Jaw tracking模式下不同铅门阈值对鼻咽癌VMAT计划的剂量学和计划复杂度分析

贾晓斌，董晓庆，岳堃

1. 上海交通大学医学院附属第九人民医院 放疗科，上海 201900；2. 同济大学附属第十人民医院 放疗科，上海 200072

容积旋转调强放疗（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）计划主要通过调节射野内多叶准直器（Multiple Leaves Collimator，MLC）运动速度、剂量率及机架运动速度调制每个控制点（Control Point，CP）强度，达到提高靶区适形度的同时降低投照时间的目的[1-5]。然而，实际投照中受硬件限制，MLC中相邻叶片最大运动范围为15 cm，若叶片沿X方向运动范围超过该阈值，叶片将无法完全遮挡漏射线；若叶片X方向运动阈值超过18 cm，计划质量显著下降[6-7]。传统鼻咽癌靶区形态结构复杂，靶区X方向宽度＞15 cm，且周围临近组织器官较多，VMAT计划设计难度较大。铅门跟随（Jaw tracking）功能通过设置铅门阈值，使叶片在X方向宽度发生变化，减少射束孔漏射[8-9]。本文选取15例鼻咽癌患者作为研究对象，通过设置不同的铅门阈值，旨在评估Jaw tracking条件下不同铅门阈值对靶区及危及器官（Organs at Risk，OAR）的剂量学影响，以及分析各组间计划复杂度，以期探讨铅门阈值在鼻咽癌临床治疗中的价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2018年6月至2020年12月上海交通大学医学院附属第九人民医院放疗科收治的15例鼻咽癌患者作为研究对象，其中男性10例、女性5例，年龄48～73岁（中位年龄59岁），TNM分期：T2N2M010例、T2N3M05例，见表1。所有患者均经病理证实为鼻咽癌，且患者均对本研究知情并签署知情同意书。

1.2 定位及靶区勾画

患者取仰卧位，头部覆盖热网膜固定。CT扫描范围为眼眶上缘到锁骨头下缘2 cm，扫描层厚2.5 mm。由本院放疗科同一医师依据影像学检查结果（CT、MRI及PET）勾画鼻咽原发肿瘤区（Planning Gross Target Volume Nasopharynx，PGTVnx）、颈部转移淋巴结（Planning Gross Target Volume of Node，PGTVnd）、鼻咽癌原发灶高危亚临床靶区（Planning Clinical Target Volume 1，PCTVp1）和鼻咽癌中危亚临床靶区（PCTVp2），靶区横向最大宽度为20.0～23.5 cm，见表1。

表1 15例患者病例数据

1.3 计划设计

本研究采用Eclipse v13.6 计划系统和EDGE加速器（Varian，美国）进行计划设计。每例患者制定4组RapidArc计划（T-Half组、T1组、T2组和 T-All组），见图 1。每组计划采用双弧照射，机架角度分别是181°～179°和179°～181°。T-Half组采用半铅门技术，X1方向铅门根据靶区宽度全开，X2方向展开至靶区中线；T1组X1方向铅门根据靶区宽度全开，X2方向展开至距X1铅门15 cm处，观测MLC运动阈值为15 cm时MLC运动对计划的影响（对照组）；T2组X1方向铅门根据靶区宽度全开，X2方向开至距X1铅门18 cm处，观测MLC运动阈值为18 cm时MLC运动对计划的影响；T-All组X1方向与X2方向铅门均开至靶区全包裹。4组计划均勾选Jaw tracking模块，优化靶区和OAR的优化条件与迭代时间一致，计算网格选取0.25 cm，优化算法选取AAA，MLC选取HD MLC，其中32 对0.25 cm多叶光栅、28对0.50 cm多叶光栅。射线能量为6 MV X射线，剂量率600 MU/min。

图1 铅门设置示意图

1.4 计划评估

1.4.1 计划质量评估

PGTVnx、PGTVnd、PCTVp1、PCTVp2的处方剂量分别为69 Gy/30次、69 Gy/30次、66 Gy/30次、60 Gy/30次，为方便统计，本文将PGTVnx与PGTVnd两组结构合并为PGTV69，所有计划归一于PGTV69处方剂量覆盖95%靶区体积。计划靶区（Planning Target Volume，PTV）剂量学评估包括Dmean、V60、靶区适形指数（Conformity Index，CI）与均匀指数（Homogeneity Index， HI）。靶区CI的定义如公式（1）所示[10]，靶区HI的定义如公式（2）所示。

式中，VT.ref表示处方剂量包含PTV体积；Vref表示处方剂量覆盖总体积；VT表示计划靶区体积。CI数值趋近于1表示适形度越好。

式中，D2表示2%靶区体积接受的处方剂量；D98表示98%靶区体积接受处方剂量；D50表示50%靶区体积接受的处方剂量。HI数值趋近0表明均匀度越好。

1.4.2 OAR剂量学评估

口腔评估Dmean与V30，左侧腮腺、右侧腮腺与喉评估Dmean与V30，脑干与脊髓评估Dmax。

1.4.3 计划复杂度评估

本文计划复杂度评估采取平均叶片运动路径（Average Leaf Trajectory，ALT）、 调 制 复 杂 度 因 子（Modulation Complexity Score，MCS） 和 不 规 则 度（Aperture Irregularity，AI）3种指标，所有计划复杂度数据均由Eclipse API脚本编译读取RapidArc计划log文件获取，其中ALT由Iori等[11]提出，用于描述射野中所有MLC运动距离的平均值，MCS[12-14]用于评估静态野调强复杂度，MCS计算方式如公式（3）所示。

