调强放射治疗(IMR)现已成为鼻咽癌放射治疗的常规技术,且临床应用效果已得到认可^[1]。IMR实施过程利用多叶准直器(MLC)分为若干子野,MLC的到位精度在更大程度上直接影响靶区和危及器官受量,研究表明叶片到位误差可能导致靶区欠量/或危及器官超量^{[2, 3]}。鼻咽癌靶区复杂、周围重要器官密布,因此,最适于进行调强放疗。而MLC到位精度带来的误差对其产生的影响就更大。因此,本研究模拟分析叶片位置误差对鼻咽癌调强放疗靶区和危及器官受量的影响。

1. 材料:本研究采用美国Philips公司的 Pinnacle³ V 9.2计划系统,使用直接子野优化算法(direct machine parameter optimization,DMPO);瑞典Elekta Synergy加速器,该加速器配有40对等中心宽度为1 cm的多叶准直器。

2. 病例选择:采用随机数字表法选取山东省肿瘤医院2013年12月至2014年2月间收治的10例鼻咽癌患者IMR计划。处方剂量设置:鼻咽部肿瘤区及肿大淋巴结的计划靶体积PGV为66 Gy (2.2 Gy×30次),高危临床靶区PV₁为60 Gy(2.0 Gy×30次);预防照射区PV₂为54 Gy(1.8 Gy×30次)。

3. 位置误差引入及计划设计:提取Philips Pinnacle³ V 9.2计划系统中每个原计划的plan.rail 文件,使用Fortran编写程序读取并修改所有子野叶片位置信息,将原计划所有的子野人为引入叶片在等中心处的位置误差:随机误差是将每个子野叶片随机引入-2~2 mm的位置误差;系统偏移误差通过叶片的同向运动模拟,幅度为2、1和0.5 mm,子野面积大小不变;系统外扩或内收系统误差通过叶片的反向或相向运动模拟,幅度为±2、±1 和±0.5 mm,子野面积增大或减少。将修改的计划文件导入计划系统,重新计算得到新的剂量分布。每个病例产生10个含有不同叶片位置误差信息的计划,模拟叶片随机误差、偏向一侧的系统位置误差、内收及外扩的系统位置误差。

4. 评价指标:针对每个病例原计划及包含叶片位置误差的10个模拟计划,分别评价靶区(PGV、PV₁和PV₂)的D_95%和D_5%变化量,其中D_x%表示x%的体积所接受的照射剂量,危及器官脊髓和脑干的D_0.1cc、两侧腮腺平均剂量D_mean的变化量。

5. 统计学处理:数据以x±s表示,利用SPSS 17.0软件对原计划和10个模拟计划结果分别进行配对t检验。P<0.05为差异有统计学意义。

1. 叶片位置误差对靶区剂量的影响:叶片不同位置误差对靶区剂量影响的结果列于表 1。由表 1可知,叶片随机误差对靶区受量的影响不明显,2 mm范围内的叶片偏移误差对靶区受量的影响不明显,计划靶区(PGV、PV₁及PV₂)D_95%最大改变量为(-0.92±0.51)%、(1.00±0.24)%和(0.62±0.17)%。叶片外扩及内收误差值越大对靶区D_95%及D_5%的改变量越大。

表 1(Table 1)

表 1 叶片位置误差对靶区受量的影响(%,x±s)

表 1 叶片位置误差对靶区受量的影响(%,x±s)

2. 模拟计划靶区受量与原计划同参数间的差异:叶片2 mm范围内的随机误差和偏移位置误差对靶区受量的影响不明显,差异均无统计学意义(P>0.05)。叶片外扩及内收误差增加,对靶区剂量的改变量D_95%及D_5%的改变量越大。误差为0.5 mm时,其造成的剂量体积指标与原计划相比差异具有统计学意义(t=-4.27~9.82,P<0.05)。当叶片外扩2 mm时,与原计划相比,模拟计划的PGV、PV₁和PV₂的D_95%和D_5%变化量分别为(1.92±0.36)%、(2.57±0.62)%、(4.79±0.82)%、(4.34±0.99)%、(4.78±0.73)%和(4.80±0.75)%,差异具有统计学意义(t=8.97、10.97、9.74、7.30、6.04、3.04,P<0.05)。

3. 叶片位置误差对危及器官剂量的影响:不同叶片位置误差对危及器官剂量影响的结果列于表 2。由表 2可知,叶片随机误差对危及器官受量的影响不明显,2 mm范围内的叶片偏移误差对危及器官受量的影响不明显,脊髓及脑干D_0.1cc最大改变量为(1.90±2.80)%和(-1.78±1.42)%,左右腮腺D_mean最大改变量为(1.36±1.23)%和(-2.25±2.04)%。叶片外扩及内收误差值越大对腮腺D_mean、脊髓及脑干D_0.1cc改变量越大。

表 2(Table 2)

表 2 叶片位置误差对危及器官受量的影响(%,x±s)

表 2 叶片位置误差对危及器官受量的影响(%,x±s)

4. 模拟计划与原计划危及器官受量参数差异:叶片2 mm范围内的随机误差和偏移误差对危及器官受量的影响不明显,差异均无统计学意义(P>0.05)。内收和外扩位置误差对腮腺的影响最大,与原计划相比,叶片外扩2 mm时,左右腮腺平均剂量的改变量为(12.75±2.02)%和(13.97±2.17)%,差异具有统计学意义(t=7.12、4.25,P<0.05)。

