不同系统摆位误差对鼻咽癌双弧VMAT及动态IMRT计划中剂量分布影响的比较

2017-04-20平赖名耀罗龙辉吴伟蔡林波

中国医学装备 2017年4期

戴鹏张平赖名耀罗龙辉吴伟蔡林波*

戴鹏①张平①赖名耀①罗龙辉①吴伟①蔡林波①*

目的：比较不同系统摆位误差对鼻咽癌双弧容积调强弧形治疗(VMAT)计划及动态调强放射治疗(IMRT)计划中剂量分布的影响。方法：选取6例鼻咽癌患者，分别设计双弧VMAT计划及动态IMRT计划，在计划系统中将治疗中心向患者左右、腹背及头足方向各平移3 mm和5 mm，模拟两种系统摆位误差。将模拟误差后的计划与原计划进行比较，观察两种放射治疗技术在不同误差下，对靶区及主要危及器官剂量分布的影响。结果：双弧VMAT计划与动态IMRT计划比较，3 mm误差下肿瘤体积(GTV)D98的变化差异无统计学意义(t=-0.402，P＞0.05)；5 mm误差下，变化差异亦无统计学意义(t=-0.125，P＞0.05)；而临床靶区(CTV)D95的变化双弧VMAT计划较动态IMRT计划大，误差为5 mm时差异有统计学意义(t=3.572，P＜0.05)；腹背及头足方向为甚，最大变化为CTV D95较原计划降低5%。危及器官方面，在相同误差下，脑干及眼晶状体Dmax的变化，动态IMRT计划较双弧VMAT计划大；脊髓Dmax及腮腺D50的变化，动态IMRT计划与双弧VMAT计划比较差异不明显；同一误差下，危及器官剂量变化较靶区更明显；最大增幅接近50%。结论：双弧VMAT计划对于摆位误差的敏感性较动态IMRT计划高，对于脑干及眼晶状体的保护优于动态IMRT计划。摆位误差导致危及器官的过量照射较靶区欠量更明显。在鼻咽癌调强放射治疗中，若摆位误差＞2 mm，需进行误差纠正，确保放射治疗的精确性，减少危及器官的误照。

鼻咽癌；摆位误差；剂量分布；调强放射治疗；容积调强弧形治疗

戴鹏,男,(1981- ),硕士，主治医师。广东三九脑科医院肿瘤综合治疗中心，从事头颈肿瘤放射治疗剂量学研究。

目前，临床上鼻咽癌调强放射治疗(intensity modulated radiation therapy，IMRT)计划的常用设计模式为360。均分9野，无论从计划的适形度还是剂量均匀度均能很好满足临床要求。而双弧容积调强弧形治疗(volumetric modulated arc therapy，VMAT)技术则是在常规调强的基础上将机架运动速度、照射剂量率及准直器角度都纳入为计划优化的条件，增加治疗的自由度，以生成高度适形的剂量分布，其治疗时间及机器跳数均较动态IMRT技术明显减少[1]。由于大量参数的引入，双弧VMAT计划优化工作量很大，对于双弧VMAT计划的质量保证更严格[2]。精确的治疗摆位是最大程度发挥调强放射治疗优越性的关键性步骤之一。有研究表明，双弧VMAT计划较动态IMRT计划在剂量学分布上更有优势，对于鼻咽癌等头颈部肿瘤，以及胶质瘤、脑转移瘤等均具有治疗快速、安全及精准的特点[3-4]。本研究通过模拟不同系统摆位误差，比较分析其对双弧VMAT计划与动态IMRT计划中剂量分布的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料

随机选取2016年1-5月广东三九脑科医院肿瘤综合治疗中心收治确诊为鼻咽癌的6例患者的鼻咽部定位CT图像，其中男性5例，女性1例；年龄35～56岁，中位年龄43岁；T3期4例，T4期2例。

1.2 仪器与材料

20层大孔径螺旋CT模拟定位机(SOMATOM Definition AS，德国西门子)；Eclipse计划系统(11.0版本，美国瓦里安)；V型插拔式头颈肩膜(广州科莱瑞迪)。