式中，i表示当前控制点指数；MUcpi表示相邻控制点投照MU数；MUarc表示全弧投照MU数。AAV表示当前控制点光栅面积变异系数；LSV表示当前控制点叶片序列变异系数。MCS数值越大表示计划越复杂，为了评估不同射束孔面积对剂量验证的影响，本文对全弧射野中射束孔面积进行频数统计。

AI则用于描述每个控制点中，MLC形式射束孔的不规则度[15]，AI计算方式如公式（4）所示。

式中，cpi表示当前控制点指数；AP表示当前控制点中MLC生成射野周长；AA表示当前控制点中MLC生成射野面积。AI数值越大表示计划越复杂。

1.5 统计学分析

采用SPSS 19.0统计软件进行数据分析，剂量学参数采用±s表示，采用配对wilcoxon秩和检验，行双侧显著性检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区及OAR剂量学比较

如表2和表3所示，4组计划均能满足临床需求。T-Half组靶区PCTVp2的HI与V60与T1组比较差异显著（t=2.135、-2.222，P=0.033、0.026）；T2组靶区中PGTV69的CI、HI和PCTVp2的V60与T1组比较差异显著（t=-2.103、-2.691、-2.012，P=0.035、0.007、0.044）；T-All组靶区PGTV69的CI、HI、Dmean和PCTVp1的HI以及PCTVp2的V60与T1组比较差异显著（t=-2.726、-2.762、-2.419、-2.622、-3.414，P=0.006、0.006、0.016、0.009、0.010）。OAR方面，T2组的串行器官脊髓Dmax与T1组比较差异显著（t=-2.900，P=0.008）；T2组并行器官中喉的V50、Dmean（t=-3.237、-2.727，P=0.001、0.008），左侧腮腺Dmean、V30（t=-3.237、-2.727，P=0.001、0.006），右侧腮腺的Dmean、V30（t=-2.045、-2.047，P=0.041、0.041），口腔的Dmean、V30（t=-2.898、-2.786，P=0.004、0.005）与T1组的比较差异均显著。T-All组的串行器官脊髓Dmax与T1组比较差异显著（t=-3.241，P=0.001）；T-All组并行器官中喉的V50、Dmean（t=-3.411、-3.067，P=0.001、0.002），左侧腮腺的Dmean、V30（t=-3.408、-3.408，P=0.001、0.001），右侧腮腺的Dmean、V30（t=-2.329、-3.239，P=0.020、0.001），口腔的Dmean、V30（t=-3.411、-3.408，P=0.001、0.001）与T1组的比较差异均显著。

表2 4组计划靶区剂量学比较（±s）

表2 4组计划靶区剂量学比较（±s）

注： PGTV69：计划肿瘤靶区；PCTVp1：原发灶高危亚临床靶区； PCTVp2：中危亚临床靶区；CI：适形指数；HI：均匀指数。a表示与T1组比较差异有统计学意义（P＜0.05）。

PCTVp1 PCTVp2 CI HI Dmean/Gy HI Dmean/Gy HI V60/%T-Half组 0.87±0.05 0.05±0.02 7095.40±39.54 0.08±0.04 6778.00±28.98 0.11±0.02a 92.60±1.65a T1组 0.87±0.06 0.05±0.01 7079.10±49.69 0.08±0.03 6766.10±38.96 0.12±0.02 93.02±1.09 T2组 0.84±0.06a 0.05±0.01a 7083.60±58.14 0.08±0.03 6776.08±70.33 0.12±0.02 93.16±1.41a TAll组 0.82±0.07a 0.06±0.01a 7114.03±50.32a 0.09±0.04a 6778.30±53.01 0.13±0.02 88.60±2.27a组别 PGTV69

表3 4组计划OAR剂量学比较（±s）

表3 4组计划OAR剂量学比较（±s）

注：a表示与T1组比较差异有统计学意义（P＜0.05）。V50表示接受5000 cGy剂量体积占总体积的百分比；V30表示接受3000 cGy剂量体积占总体积的百分比。

组别 脊髓 脑干 喉 左侧腮腺 右侧腮腺 口腔Dmax/Gy Dmax/Gy V50/% Dmean/Gy Dmean/Gy V30/% Dmean/Gy V30/% Dmean/Gy V30/%T-Half组 3769.70±89.52 4783.30±427.50 51.45±2.09 3011.41±71.29 2354.5±38.40 20.89±1.70 2361.5±57.50 21.52±1.50 2953.3±270.03 44.79±15.07 T1组 3746.27±9.33 4762.1±434.70 50.68±4.06 3097.61±56.44 2362.1±31.70 21.63±3.40 2346.2±41.70 20.72±3.20 2975.2±367.10 43.69±15.27 T2组 3910.82±189.60a 4927.3±624.20 53.3±4.59a 3205.7±110.80a 2413.2±41.60a 23.98±4.10a 2377.8±34.50a 22.66±2.80a 3056.9±336.74a 47.48±16.44a 54.35±16.94a T-All组 4115.30±250.60a 4839±527.50 62.86±8.22a 3323.51±144.90a 2455.1±52.20a 25.73±3.00a 2417.7±54.00a 25.14±3.70a 3191.20±393.50a