鼻咽癌患者计划靶区的形状复杂、危及器官多,且靶区与危及器官毗邻关系复杂,IMR技术通过使用较多的子野,合成强度分布不均匀的射野,能够在达到适形度高、靶剂量均匀的同时更好地保护危及器官^{[4, 5]}。IMR技术实施的剂量学优势得益于束流的调整和MLC 的应用,在患者实际治疗时,MLC的到位精度是决定IMR实现与否的关键因素,MLC到位误差会造成计划剂量分布发生一定程度的全局或局部的变化。所以,调强放疗优势的体现离不开MLC到位精度的准确实施。

造成MLC到位误差的物理因素有:叶片到位的重复性、重力因素、叶片校准程序和光野射野一致性等^[2]。Clarke和Budgell^[6]使用EPID分析0°机架角下,MLC叶片的到位重复性优于0.24 mm,当机架不在0°,MLC叶片受到重力影响后,叶片的到位误差与0°相比最大偏移增量为0.11倍。同样,有相关研究使用加速器动态日志文件来检测叶片到位精度^{[7, 8]}。叶片位置误差也与叶片运动速度有关,Ramsey等^[9]使用MLC记录文件分析了Varian 2100C/D在旋转调强时,叶片的位置误差范围0.3~2.1 mm,叶片运动速度越大到位误差越大。对于旋转调强,剂量率变化方式同样影响叶片的到位误差,Boylan等^[10]研究认为连续式变化剂量投照方式下,叶片到位误差比阶梯式跃变方式小,对于鼻咽癌计划,连续剂量率变化方式叶片平均到位误差为0.6 mm,而阶梯式跃变方式为1.3 mm。本研究所模拟的叶片位置误差设置在±2 mm之内,以期能够模拟计划实际执行时叶片的到位误差情况。

在整个放疗过程中,肿瘤可能出现消退或者肿胀,靶区相对于照射野的变化对应文中模拟的子野外扩和内收,结果表明,使用原始计划中的子野序列照射变化的靶区,正常组织可能会受到过量的照射或者靶区出现欠量。

调强优化算法不同,优化得到的叶片序列会有差别,子野的面积及数目也会不同。Qi和Xia^[11]分析了直接子野优化算法(direct aperture optimization,DAO)和DMPO设计的鼻咽癌计划,研究表明,DMPO算法优化的子野面积大多接近优化初始所设置的最小子野面积,如果MLC叶片存在系统误差,当子野面积越小时,由误差带来的子野面积的改变量就越大。因此,本研究使用DMPO剂量优化算法,结果显示,叶片外扩或内收位置误差对靶区和危及器官受量的影响显著,外扩或内收位置误差越大,对靶区和危及器官受量的影响也越大,即使0.5 mm的叶片外扩或内收误差可造成靶区和危及器官受量显著的变化。

Mu等^[2]分析表明,叶片随机误差对鼻咽癌调强计划影响不显著,叶片系统外扩及内收的位置误差对计划影响明显。本研究结果与其研究结论基本一致,显示叶片偏移误差由于射束的角度补偿对靶区和危及器官的影响并不显著,而叶片外扩及内收造成每个子野面积的改变,对计划剂量的影响显而易见。本研究更进一步对该类误差进行了定量分析,其中腮腺受量对该类误差最为敏感,分析原因可能为腮腺靠近靶区且位于剂量跌落区。

针对叶片位置误差对计划中心点剂量的影响,Garcia-Vicente等^[12]分析结果认为叶片系统位置误差为1 mm时,前列腺癌和鼻咽癌计划中心点剂量分别增加2.1% 和4.1%。Bai等^[3]分析表明准直器及加速器机架角度＜0.5°时,误差对鼻咽癌调强放疗剂量分布影响不明显。

针对叶片位置误差对旋转调强计划剂量的影响,Oliver等^[13]分析了前列腺容积旋转调强(VMA)[JP]计划中MLC叶片偏移位置误差、开合误差对等效均匀剂量(EUD)的影响,研究认为VMA计划叶片偏移误差对EUD影响为-1.0%/mm,叶片外扩对EUD影响为8.2%/mm,叶片内收对EUD影响为-7.2%/mm。Kim等^[14]研究MLC位置误差对肺部SBR VMA计划的影响时,发现叶片外扩及内收对肺、心脏及脊髓的受量影响较大,当叶片外扩0.5 mm时双肺V_12.4和V_11.6分别增大了33.1% 和9.3%,脊髓及心脏的最大剂量分别增加了3.5% 和9.3%。叶片外扩及内收的位置误差对于容积旋转调强计划的影响同样较明显。

综上所述,叶片位置<2 mm的随机误差对于剂量的影响很小,叶片外扩及内收的误差对剂量分布影响较大,调强放疗中针对MLC叶片位置系统误差的质量控制尤为重要,建议对加速器叶片执行记录文件进行定期的分析,提示在放疗过程中应当以个体化放疗的思想、自适应放疗的方法去监测肿瘤及其周围正常组织解剖结构的变化,及时调整放疗方案,以提高放疗精度。