾值。Li 等[5]分析根治性放療的晚期鼻咽癌患者口干癥的預測因素，確定左腮腺50%體積的劑量、右腮腺和口腔平均劑量與口干癥的發生有關。因此，盡可能地減少正常組織的劑量對減少輻射引起的毒性和改善患者生活質量仍是至關重要的。

為明確Halcyon 在機架轉速、MLC 設計特點和劑量率等方面的特性對鼻咽癌VMAT 計劃設計的影響，本文比較基于Halcyon 的雙弧和三弧鼻咽癌VMAT 的計劃質量和出束時間，并評估Halcyon 與傳統C 型加速器Trilogy 在OARs 危及器官保護上的差異。

1 材料和方法

1.1 臨床資料

選取2021 年5 月至2022 年12 月在本院Halcyon直線加速器上接受VMAT 治療的鼻咽癌患者46 例，其中男性28 例（60.9%）、女性18 例（39.1%），中位年齡53[29，74]歲。所有病例均經病理確認為鼻咽癌，無遠處轉移，無其他頭頸部惡性腫瘤，其中T1/T2 分期有14 例患者（30.4%），T3/T4 分期有32 例（69.6%）患者。本研已經過本院倫理委員會審核批準（2023-062）。

1.2 CT掃描及靶區勾畫

患者取仰臥位，頭頸肩熱塑膜聯合發泡膠進行體位固定，采用Philips 公司的Brilliance Big Bore 大孔徑CT行平掃與增強掃描，掃描層厚為2.5 mm，掃描范圍為頭頂至胸鎖關節水平，并融合MRI 圖像輔助腫瘤靶區范圍的確定。

靶區大體腫瘤體積（Gross Tumor Volume，GTV）的勾畫參照國際輻射單位和測量委員會的指南報告ICRU 50[9]和ICRU 62[10]，綜合臨床口咽檢查、電子鼻咽鏡、CT 和MRI 影像診斷確定原發灶的邊界和受累淋巴結區域，并對鼻咽和雙側頸部陽性淋巴結進行勾畫。GTV 分為原發灶GTV（Primary GTV，GTVp）和淋巴結GTV（Nodal GTV，GTVnd）。臨床靶區（Clinical Target Volume，CTV）為由GTV 在安全邊界基礎上外放得到，CTVp1 是GTVp 向外擴5～10 mm 得到，CTV2包括CTVp1 和以下高危侵犯區域：咽旁間隙、鼻腔后三分之一和上頜竇、翼突、顱底、蝶竇下半部分、斜坡前半部分和巖尖，淋巴結的CTV 定義為淋巴引流區域。計劃靶體積（Planning Target Volume，PTV）是通過在GTV 和CTV 的基礎上增加各向同性3 mm 的外擴產生的。OARs 包括脊髓、腦干、腮腺、顳葉、視神經、視丘、甲狀腺、耳蝸和口腔等，是根據已有指南勾畫的[11]。通過對脊髓和腦干增加3 mm 的各向同性外擴來生成PRV計劃風險體積。所有輪廓的勾畫由1 名放射腫瘤科醫師完成以確保一致性。

OARs 的劑量限值參考RTOG 0255（Radiation Therapy Oncology Group 0225）。GTVp 的計劃腫瘤靶區（Planning Gross Target Volume，PGTVp）處方劑量為69.96 Gy，GTVnd 的PGTVnd 為69.96 Gy，CTVp1（高風險區域）的計劃臨床靶區（Planning Clinical Target Volume，PCTVp1） 為59.40 Gy，CTV2（ 低風險區域）的PCTV2 為54.12 Gy，分為33 次分割。GTVp、CTVp1 和CTV2 的PTV 分 別 命 名 為PTV_6996、PTV_5940 和PTV_5412。所有患者均接受每日1 次、每周5 d 的劑量照射。

1.3 計劃設計及評估

所有計劃均使用Varian 公司的Eclipse 15.6 計劃系統設計。Halcyon VMAT 計劃和Trilogy VMAT 計劃（T_VMAT）使用相同的計劃CT 和靶區輪廓，Halcyon VMAT 計劃使用6 MV FFF 光束對目標和OARs 生成2 個動態圓弧（HL2arc）和3 個動態圓弧（HL3arc）計劃，兩個計劃均采用1 個具有自動準直器角度選項的等中心。所有計劃均采用相同劑量約束，并將劑量歸一至PTV_6996 的處方劑量覆蓋95%的體積。Halcyon 和Trilogy VMAT 計劃均采用劑量分辨率0.25 cm 和各向異性解析算法計算最終劑量。