2.2 计划复杂度分析

4组计划铅门宽度整体均呈现余弦变化趋势，其中178个控制点中，T-Half组与T1组所有的铅门宽度均≤15 cm，T2组中有80个控制点＞15 cm，占全弧控制点（Control Point，CP）的44.9%；TAll组中有92个控制点＞15 cm，占全弧CP的51.6%（图2a）。针对每个CP的MLC形态研究发现，4组计划全弧范围内AI并无显著变化（图2b）。随着铅门阈值增加，4组计划的MCS、ALT和MU总体呈现下降趋势（图3）。进一步研究全弧CP中射束孔面积频数分布发现，T-Half组射束孔以小野为主，射束孔主要分布于AA＜9 cm2范围内；T1组射束孔分布范围与T-Half组类似，AA＞25 cm2射束孔数目较T-Half组明显提高；T2组射束孔最大射束孔面积AA≤81 cm2；T-All组射束孔分布较为均衡，81cm2≤AA≤100 cm2射束孔数量显著增加（图4）。

图2 不同机架角度下铅门宽度（a）与射束孔不规则度（b）变化

图3 铅门选取对计划复杂度影响

图4 4组计划射束孔面积分组频数统计

3 讨论

VMAT技术因具有较好的适形性和均匀性而被广泛应用于鼻咽癌放疗中。吴凡等[16]使用NovalisTX加速器Fixed Jaw模式发现，鼻咽癌VMAT计划容积计划中铅门尺寸的设置是重要的影响因素，过宽的铅门阈值不但无法提高靶区的适形性和均匀性，还可能会显著增加靶区周围高剂量体积，不利于正常组织的保护。EDGE系列加速器内置Jaw tracking功能[17]，不同于Fixed Jaw技术，Jaw tracking设置铅门阈值后，X方向铅门宽度全弧度范围内呈现余弦动态变化，确保铅门能在X方向合理适配MLC形态并遮挡漏射线，降低正常组织受量[18-19]。

本研究比较了Jaw tracking条件下铅门阈值在鼻咽癌VMAT计划中的影响。T-Half组采取半铅门技术，因此在实际投照中该组射束孔主要采用小面积（AA＜9 cm2）为主。这些小面积射束孔显著提高了计划的调制难度，增加了叶片的运动ALT，提高了计划执行MU。相关研究发现，半铅门技术显著影响计划MU，在铅门宽度对鼻咽癌VMAT计划的影响中也发现半铅门技术（FJ1组）相较于FJ2、FJ3、FJ4和FJ5这4组实验分别提高20.0%、19.6%、19.7%和14.9%[16]。陈亚正等[20]则发现半铅门在口咽癌VMAT计划中比全铅门多出37.6%的MU。T1组全弧范围内叶片X方向展宽≤15 cm，全弧内所有叶片均处于最大调制范围中。相较于半铅门技术，全弧范围内T1组铅门可变范围高于T-Half组。本文中各个CP间MLC的AI变化虽然无明显差异，但是增加中等面积（AA＞25 cm2）射束孔数量，降低了MLC调制难度（MCS、ALT），以满足计划执行需求。随着铅门阈值提高至18 cm，T2组部分弧段（181°～230°，320°～40°，127°～179°）射束孔 X方向＞15 cm，其余弧段采用X方向＜15 cm的射束孔照射。结合射束孔频数分析发现T2组引入更多大尺寸射束孔（AA＞64 cm2），然而更大的射束孔对靶区剂量学并未有显著改善，却提高了部分OAR受照剂量，放疗不良反应的发生概率提高。T-All组X方向＞15 cm的射束孔照射弧段区域（181°～224°，310°～52°，145°～179°）相较于T2进一步增加，其中叶片X方向＞18 cm的弧段占全弧数的36.5%，这些弧段MLC在投照过程中采用更多的大尺寸射束孔照射。照射中大量引入的大尺寸射束孔虽然降低了叶片的MLC调制难度（MCS和ALT），提高了MU利用率，但实际投照中影响了靶区的均匀性和适形性，甚至导致T-All组部分OAR受量高于器官阈值，难以满足临床需求。

4 结论

对于鼻咽癌类叶片X方向较宽的计划，铅门阈值的选取对计划质量的影响显著。X方向铅门设置为半铅门模式对靶区剂量学结果及OAR保护并未提高，却显著增加了计划MU。18 cm与全铅门模式虽然降低了计划复杂度，但是因为OAR受照剂量显著增加，影响实际治疗效果。在实际治疗中建议将鼻咽癌VMAT计划中铅门阈值限制在15 cm。