1.3 研究方法

1.3.1 CT定位及靶区勾画

所有患者取仰卧位，采用真空垫加头颈肩热塑膜固定，做好体表标记，使用大孔径CT模拟定位机对患者行CT扫描，层厚3 mm，扫描的CT图像传至Eclipse计划系统。由医生勾画靶区和危及器官。

1.3.2 计划设计

所有计划均采用同步加量调强技术，均使用TPS进行逆向优化设计动态IMRT计划和双弧VMAT计划(IMRT和VMAT)。IMRT采用9个360°范围内均分机架角度的共面调强射野，准直器依据规避眼晶状体位置进行适当角度旋转。VMAT使用共面双弧射野，181°顺时针旋转至179°，准直器10°；179°逆时针旋转至181°，准直器350°。两种计划的剂量约束条件和优化参数相同，均采用AAA算法。95﹪计划靶区满足相应处方剂量要求。正常组织限量值：脊髓＜45 Gy，脑干＜54 Gy，腮腺D50＜35 Gy，眼晶状体＜7 Gy，视交叉＜54 Gy，颞颌关节＜70 Gy，颞叶＜60 Gy，眼球＜30 Gy。

1.3.3 模拟系统误差

在计划系统中，通过移动治疗等中心的方式将治疗靶区分别向患者腹背、左右及头足方向各分别移动3 mm 和5 mm，复制原计划，不进行通量优化，直接计算剂量分布，模拟系统摆位误差。在每例患者原IMRT和VMAT基础上，生成24个计划，共计26个计划。所生成的放射治疗计划，均不作为实际执行治疗计划用，仅用于试验参数比较。

1.4 剂量学参考指标

比较分析参数为：GTV D98(98﹪体积受照剂量)；CTV D95(95﹪体积受照剂量)；脑干、脊髓及眼晶状体最大剂量(Dmax)；腮腺50﹪体积受照剂量(D50)。剂量变化=|(D系统误差-D原计划)|/D原计划×100﹪。

1.5 统计学方法

采用SPSS16.0版统计软件进行数据分析。数据以均数±标准差(x-±s)表示。两均数比较采用配对t检验，多个均数比较采用单因素方差分析，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区受照剂量变化

系统摆位误差下，VMAT及IMRT中GTV及CTV各个方向上均存在欠量，主要以腹背及头足方向较大。GTV D98(3 mm误差)：最大幅度IMRT为1.47﹪；VMAT为0.63﹪；GTVD98(5 mm误差)：最大幅度IMRT为3.65﹪；VMAT为3.53﹪。CTV D95(3 mm误差)：最大幅度IMRT为1.82﹪；VMAT为2.29﹪。CTV D95(5 mm误差)：最大幅度IMRT为4.25﹪；VMAT为5.01﹪。3 mm误差对GTV D98的剂量变化的影响，VMAT与IMRT比较差异无统计学意义(t=-0.402，P＞0.05)；5 mm误差对GTV D98的剂量变化的影响，VMAT与IMRT比较差异无统计学意义(t=-0.125，P＞0.05)；而CTV D95的剂量变化VMAT较IMRT大，误差达到5 mm时，差异有统计学意义(t=3.576，P＜0.05)，见表1。

表1 摆位误差导致VMAT和IMRT计划靶区剂量变化的比较(%，±s)

2.2 主要危及器官受照剂量变化

系统摆位误差导致等中心偏向危及器官所在位置时，各危及器官受照剂量均增加。脑干及脊髓Dmax(3 mm误差)：最大增幅IMRT分别为26.3﹪和22.55﹪；VMAT分别为23.88﹪和21.23﹪；脑干及脊髓Dmax(5 mm误差)：最大增幅IMRT分别为45.02﹪和45.67﹪；VMAT分别为39.51﹪和43.85﹪。眼晶状体Dmax(3 mm误差)：最大增幅IMRT为26.1﹪；VMAT为17.59﹪；眼晶状体Dmax(5 mm误差)：最大增幅IMRT为43.82﹪；VMAT为25.37﹪。