為評價Halcyon PTV 劑量覆蓋情況，比較2 種計劃2%和98%的PTV 接受的劑量D2%和D98%，比較兩種計劃的機器跳數（Monitor Unit，MU）和出束時間、均勻性指數（Homogeneity Index，HI）和適形度指數（Conformity Index，CI），其計算公式分別如公式（1）～（2）所示。

式中，D50%為50%體積接受的劑量，VT為靶體積，VT,ref為參考等劑量線所包繞的靶區內體積，Vref為參考等劑量線所包繞的總體積。HI 值越小，劑量均勻性越好；CI 越接近1，表示劑量分布越適形。

試驗材料來自湖北省襄陽市襄州區黃龍鎮、黃集鎮、古驛鎮、朱集鎮、峪山鎮、石橋鎮、張家集鎮、程河鎮和龍王鎮等9個鎮農戶2016—2017年度種植的小麥品種。

為評估Halcyon 在靶區外正常組織的劑量水平，比較以下與OARs 相關的劑量學參數：腮腺、甲狀腺、腦干和喉的平均劑量Dmean；腦干、脊髓、晶體的最大劑量Dmax；以及左右腮腺接受30 Gy 劑量的相對體積（V30）。統計分析Halcyon 計劃HL3arc 與Trilogy 計劃T-VMAT的OARs 劑量，包括：脊髓、腦干、口腔、喉、眼球的平均劑量Dmean和脊髓的D0.1cc。

為評估劑量差異對臨床并發癥的影響，采用Stavrev等[13]提出的Logistic的模型計算正常組織并發癥（Normal Tissue Complications，NTCPs），包括口腔炎、臨床甲狀腺功能減退癥、喉部水腫、脊髓炎和腦干壞死，用于NTCPs 計算的參數取自于已有的研究[14-15]。

1.4 統計學分析

本文采用統計學軟件SPSS 26.0 對數據進行分析。首先進行數據的正態檢驗（經Shapiro-Wilk 檢驗），符合正態分布的數據用±s表示，采用配對樣本t檢驗進行兩組數據間的差異性分析；不符合正態分布的數據用M[P25，P75]表示，采用非參數秩和檢驗分析，以P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 Halcyon HL2arc和HL3arc VMAT計劃比較

2.1.1 靶區劑量及執行效率

所有病例的Halcyon VMAT 計劃均滿足處方劑量覆蓋95%靶區體積的要求。如表1 所示，在目標劑量覆蓋范圍的比較中，HL3arc 的PTV_6996 和PTV_5412的D98%最接近處方劑量（P＜0.05），HL3arc 計劃PTV_6996、PTV_5412 的HI 值小于HL2arc （P＜0.05），HL3arc 計劃中各計劃靶區的D2%均小于HL3arc 計劃（P＜0.05），但兩組計劃PTV_5940 的D98%無統計學差異。如表2 所示，執行效率方面兩組計劃的MU 無統計學差異，平均出束時間分別為（82.6±12.0）s 和（100.7±4.7）s。綜合以上結果可知HL3arc 計劃具有更佳的PTV_6996 劑量覆蓋、各PTV 更低的最大劑量和PTV_6996、PTV_5412 更優的劑量均勻性。

表1 HL2arc和HL3arc組靶區劑量參數對比{±s，M[P25，P75]}

表1 HL2arc和HL3arc組靶區劑量參數對比{±s，M[P25，P75]}

注：HI：均勻性指數；CI：適形度指數。

靶區指標HL2arc HL3arc t/Z值P值D98%/cGy6983.95±48.386993.08±54.68-3.8190.001 D2%/cGy7432.17±81.317412.07±80.975.489＜0.001 HI0.07[0.06，1.05]0.06[0.05，1.05]-2.4990.012 CI1.95±0.501.95±0.51-0.1680.871 PTV_5940D98%/cGy6102.40[6045.93，6183.58]6099.45[6045.75，6163.73]-1.6200.105 D2%/cGy7362.95±86.557332.375±70.414.3490.001 PTV_6996 D98%/cGy5448.35[5414.25，5474.28]5466.85[5442.68，5501.75]-3.898＜0.001 D2%/cGy7283.32±67.957259.74±61.094.5110.001 HI0.35±0.020.34±0.022.8190.018 CI0.76±0.030.79±0.05-2.0490.068 PTVnd（L）D98%/cGy7003.71±55.407015.48±57.30-2.4200.021 D2%/cGy7422.68±94.667383.65±93.936.363＜0.001 PTVnd（R）D98%/cGy6995.16±60.857015.80±59.62-3.2890.002 D2%/cGy7401.80±86.757369.83±91.796.123＜0.001 PTV_5412

