MLC運動誤差對不同射野面積的鼻咽癌容積調強計劃的影響

賈曉斌，岳堃

上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院 放療科，上海 201900

引言

鼻咽癌是一種常見的惡性腫瘤，放射治療是主要的治療方法之一。鼻咽癌靶區結構復雜且臨近多組危及器官（Organ at Risk，OAR），因而其放療實施的準確性對臨床工作人員來說是一項重大挑戰。容積調強通過多葉光柵、機架角度及劑量率的連續性變化，降低投照機器跳數（Monitor Units，MU）的同時，提高了靶區的適形性和均勻性[1-5]。然而在實際投照中，加速器多葉準直器（Multi-Leaf Collimator，MLC）往復式運動會導致實際葉片位置與計劃位置存在差異，從而影響實際照射中的劑量分布。美國醫學物理學家協會TG142 報告中指出，MLC 的到位精度應小于1.0 mm[6]。關于多葉準直器運動誤差（Multi-Leaf Collimator Error，MLCerror）的研究，近年來主要集中在MLCerror對宮頸癌及鼻咽癌靶區劑量及計劃驗證結果的影響[7-10]，射野平均面積（Mean Aperture Area，MAA）與MLCerror的關系鮮有文章提及。本文選取30 例患者不同射野面積的鼻咽癌容積調強計劃，使醫學數字影像（Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM）文件中的RP.dcm 修改MLC 位置并重新導入計算，研究不同計劃間劑量學及驗證通過率之間的差異，分析MLCerror對不同射野面積鼻咽癌容積調強計劃的影響。

1 材料與方法

1.1 病例選取

選取2020 年12 月至2022 年3 月在上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院放療科進行放療的鼻咽癌患者為研究對象。納入標準：① 年齡18～80 歲；② 由同一教授勾畫靶區與OAR，且由同一物理師制作計劃；③ 臨床分期≥Ⅱ期。排除標準：放棄治療及未能完成治療全程的患者。本研究共30 例鼻咽癌病例符合條件入組，病理分期為T2N2M020 例、T2N3M010 例，年齡范圍43～77 歲（中位年齡57 歲）。本研究經由上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院倫理委員會審批通過（批準文號：SH9H-2021-TK269-1），且所有病例數據均經病理證實，所有患者均簽署放射治療知情同意書。

1.2 CT定位與圖像獲取

所有患者均采用頭頸肩熱塑膜進行體位固定，雙臂平放于身體雙側，在自由呼吸下使用CT 掃描。CT掃描范圍為眼眶上緣到鎖骨頭下緣2 cm，掃描層厚為2.5 mm。由本院放療科同一醫師參照國際輻射單位及測量委員會（ICRU）83 號報告進行勾畫。依據影像學檢查結果勾畫鼻咽原發腫瘤區（Planning Gross Target Volume Nasopharynx，PGTVnx）和頸部轉移淋巴結（Planning Gross Target Volume of Node，PGTVnd）。 鼻咽癌原發灶高危亞臨床靶區（Planning Clinical Target Volume 1，PCTVp1），鼻咽癌中危亞臨床靶區（Planning Clinical Target Volume 2，PCTVp2） 外擴。PCTVp1+PCTVp2生成靶區的橫向最大寬度為18.3～23.1 cm。對PGTVnx、PGTVnd、PCTVp1和PCTVp2分別給予69 Gy/30F、69 Gy/30F、60 Gy/30F 和54 Gy/30F 的劑量。OAR 勾畫包括腦干、脊髓、視神經、視交叉、顳葉、垂體、腮腺、下頜骨、晶體、顳頜關節、喉、口腔。

1.3 計劃設計

本研究加速器為EDGE（Varian 公司，美國），MLC 為高精度和高強度 MLC。其中有32 對0.25 cm 多葉光柵，28 對0.50 cm 多葉光柵，調強放射治療及容積調強放射治療（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）可執行的最大射野尺寸為40 cm×22 cm，射線能量為6 MV X 射線，劑量率為600 MU/min。采用Eclipse v15.6 計劃系統（Treatment Planning System，TPS）進行設計。所有病例共210 組計劃，均采用單中心雙弧照射。其中，Arc-1 為順時針旋轉從181°到179°，準直器為5°；Arc-2 為逆時針旋轉從179°到181°，準直器為355°；優化前勾選Jaw tracking 模塊，計算網格選取0.25 cm，優化算法為光子優化算法，劑量計算選取各向異性算法。

1.4 機器性能驗證誤差分析

將2021 年1 月至2022 年8 月的EDGE 機器性能驗證（Machine Performance Check，MPC）導出，提取MLCerror參數進行分析。所有的MLCerror均小于1.0 mm，有92.9% 的MLCerror小于0.5 mm，46.5% 的MLCerror小于0.2 mm。因此，本文實驗組設置為±0.2、±0.5、±1.0 mm（圖1）。

