直线加速器不同出束模式对鼻咽癌容积旋转调强放疗计划的影响

谭军文，龙雨松，贺先桃，李钢，冯永富，梁卫学，王占宇

柳州市工人医院 肿瘤科，广西 柳州 545005

引言

鼻咽癌是广西地区常见肿瘤之一[1-3]，放射治疗为鼻咽癌治疗的主要方法[4-7]。容积旋转调强放疗（Volume Modulated Arc Therapy，VMAT）是一种较先进的调强放疗手段，VMAT 在鼻咽癌放疗中的可靠性已得到了临床的认可[8-11]。易金玲等[12]研究证明，双弧VMAT 计划可获得与调强放射治疗（Intensity Modulated Radiotherapy，IMRT）相似的靶区覆盖率，同时减少所需的机器跳数（Monitor Units，MU）与出束时间，现有加速器与计划系统能够准确地计算和执行VMAT 计划。徐桂琼等[13]研究认为，VMAT 和9 野IMRT 治疗鼻咽癌均可满足临床要求，VMAT 可明显降低正常器官剂量，缩短治疗时间，减少MU。目前，鼻咽癌VMAT 计划最常用的出束模式为6 MV X 射线均整模式（Flattening Filter，FF），其他X 射线出束模式在鼻咽癌治疗中的应用较少，但目前新型的医用电子直线加速器常具有多种X 射线出束模式，其他出束模式是否可应用于鼻咽癌VMAT 计划以及具有的剂量学特性需要进一步研究。

我院采用的瓦里安Trilogy 直线加速器可提供3 种X 射线出束模式，分别为6 MV FF、6 MV 非均整模式（Flattening Filter Free，FFF）和10 MV FF，本研究旨在比较3 种出束模式下鼻咽癌VMAT 计划的剂量学差异，以期为鼻咽癌VMAT 中最佳出束模式的选择提供参考。

1 资料与方法

1.1 定位与靶区勾画

选取2020 年6—12 月于我院瓦里安Trilogy 直线加速器上行VMAT 计划的鼻咽癌患者10 例（男性9 例、女性1 例，中位年龄51 岁，临床分期为Ⅰ～Ⅲ期。）。患者定位时采取仰卧体位，热塑头颈肩膜固定，CT 扫描头顶至锁骨下2 cm，重建层厚3 mm。由放疗医师勾画肿瘤靶区（Gross Tumor Volume，GTVnx）、亚临床病灶区（Clinical Target Volume，CTV1）、阳性淋巴结（GTVnd）、预防照射区（CTV2、CTV3、CTV4），其中CTV1应包括GTVnx及其周围的亚临床病灶区（GTVnx外扩0.5～1.0 cm）、完整鼻咽腔的全壁、正常鼻咽膜下0.80～1.00 cm 的软组织等；CTV2应包括CTV1及其周围易受侵犯的区域（CTV1外扩0.50～1.00 cm）、鼻咽、口咽、咽后淋巴引流区等；CTV3应包括右侧颈部阴性淋巴引流区；CTV4应包括左侧颈部阴性淋巴引流区，对它们进行相应的外扩得到计划靶区（Planning Target Volume，PTV），依次定义为鼻咽癌原发肿瘤区（Planning Gross Target Volume Nasopharynx，PGTVnx）、PTV1、颈部转移淋巴结（Planning Gross Target Volume of Node，PGTVnd）、PTV2、PTV3、PTV4，其中PTV1按高危程度给予6417～6603 cGy 的处方剂量，PGTVnd按高危程度给予6417～6975 cGy 的处方剂量。对邻近肿瘤区的危及器官进行勾画，包括脊髓、脑干、眼晶体、眼球、颞叶、腮腺、视神经、视交叉、垂体、下颌骨、口腔、气管、食管、喉、颞颌关节、甲状腺、颌下腺等，同时勾画躯干（Body），并内缩5 mm 作为皮肤。

1.2 计划设计

靶区处方剂量为PGTVnx6975 cGy、PTV16417～6603 cGy、PGTVnd6417～6975 cGy、PTV2～PTV45115 cGy。采用相同的处方剂量和计划参数设计6 MV X 射线FF 下的6X VMAT 计划、6 MV X 射线FFF 下的6 FFF VMAT 计划以及10 MV X 射线FF 下的10X VMAT 计划，计划均在RayStation 4.7.5 计划系统上完成，均采用两个全弧设计。6X VMAT 计划和10X VMAT 计划的剂量率范围均为100～600 MU/min，6 FFF VMAT 计划为100～1400 MU/min，3 种计划的机架转速均为4.8°/s，双弧计划出束总时间均为150 s，3 种计划除出束模式不同，其他均采用相同的参数设计计划，优化算法为筒串卷积叠加算法，控制点间隔为3°，计算网格3 mm，3 种计划经RayStation 计划系统充分迭代优化后，对所得的结果进行分析。