表2 HL2arc和HL3arc組MU及出束時間{M[P25，P75]，±s}

表2 HL2arc和HL3arc組MU及出束時間{M[P25，P75]，±s}

注：MU： 機器跳數。

指標HL2arcHL3arct/Z值P值MU652.30[624.20，689.65]661.30[633.15，692.30] 0.160 0.870出束時間/s82.6±12.0100.7±4.7-13.009 ＜0.001

2.1.2 OARs受量

雖然HL3arc 計劃增加了旋轉治療弧，但統計結果顯示，HL3arc 組正常組織的劑量并沒有明顯高于HL2arc組，某些OARs 的平均劑量或體積劑量HL3arc 甚至低于HL2arc。如表3 所示，在腦干、喉、甲狀腺和左側腮腺的平均劑量上HL3arc 方案均低于HL2arc（P＜0.05），喉的D0.1cc參數HL3arc 略低，左側腮腺的平均劑量[（3481.63±341.08）cGyvs.（3404.9±291.22）cGy] 和V30[（47.19±7.46）%vs.（46.02±7.40）%]分別降低了76.73 cGy 和1.17%（P＜0.05）。然而右側腮腺的劑量指標無顯著差異。

表3 HL2arc和HL3arc組OARs劑量差異{M[P25，P75]，±s}

表3 HL2arc和HL3arc組OARs劑量差異{M[P25，P75]，±s}

危及器官指標HL2arc HL3arct/Z值P值左側晶體Dmax/cGy474.58±168.65469.85±166.800.8700.389右側晶體Dmax/cGy507.67±143.99510.52±141.12-0.7060.484脊髓Dmax/cGy3915.80[3831.40，4001.95]3896.70[3795.13，3976.48]-1.6930.090腦干Dmean/cGy3053.62±592.802990.69±685.181.6640.019喉D0.1cc/cGy5410.08±745.755359.23±790.882.3470.023 Dmean/cGy3724.74±382.393662.51±231.984.800＜0.001左側腮腺Dmean/cGy3481.63±341.083404.90±291.222.0840.043 V30/%47.19±7.4646.02±7.402.8570.007右側腮腺Dmean/cGy3582.91±328.213584.16±322.78-0.1450.885 V30/%48.91±6.8248.55±6.761.0290.165甲狀腺Dmean/cGy4520.14±469.184385.76±418.863.1540.004

2.2 Halcyon與Trilogy在OARs保護上的差異

2.2.1 不同OARs劑量指標比較

HL3arc 計劃與T_VMAT 計劃均滿足臨床OARs 的劑量限值，劑量對比結果顯示，除右側眼球外，兩種計劃在OARs 的平均劑量上差異顯著（P＜0.05）。如表4 所示，脊髓、腦干、甲狀腺、口腔、喉、左側眼球的平均劑量HL3arc 計劃分別降低了156.64、258.27、167.76、169.20、184.83 和44.11 cGy（P＜0.05）。HL3arc 計劃的脊髓D1%也顯示出較低的劑量。Halcyon 與Trilogy VMAT 計劃危及器官的平均劑量對比如圖1 所示。

圖1 Halcyon與Trilogy VMAT計劃OARs的平均劑量

表4 HL3arc與T_VMAT在OARs 的劑量差異（±s）

表4 HL3arc與T_VMAT在OARs 的劑量差異（±s）

危及器官指標HL3arc T_VMATt值P值均值差脊髓D1%/cGy3479.80±303.313567.01±314.04-5.416 ＜0.001-87.21 Dmean/cGy3013.91±354.913170.55±405.31-1.079 0.025-156.64腦干Dmean/cGy2990.69±685.183248.96±654.48-8.581 ＜0.001-258.27甲狀腺Dmean/cGy4385.76±418.864553.52±405.122.3100.029-167.76口腔Dmean/cGy3820.89±428.543990.09±357.04-4.320 ＜0.001-169.20喉Dmean/cGy3662.51±231.983847.34±175.31-4.927 ＜0.001-184.83左側眼球Dmean/cGy 876.84±387.71 920.95±408.90-2.893 0.008-44.11右側眼球Dmean/cGy 873.83±273.50 873.38±255.080.0280.978—

2.2.2 不同組織NTCPs比較

如表5 所示，腦干和甲狀腺的NTCPs 無統計學差異；脊髓的NTCPs HL3arc 顯著低于T_VMAT 計劃，以口干癥為終點的左右腮腺的NTPs HL3arc 計劃低于T_VMAT計劃（P＜0.05）。