圖1 加速器每日MLCerror頻數統計

1.5 MLCerror誤差模擬

將30 例患者的原始計劃的DICOM 文件導出，使用Python 3.8 編寫程序并讀取每個射野控制點的MLC 葉片位置信息。對每個控制點分別引入同向或反向運動誤差，變化幅度分別為±0.2、±0.5、±1.0 mm，再將修改文件導入TPS 中重建計劃并計算劑量，每個病例共產生7組計劃，共210 個計劃。MLCerror示意圖如圖2 所示。

圖2 MLCerror示意圖

1.6 計劃評估與分析

為方便統計，本文將PGTVnx與PGTVnd通過布爾運算整合為PTV69。評估PTV69、PCTVp1和PCTVp2的平均劑量Dmean。

本文選取代表性OAR 進行評估，包括口腔評估Dmean，左側腮腺、右側腮腺、喉評估Dmean與V30，腦干、脊髓評估最大劑量Dmax。劑量偏差的計算方式如公式（1）所示。

式中，Dbias為兩組計劃劑量偏差；MLC 為計劃MLC 運動誤差， 取值±0.2、±0.5、±1.0 mm；為存在MLC 運動誤差的計劃劑量；為原始計劃劑量。

子野平均面積的計算方式如公式（2）所示。

式中，MAA 為射野平均面積；n為當前射野編號；N為當前計劃的射野數（N=2）；i為控制點編號；J為每個射野的控制點數（J=178）；為第n個射野的第i個控制點的子野面積。

所有計劃均在Portal Dosimetry 模塊中計算通量分布。伽馬通過率參考TG218 號報告，評判標準為3 mm/2%，劑量閾值為10%，計劃伽馬驗證通過率≥90%。

1.7 統計學分析

2 結果

2.1 MLCerror對靶區及OAR劑量的影響

7 組計劃的MLCerror與劑量對照表如表1 所示。隨著MLCerror變化，靶區Dmean和OAR 的Dmean及V30均呈現增長趨勢，且差異具有統計學意義（P＜0.05）。

表1 MLCerror對靶區及OAR的劑量影響（±s）

表1 MLCerror對靶區及OAR的劑量影響（±s）

注：PTV69：計劃靶區；PCTVp1：原發灶高危亞臨床靶區；PCTVp2：中危亞臨床靶區；Dmean：平均劑量；Dmax：最大劑量；V30：接受30 Gy的劑量體積占總體積的百分比。

結構名稱 參數-1.0 mm-0.5 mm-0.2 mm0 mm0.2 mm0.5 mm1.0 mmF值P值PTV69Dmean/Gy 66.06±1.52 68.14±1.36 69.42±1.32 70.28±1.33 71.16±1.36 72.45±1.46 74.58±1.69 198.50 ＜0.001 PCTVp1 Dmean/Gy 58.41±1.15 60.25±0.87 61.37±0.75 62.12±0.69 62.88±0.67 64.00±0.72 65.85±0.93 169.70 ＜0.001 PCTVp2 Dmean/Gy 52.20±1.20 54.23±0.93 55.25±0.80 56.08±0.75 57.60±0.72 57.57±0.77 59.28±0.97 149.10 ＜0.001脊髓Dmax/Gy 35.46±3.10 37.18±3.00 38.34±2.93 39.15±2.89 40.03±2.88 41.40±2.90 43.76±2.98 19.74 ＜0.001腦干Dmax/Gy 43.37±5.12 45.46±5.18 46.82±5.27 47.81±5.36 48.88±5.47 50.50±5.68 53.40±6.11 9.50 ＜0.001左側腮腺Dmean/Gy 21.20±0.79 22.53±0.67 23.38±0.60 23.97±0.57 24.58±0.56 25.52±0.58 27.12±0.73 252.20 ＜0.001 V30/% 15.22±3.82 18.86±3.82 21.22±3.84 22.85±3.85 24.61±3.90 27.37±3.99 32.13±4.24 58.26 ＜0.001右側腮腺Dmean/Gy 21.03±0.83 22.32±0.69 23.13±0.64 23.68±0.62 24.28±0.64 25.19±0.73 26.73±0.97 179.20 ＜0.001 V30/% 12.56±3.88 16.47±3.75 19.02±3.72 20.82±3.75 22.77±3.84 25.80±4.11 31.05±4.85 67.06 ＜0.001口腔Dmean/Gy 27.89±4.49 29.06±4.50 29.79±4.51 30.29±4.51 30.79±4.51 31.55±4.51 32.82±4.51 3.67 ＜0.001喉Dmean/Gy 28.14±2.05 29.72±1.80 30.72±1.64 31.43±1.53 32.18±1.42 33.32±1.31 35.24±1.24 60.35 ＜0.001 V30/% 38.59±11.30 45.87±9.19 50.64±7.84 53.89±7.27 57.20±7.00 61.83±6.89 68.71±7.10 43.02 ＜0.001

