无均整器(FFF)射束在临床放射治疗中得到越来越多的应用^{[1, 2, 3]}。与传统均整器(FF)射束相比,FFF射束降低了机头散射、射野外的剂量和多叶准直器(MLC)之间的透射^{[4, 5]},特别是FFF射束的出束速率得到显著提高,跳数最高可达2 400/min,大大缩减了射束的投照时间,降低了患者在治疗过程中靶区运动对剂量投递的影响^{[6, 7, 8]}。但是,更高的剂量率意味着需要更快的MLC运动速率,使MLC的到位精度增加更多的不确定性^[6]。MLC到位精度对FF射束IMRT和容积调强弧形放疗(VMAT)计划的剂量学影响已有广泛研究^{[9, 10, 11, 12]},但是MLC到位精度对FFF射束IMRT计划是否会造成同样的剂量学影响,目前报道甚少。本研究通过人为引入MLC到位偏差,研究MLC整体到位偏差对FF和FFF射束鼻咽癌IMRT计划的剂量学影响的比较。

材料与方法

1. 患者选择与计划设计:选择2013年9月到2014年2月在本院使用Truebeam直线加速器(美国Varian公司)治疗的鼻咽癌患者10例。使用Eclipse 10.0计划系统(美国Varian公司)设计FF和FFF两档X射线模式的IMRT计划。两种射线模式的IMRT计划的射野角度分别为153°、102°、51°、0°、309°、258°和207°。加速器出束速率均选择600 MU/min,剂量计算模型为各项异性解析算法(AAA)模型,计算网格为0.25 cm×0.25 cm×0.25 cm。

所有计划的设计均具有相同的处方条件和器官限值,70 Gy的剂量至少包绕95%以上PGTV,60 Gy的剂量至少包绕95%以上的PTV,脊髓D_max < 40 Gy,脑干D_max < 54 Gy,腮腺D_mean < 26 Gy或V₃₀ < 50%。

2. MLC到位偏差模拟:动态IMRT患者治疗过程中,MLC的运动是由每个射野的MLC文件控制的,MLC文件包含一系列的控制点,而每个控制点又包含所有MLC叶片的位置信息。为模拟MLC到位偏差,本研究编写了基于VS2010平台的MLC修改程序。提取FF和FFF计划(参考计划)的MLC文件,将其在自编程序中运行,获得新的MLC文件,然后将新的MLC文件重新导入原始计划,重新计算,获得新的剂量分布,将重新计算生成的计划称为测试计划。相对于参考计划,测试计划主要模拟了0.5和1 mm两种偏移量的3种MLC整体到位偏差,两侧MLC都相向偏移,导致照射面积减小;两侧MLC都反向偏移,导致照射面积增大;两侧MLC都向MLC运动方向偏移,照射面积不变,但向一侧平移。

通过MLC到位偏差模拟,每个参考计划(FF和FFF计划)又新生成了6个测试计划(每种MLC到位偏差,模拟了两个偏移量),因此,10例患者最终有140个计划。

3. 计划评估:用剂量体积直方图统计计划大体肿瘤体积(PGTV)和PTV的D_95%、D_mean、D_max,脊髓和脑干的D_max、左右腮腺的D_mean。用公式(1)计算测试计划和参考计划统计参数的相对百分剂量变化:

式中,D_test表示测试计划的剂量,Gy;D_ref表示参考计划的剂量,Gy。

4. 统计学处理:数据以±s表示。用SPSS 19.0软件对FF组和FFF组的相对百分剂量变化行配对t检验或Wilcoxon符号秩检验。P < 0.05为差异有统计学意义。

结 果

1.MLC整体闭合和扩大时剂量学影响:表1和表2分别给出了当MLC整体闭合和扩大时,FF和FFF两组计划的各个器官的相对百分剂量变化值,可看出,两组(FF和FFF)计划的剂量学影响较大,基本上所有器官都产生了>5%的相对百分剂量变化,当MLC产生1 mm的位移偏差时,相对百分剂量偏差都在10%以上,但是两组计划的所有统计参数的相对百分剂量变化趋势一致。从表1还可得出,当MLC整体闭合时,FFF计划的PTV的D_95%对相同位移的MLC整体到位偏差表现出更高的敏感性(t=3.298、3.798,P < 0.05),左、右侧腮腺的D_mean也表现出了更高的敏感性(t=4.357、4.727和3.990、4.793,P < 0.05),其余参数差异无统计学意义(P > 0.05)。

表1()

表1 10例患者MLC整体闭合时不同偏差位移两种计划模式和危及器官的相对百分剂量变化(%,±s)