表5 HL3arc與T_VMAT的NTCPs對比{M[P25，P75]}

3 討論

評估一種新的VMAT 計劃技術時所使用的治療弧數量是一個重要的關注點，因為它與計劃質量以及計劃時間和射束傳輸效率有密切關系。對于復雜的靶區目標，多弧VMAT 計劃可能比單弧或雙弧VMAT 計劃能提供更好的劑量學覆蓋，但增加出束時間和低劑量的擴散[16]。

環形加速器Halcyon 較快的MLC 葉片運動速度和機架轉速增加了調強的自由度。本文Halcyon 雙弧（HL2arc）、三弧（HL3arc）VMAT 鼻咽癌計劃相比較的結果顯示，在靶區覆蓋方面HL3arc 計劃不劣于或者優于HL2arc 計劃，靶區劑量均勻性更優，且MU 無顯著增加[661.30（633.15，692.30）vs.652.30（624.20，689.65）]（P＞0.05），出束時間略有增加，這與Michiels等[17]的報道相似。OARs 方面，HL3arc 計劃不高于甚至低于HL2arc 計劃，左右晶體和脊髓的最大劑量無顯著差異，腦干、喉、左側腮腺的平均劑量HL3arc 組更低，右側腮腺的平均劑量和V30無顯著差異的原因可能是入組病例靶區偏右造成右腮腺整體劑量較高，增加治療弧數不能明顯降低其劑量。張杰等[18]對基于Halcyon 的宮頸癌不同旋轉弧數（2arc、3arc、4arc）VMAT 計劃的劑量學比較指出，弧數增加OARs 平均劑量有所降低且MU 和執行時間沒有顯著增加。Ju 等[19]曾報道了30 例鼻咽癌Halcyon 2arc、4arc VMAT 計劃與螺旋斷層3 種計劃的劑量學和食管、腮腺、脊髓、腦干NTCPs 的比較結果顯示，相比2arc 計劃，4arc VMAT 可取得較好的計劃效果。因此機架的快速旋轉使得增加1 個治療弧并不會增加太多治療時間，雖然還需要更多的研究來確定鼻咽癌選用多少弧合適，但對于目標體積較大時快速機架旋轉的優勢為多弧VMAT 計劃提供了機會[20]。

由于鼻咽癌目標靶區緊鄰各種OARs，放療毒副作用嚴重影響患者生活質量，探索可行和優化的放射治療技術對于實現高度適形的治療計劃和獲得良好的OARs保護效果至關重要。環形加速器Halcyon 因雙層MLC的設計特點具有較低的葉片間漏射和透射，學者曾對Halcyon 和傳統C 型加速器Vital Beam 加速器固定野逆向調強IMRT 鼻咽癌的計劃質量進行比較[21]，證實Halcyon加速器可更好地保護OARs。本文中甲狀腺的平均劑量Halcyon 較Trilogy 降低了167.76 cGy。一項薈萃分析[22]曾報道甲狀腺的平均劑量Dmean是放療后原發性甲狀腺功能減退相關的劑量預測指標，并指出放射后原發性甲狀腺功能減退是頭頸部癌癥放射治療后常見的晚期并發癥，盡量減少甲狀腺暴露在輻射下對于預防這種晚期并發癥至關重要。除了評估劑量學上的差異，本文引入生物學因素NTCPs 量化評估Halcyon 應用于鼻咽癌治療可能的臨床益處，對比發現Halcyon 計劃中脊髓、左右側腮腺的NTCPs 顯著低于Trilogy 計劃。因此，Halcyon 獨特的設計用于鼻咽癌VMAT 治療時可降低靶區外OARs的劑量，使得盡可能地降低放療后毒性反應成為可能。

本研究的局限性在于結果不僅反映了不同治療弧、射束輸送技術及治療機器內在性能的差異，也反映了比較者之間在劑量計算誤差、不同放射治療計劃系統/加速器組合的劑量優化能力和不同計劃設計者之間的差異。在參考本研究的結果時，有必要考慮這些因素。

了解新設備的特性和局限性在臨床實踐應用中非常重要。全新設計理念的環形加速器Halcyon 適用于鼻咽癌VMAT 治療，相比2arc 計劃，3arc VMAT 可取得更好的計劃質量，建議鼻咽癌靶區體積較大時可選擇多弧計劃以實現更佳的劑量分布。與傳統加速器Trilogy 相比，Halcyon 對OARs 有更好的保護，可以提高傳輸效率，減少治療時間。