1.3 计划评估

评估靶区的最小剂量D98%（98%的PTV 体积受到最小的照射剂量，以此类推）、平均剂量Dmean、最大剂量D2%、靶区覆盖率（接受≥处方剂量的PTV 体积与PTV 体积之比）等。危及器官按其类型不同，可统计最大量（Dmax）、剂量体积DV（V 体积所受剂量）、体积剂量Vx（接受X Gy 剂量照射的体积）、平均剂量等。PTV5115、PTV6417、PTV6603、PTV6975分别代表处方剂量为5115、6417、6603、6975 cGy 的计划靶区集合。

1.4 统计学分析

采用SPSS 18.0 对数据进行统计分析，符合正态分布的计量资料采用±s表示，采用配对样本t检验进行两两比较，以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区剂量分布

1 例鼻咽癌患者3 种计划（6X VMAT 计划、6 FFF VMAT 计划、10X VMAT 计划）的靶区剂量分布如图1 所示，其靶区及部分主要危及器官剂量体积直方图如图2 所示。由图1～2 可知，3 种计划靶区剂量差异较小，正常组织受量略有差异。

图1 6X VMAT计划（a）、6 FFF VMAT计划（b）、10X VMAT计划（c）的靶区剂量分布图

图2 6X VMAT计划、6 FFF VMAT计划和10X VMAT计划剂量体积直方图

2.2 靶区剂量差异比较

3 种计划的靶区剂量D98%、Dmean、D2%和靶区覆盖率均值比较如图3～4 所示，3 种计划在靶区剂量上差异较小，且均能达到处方剂量要求。PTV5115的Dmean，6 FFF VMAT 计划高于6X VMAT 计划和10X VMAT 计划；PTV6417的Dmean、D2%，6 FFF VMAT 计划大于6X VMAT 计划；PTV6603的D98%，6 FFF VMAT 计划小于6X VMAT 计划；PTV6975的Dmean，6 FFF VMAT 计划大于6X VMAT 计划，差异均有统计学意义（P＜0.05）。靶区剂量的其他指标以及靶区覆盖率比较，3 种计划的差异均无统计学意义（P＞0.05）。

图3 6X VMAT计划、6 FFF VMAT计划和10X VMAT计划的靶区剂量比较

图4 6X VMAT计划、6 FFF VMAT计划和10X VMAT计划的靶区覆盖率比较

2.3 危及器官差异比较

3 种计划的危及器官受量如表1 所示，左晶体Dmax、右晶体Dmax、左下颌骨D5%、左腮腺V30、右腮腺V30，6 FFF VMAT 计划均显著低于6X VMAT 计划和10X VMAT 计划（P＜0.05）；左视神经D5%、口腔V50，6 FFF VMAT 计划均显著低于10X VMAT 计划（P＜0.05）；左颞叶D5%，10X VMAT 计划显著低于6 FFF VMAT 计划（P＜0.05）；右颞叶D5%，10X VMAT 计划显著低于6X VMAT 计划（P＜0.05）。3 种计划其他危及器官评估指标比较差异均无统计学意义（P＞0.05）。危及器官的16 个评价指标中3 种计划的危及器官受量排位低、中、高出现的频次如图5 所示，其中6 FFF VMAT 计划危及器官受量处于3 种计划中最低的有11 项，中间有1 项，处于最高的有4 项；10X VMAT 计划危及器官受量处于3 种计划中最低的有4 项，中间有9 项，处于最高的有3 项；6X VMAT 计划危及器官受量处于3 种计划中最低的有1 项，中间有6 项，处于最高的有9 项，结果表明，在危及器官保护方面的优势排序依次为6 FFF VMAT 计划＞10X VMAT 计划＞6X VMAT 计划。