腮腺分布于鼻咽癌靶区两侧，左右方向误差对其影响最大。腮腺D50(3 mm误差)：最大增幅IMRT为26.83﹪，VMAT为28.69﹪；腮腺D50(5 mm误差)：最大增幅IMRT为48.25﹪，VMAT为47.73﹪。

脑干Dmax在3 mm和5 mm误差下，VMAT较IMRT变化小，差异有统计学意义(t=-2.687，t=-2.850；P＜0.05)。眼晶状体Dmax在3 mm和5 mm误差下，VMAT较IMRT变化小，差异有统计学意义(t=-2.625，t=-3.963；P＜0.05)。脊髓Dmax及腮腺D50的变化，两计划差异不明显，见表2。

2.3 靶区与危及器官剂量变化的比较

在VMAT或IMRT计划中，3 mm及5 mm误差导致的危及器官剂量变化均明显大于靶区剂量变化。VMAT计划中，CTV D95剂量变化明显大于GTV D98，而IMRT计划中两者差异不明显，见表3。

表2 摆位误差导致VMAT和IMRT计划OARs剂量变化的比较(%，±s)

表3 6例鼻咽癌患者靶区与危及器官剂量变化的比较(%，±s)

注：a：脑干Dmax，脊髓Dmax，眼晶状体Dmax，腮腺D50VS GTV D98或CTV D95P＜0.05；b：CTV D95VS GTV D98P＞0.05；c：CTV D95VS GTV D98P＜0.05。

3 讨论

调强技术给肿瘤放射治疗带来了剂量学上的巨大飞跃，其所涉及的计划设计及质量保证复杂，对放射治疗摆位精确度也提出了较高的要求。鼻咽癌患者在计划实施过程中，存在不同程度的系统误差和随机误差。系统误差为实际治疗位置与模拟定位时位置的差异，而随机误差，则出现在整个放射治疗计划执行期间，为每日治疗重复性差异，与患者摆位密切相关，具有偶然性和不确定性，故系统和随机误差对剂量的影响是不同的[5]。Stroom等[6]的研究表明，放射治疗过程中系统误差对扩边摆位的影响比随机误差大。

本研究对鼻咽癌VMAT及IMRT在系统摆位误差下的剂量变化进行了对比分析，发现VMAT对误差的影响更敏感，计划中体积较大的CTV(临床靶区)在误差情况下更容易出现欠量的现象，可能与VMAT有更好的适形度有关。国外有文献[7-8]报道，VMAT与IMRT比较，在靶区适形度及靶区均匀性方面相似，甚至优于IMRT。本研究提示，对于脑干及眼晶状体的保护，VMAT可能要优于IMRT。国外研究[9-10]也显示，VMAT与IMRT比较，对于危及器官的保护更强，对于听力的保护亦显示出一定的优越性[11]。5 mm以内的误差所致两种计划中脊髓及腮腺的剂量变化差异无统计学意义，考虑与其解剖位置有关。脊髓从上至下几乎贯穿鼻咽癌整个临床靶区范围，而腮腺则成对位于鼻咽癌靶区的两侧，一个方向上的误差不足以导致两种计划在剂量上的明显差异。而5 mm的误差，在鼻咽癌放射治疗中均予以纠正。

随着误差增大，靶区及危及器官的剂量变化均明显增大。靶区表现为6个方向误差均可导致其剂量降低，以腹、背、头、足方向明显，5 mm摆位误差时达到原计划的5﹪。当治疗中心偏移至危及器官所在方向时，其剂量增幅明显，最高接近原计划的50﹪。相同误差下，无论VMAT或IMRT中危及器官的剂量变化幅度均明显高于靶区。潘建基等[12]研究发现，摆位平移2 mm和3 mm或旋转误差3°以上即可使靶区照射剂量降低和周边危及器官照射剂量升高，其中周围正常器官的误照比靶区漏照更为明显，与本研究一致。3 mm误差下，两种计划中的危及器官剂量变化均有超过原计划20﹪，可能与本研究中鼻咽癌病例均为中晚期有关。肿瘤侵犯范围广，危及器官处于剂量迅速跌落的陡峭区域，在误差接近或超过该距离时，剂量增幅非常明显。