表1 10例患者MLC整体闭合时不同偏差位移两种计划模式和危及器官的相对百分剂量变化(%,±s)

表2()

表2 10例患者 MLC整体扩大时不同偏差位移两种计划模式和危及器官的相对百分剂量变化(%,±s)

表2 10例患者 MLC整体扩大时不同偏差位移两种计划模式和危及器官的相对百分剂量变化(%,±s)

2. MLC整体平移时剂量学影响:如表3所示,MLC整体向运动方向平移时,两组计划的所有统计参数的相对百分剂量变化趋势与上述两种情况一致,但是造成的剂量学影响较小。FFF计划的PGTV的D_mean和PTV的D_95%、D_mean对相同位移的MLC到位偏差表现出更高的敏感性(t=2.942~6.844,P < 0.05),左侧腮腺的D_mean也表现出了更高的敏感性(t=2.923、2.372,P < 0.05),但右侧腮腺的D_mean却表现出了较低的敏感性(t=-4.049、-3.378,P < 0.05),其余参数差异均无统计学意义(P > 0.05)。

表3()

表3 10例患者 MLC整体平移时不同偏差位移两种计划模式和危及器官的相对百分剂量变化(%,±s)

表3 10例患者 MLC整体平移时不同偏差位移两种计划模式和危及器官的相对百分剂量变化(%,±s)

讨 论

本研究通过自编程序模拟了3种MLC整体系统到位偏差对FF和FFF计划的剂量学影响,发现当MLC整体闭合或扩大时,MLC形成的照射面积会相应的减小或增加,最终导致辐射剂量的降低或升高,所以FF和FFF两组计划的所有器官都产生较大的剂量学影响^[10],但是当MLC整体平移时,照射面积却保持不变,因而对治疗计划的剂量学影响要远小于MLC整体闭合和扩大时。相对靶区,两组计划中脑干的相对百分剂量变化的趋势最大,这是由于脑干紧邻靶区,需要较高的剂量梯度所致。

Mu等^[10]指出,当MLC整体闭合或减小1 mm时,简单计划( < 50个子野)和复杂计划(>100个子野)的PTV的D_95%的平均相对百分剂量变化分别为4%和8%,0.1 cm³体积脊髓的平均相对百分剂量变化分别为4%和12%。本研究中,两组计划中PTV的D_95%和脊髓的D_max的平均相对百分剂量变化分别为11.6%和13.3%,稍大于Mu等^[10]的结果。这是由于本研究应用的是Varian的Eclipse计划系统,采用的是动态滑窗技术,每个照射野都有上百个控制点,而Mu等^[10]采用的是Pinnacle计划系统的静态子野调强,控制点相对较少,因此,MLC到位偏差对计划的剂量学影响也较小。研究结果也表明,相对于静态子野调强,动态MLC调强放疗计划需要更加严格的MLC质量控制工作。

为研究各器官的相对百分剂量变化与MLC到位偏差偏移量的关系,本研究结果显示,当MLC整体闭合或扩大0.3 mm的位移偏差时,两组计划中PGTV和PTV的D_95%时平均相对百分剂量变化为3.4%和3.5%,发现随着MLC位移偏差量的增大,两组计划各个器官的相对百分剂量变化也成线性增加趋势,这一结果与Rangel和Dunscombe^[11]的研究结果一致。

当MLC发生整体到位偏差时,两组计划的所有器官的相对百分剂量都表现出一致的变化趋势,但当MLC整体闭合时,FFF计划的PTV的D_95%和两侧腮腺的D_mean都对MLC到位偏差表现出更高的敏感性,MLC整体平移时,FFF计划的PGTV的D_mean、PTV的D_95%、D_mean和左侧腮腺的D_mean对MLC到位偏差表现出更高的敏感性,然而右侧腮腺的D_mean却表现出了较低的敏感性。研究结果表明,靶区剂量的变化更容易受到不同射束模型的影响,Zhuang等^[1]就指出相对于FF的鼻咽癌计划,FFF计划有更好的靶区适形度,靶区更容易获得较高剂量。而由于FFF射束降低了射野外的剂量,特别是对照射野边缘的腮腺有更好的保护,所以,FFF组计划的腮腺对MLC整体到位偏差有时会表现出较高的敏感性。

总之,MLC整体到位偏差对FF和FFF计划造成的剂量学影响并没有明显差异,但在照射野边缘的器官或体积较大的器官,相比于FF计划,FFF计划对MLC整体到位偏差表现出更高的敏感性,这表明FFF计划对MLC的质量保证工作有更高的要求。