不同MLCerror下的Dmean偏差變化圖如圖3 所示。PTV69的Dmean在不同MLCerror中的劑量梯度為6.1 %/mm，PCTVp1的Dmean的劑量梯度為6.0 %/mm，PCTVp2的Dmean的劑量梯度為6.3 %/mm，脊髓的Dmax的劑量梯度為10.6 %/mm，腦干的Dmax的劑量梯度為10.5 %/mm，左側腮腺的Dmean的劑量梯度為12.3 %/mm，右側腮腺的Dmean的劑量梯度為12 %/mm，口腔的Dmean的劑量梯度為8.1 %/mm；喉的Dmean的劑量梯度為11.2 %/mm。

圖3 不同MLCerror下的劑量偏差

2.2 MLCerror和MAA對驗證通過率的影響

MLCerror和MAA 對計劃驗證通過率的影響如圖4所示，各個原計劃（0 mm）子野面積差異對驗證通過率的影響較?。?7.1%～99.9%）。隨著MLCerror的增加，不同MAA 的計劃間的驗證通過率差異顯著增加；當MLCerror達到±1.0 mm 時，不同射野面積計劃的驗證通過率差異最大（51.7%～90.2%）。

圖4 MAA與MLCerror對計劃驗證通過率的影響

3 討論

MLCerror分為系統誤差和隨機誤差，其中系統誤差對整體的劑量影響較大。傳統的適形野MLC 系統誤差主要影響靶區的邊緣劑量分布，對中心劑量的影響較小。在容積調強投照過程中，MLC 在每個控制點形成多個不同形態的強度調制子野。因此，MLC 系統誤差對容積調強放療中靶區的積分劑量的影響高于適形放療，成為靶區劑量分布的重要影響因素。

張朋等[10]、袁青青[11]、Wang 等[12]的研究中將±2.0 mm 作為分析MLCerror的范圍，探究MLCerror對不同位置的腫瘤（鼻咽癌，宮頸癌及前列腺癌）的劑量影響。上述研究中，MLCerror的上限高于TG142 報告中針對MLCerror的質控要求[6]。Boylan 等[13]認為，連續劑量率變化的MLCerror應小于0.6 mm。Nithiyanantham等[14]則對MLC 的位置精度提出更高的要求，建議控制在0.5 mm 以內。本研究結合日常加速器的MPC 數據分析，認為EDGE加速器最大MLCerror小于1.0 mm。因此，本文設置實驗組時并未考慮MLCerror＞1.0 mm 的情況。

研究發現，因MLCerror造成靶區（PTV69、PCTVp1和PCTVp2）劑量偏差為6.0 %/mm～6.3 %/mm，小于OAR 的劑量偏差8.1 %/mm～44.4 %/mm，表明MLCerror對臨近OAR 的影響大于對靶區的影響。而各個臨近靶區的OAR（腦干、脊髓、腮腺、口腔和喉）隨著MLCerror的變化存在差異，此種差異可能受靶區與OAR的相對位置關系、形狀體積和處方劑量限值等因素影響[15]。針對劑量差異、射野面積大小與MLC 系統誤差三者的關系，Moon 等[16]發現，隨著子野寬度降低，劑量偏差增加，前列腺癌容積調強計劃的驗證通過率下降。楊繼明等[17]更進一步分析了不同腫瘤靶區劑量敏感度與平均子野寬度之間的關系，發現鼻咽癌容積調強平均劑量偏差與平均子野寬度成反比，與MLC 系統誤差成正比。本文中使用的Eclipse 計劃系統優化參數未配置子野寬度限制選項，但可根據臨床需求更改Eclipse 計劃系統中的射束形態控制器限制子野面積[18]。本研究發現，-0.2 mm＜MLCerror＜0.2 mm 計劃的驗證通過率均滿足TG218報告的需求（＞90%）。當MLCerror達到±0.5 mm時，僅當MAA ＞5000 mm2的計劃驗證通過率＞90%；當MLCerror達到±1.0 mm 時，僅有部分MAA＞8000 mm2的計劃驗證通過率＞90%。上述結果表明，當射束中含有較多小子野計劃及立體定向放射治療計劃時，MLCerror＜1.0 mm僅能作為臨床質控的下限，而非金標準。對于復雜計劃則需要盡可能將MLCerror控制在＜0.5 mm 范圍內，以滿足臨床質控需求。除此之外，提高大野的使用并降低小野的使用率是降低MLCerror對投照劑量影響的重要方法。關于子野面積大小對計劃的影響，李光俊等[19]研究了計劃復雜度與γ 通過率的相關性，發現復雜的VMAT計劃往往與計劃MU、射野面積大小相關。Huang 等[20]在研究中發現，子野面積與驗證通過率呈正比關系。在對鼻咽癌子野面積的研究[17]中發現，降低投照射野中子野面積＜9 cm2所占的百分比后能顯著提高計劃驗證通過率。

綜上所述，MLCerror對靶區的影響小于OAR 的影響，控制MLCerror更有利于對OAR 的保護；在相同的MLCerror下，更大的子野面積有助于降低因MLC 系統誤差造成的通過率下降。因此，對于鼻咽癌等復雜的放療計劃，本文建議將MLCerror精度控制在0.5 mm 以內并降低小子野使用率，以保護OAR，保證計劃執行的精確度。