当误差在3 mm以内时，VMAT及IMRT中靶区均未出现超过3﹪的剂量偏差，误差增至5 mm，靶区欠量则到达原计划5﹪，而危及器官剂量增幅更加明显。而5﹪以上的剂量变化即可导致放射治疗有效率的降低和并发症出现概率的增加[12-13]。Yin等[14]对VMAT放射治疗计划治疗鼻咽癌的分次间误差进行了研究，结果显示，其剂量分布受误差影响明显，指出在无CBCT进行每日误差修正的情况下，建议鼻咽癌PTV外扩边界增加至5 mm。加强对摆位误差的控制，是保证调强治疗安全准确实施的重要步骤之一。Siebers等[15]研究了摆位误差对头颈肿瘤同步推量IMRT治疗的影响，发现同步推量IMRT治疗计划对系统误差的敏感性明显高于随机误差。因此，只有在治疗期间实现重复性较高的定位及摆位方案，才能确保靶区接受足够的有效剂量照射。在中晚期鼻咽癌中，控制摆位误差对于保护危及器官更显重要。

鼻咽癌调强放射治疗中允许摆位误差通常≤3 mm，本研究中发现中晚期鼻咽癌计划中3 mm误差对危及器官的剂量影响已十分明显，为了更好地保护周围正常器官，建议在摆位误差＞2 mm时即予以纠正。其中VMAT对摆位误差的敏感性较IMRT高，对危及器官的保护较优。由于总治疗时间的缩短，在对减少患者分次治疗内体位移动、器官体积变化和运动等不确定因素所带来误差的控制方面，VMAT更具优势。

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Comparison on different system setup error on the effect of dose distribution for nasopharyngeal carcinoma therapy: double arc VMAT and dynamic IMRT/

DAI Peng, ZHANG Ping, LAI Ming-yao, et al//
China Medical Equipment,2017,14(4):65-68.

Objective: To compare the dose distribution effect of the setup error on thedouble arc volumetric modulated arc therapy (VMAT) and dynamic intensity modulated radiation therapy (IMRT) for nasopharyngeal carcinoma (NPC). Methods: Six NPC cases were planned with the same dose prescription and objective constrains by means of 2-arc VMAT and dynamic IMRT respectively. To simulate the setup errors in two systems, respectively, which horizontally remove 3mm and 5mm at three directions (left-right, anteriorposterior, cranial-caudal). To compare the original plan and the simulated plan, and observe the influence of dose distribution of two radiotherapy technology for target and organs at risk (OAR) under different errors. Results: The influences both of 3mm and 5mm setup errors for the dose distribution (GTV D98) were similar between IMRT and VMAT(t=-0.402, t=-0.125; P>0.05); under 5mm setup errors, the dose distribution (CTV D95) of double arc VMAT was statistical significant higher than dynamic IMRT (t=3.572, P<0.05 ), and especially in anterior-posterior and cranial-caudal, the most change was simulated plan was lower 5% than original plan. On organs at risk, under the same errors, the risk of dynamic IMRT was higher than that of double arc VMAT for brainstem and crystalline lens Dmax; the differences between dynamic IMRT and double arc VMAT were not statistical significant on the changes of spinal cord (Dmax) and parotid gland (D50); under one error, the dose change of OARs was more obvious than target area; even the largest increasing range nearly 50%. Conclusion: The sensitivity of setup error of double arc VMAT is higher than dynamic IMRT, and its protective capability for brainstem and crystalline lens are better than dynamic IMRT. The overexposure of OARs based on setup error is more obvious than target area. If the setup error exceeds 2 mm, the setup error should be corrected to ensure the accuracy of radiotherapy in NPC and reduce the mistake radiation of organ at risk.

Nasopharyngeal carcinoma; Setup error; Dose distribution; Intensity modulated radiotherapy; Volumetric modulated arc radiotherapy

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.04.017

1672-8270(2017)04-0065-04

R814.2