表1 6X VMAT计划、6 FFF VMAT计划和10X VMAT计划危及器官的受量比较（±s）

表1 6X VMAT计划、6 FFF VMAT计划和10X VMAT计划危及器官的受量比较（±s）

危及器官评估指标6X VMAT计划6 FFF VMAT计划10X VMAT计划6X VMAT计划vs.6 FFF VMAT计划6 FFF VMAT计划vs.10X VMAT计划6X VMAT计划vs.10X VMAT计划t值P值t值P值t值P值脑干D5%/cGy5126.2±573.7 5132.7±590.4 5086.8±583.5 -0.310.7671.650.1342.060.070左晶体Dmax/cGy511.1±45.9438.4±101.9503.9±51.82.970.016-2.720.0241.430.187右晶体Dmax/cGy518.4±51.9452.3±68.7502.9±38.34.120.003-3.890.0041.370.203左下颌骨D5%/cGy 5128.0±332.6 4951.4±382.1 5084.9±429.44.630.001-3.420.0081.170.273右下颌骨D5%/cGy 4986.3±402.4 4931.7±478.3 4995.4±435.71.440.183-2.180.057-0.320.754左视神经D5%/cGy 4312.6±716.4 4225.3±852.8 4309.7±779.11.410.193-2.340.0440.050.961右视神经D5%/cGy 3935.4±1024.4 3968.9±1023.7 3946.4±1021.6 -0.560.5870.290.781-0.130.900视交叉D5%/cGy3919.2±1276.6 3827.2±1405.8 3985.3±1224.4 1.050.320-1.700.124-1.030.329口腔V50/%6.4±3.95.8±3.56.7±3.42.300.050-5.210.001-1.150.283左腮腺V30/%42.2±3.141.3±3.642.2±3.33.360.008-4.140.0030.100.920右腮腺V30/%43.3±2.842.0±3.142.7±3.04.300.002-2.660.0262.200.056脊髓Dmax/cGy3770.7±201.7 3692.2±117.7 3720.7±148.31.470.175-1.380.2011.210.256左颞叶D5%/cGy4942.1±295.1 4956.2±286.4 4873.0±269.0 -0.500.6292.590.0291.550.156右颞叶D5%/cGy4919.7±387.1 4871.0±303.3 4797.1±323.30.940.3701.730.1182.870.018左甲状腺Dmean/cGy 4499.1±116.4 4500.9±78.1 4474.9±121.2 -0.090.9320.950.3691.130.293右甲状腺Dmean/cGy 4495.8±75.54477.9±45.64494.6±85.61.120.297-1.020.3390.070.948

图5 6X VMAT计划、6 FFF VMAT计划和10X VMAT计划的危及器官受量排位低、中、高出现的频次

2.4 皮肤和正常组织受量比较

由表2 可知，皮肤Dmean，6 FFF VMAT 计划显著低于6X VMAT 计划和10X VMAT 计划，且10X VMAT计划显著低于6X VMAT 计划（P＜0.05）；皮肤V5，6 FFF VMAT 计划均低于6X VMAT 计划和10X VMAT计划，差异有统计学意义（P＜0.05）；3 种计划皮肤V50两两比较差异均无统计学意义（P＞0.05）。

表2 6X VMAT计划、6 FFF VMAT计划和10X VMAT计划的皮肤受量比较（±s）

表2 6X VMAT计划、6 FFF VMAT计划和10X VMAT计划的皮肤受量比较（±s）

评估指标6X VMAT计划6 FFF VMAT计划10X VMAT计划6X VMAT计划vs.6 FFF VMAT计划6 FFF VMAT计划vs.10X VMAT计划6X VMAT计划vs.10X VMAT计划t值P值t值P值t值P值皮肤Dmean/cGy1069.8±175.6 1011.1±168.0 1022.8±171.2 12.64＜0.001-3.610.00611.47＜0.001皮肤V5/cm3863.9±107.1 818.7±103.4 869.7±116.3 16.81＜0.001-7.49＜0.001-0.830.429皮肤V50/cm353.2±33.153.2±31.852.5±32.7-0.020.9870.680.5140.950.368

由表3 可知，人体正常组织的躯干Dmean和躯干V10，6 FFF VMAT 计划＜10X VMAT 计划＜6X VMAT计划，躯干V20、躯干V30、躯干V40，10X VMAT 计划＜66 FFF VMAT 计划＜6 FFF VMAT 计划，除了10X VMAT 计划与6X VMAT 计划的V5、6 FFF VMAT 计划与6X VMAT 计划的V30和V40比较差异无统计学意义（P＞0.05），其他指标两两比较差异均有统计学意义（P＜0.05），证明6 FFF VMAT 计划相比10X VMAT 计划和6X VMAT 计划在保护皮肤和正常组织方面具有一定的优势，且10X VMAT 计划又优于6X VMAT。

表3 6X VMAT计划、6 FFF VMAT计划和10X VMAT计划的正常组织受量比较（±s）

表3 6X VMAT计划、6 FFF VMAT计划和10X VMAT计划的正常组织受量比较（±s）

评估指标6X VMAT计划6 FFF VMAT计划10X VMAT计划6X VMAT计划vs.6 FFF VMAT计划6 FFF VMAT计划vs.10X VMAT计划6X VMAT计划vs.10X VMAT计划t值P值t值P值t值P值躯干Dmean/cGy1557.3±280.3 1511.0±275.7 1520.0±276.29.47＜0.001-2.910.0177.98＜0.001躯干V5/cm37092.0±1365.1 6794.1±1326.3 7092.9±1406.7 13.36 ＜0.001-6.22＜0.001-0.030.980躯干V10/cm35979.0±1135.8 5827.3±1137.6 5923.0±1141.56.73＜0.001-3.260.0102.960.016躯干V20/cm34612.6±796.8 4523.8±827.7 4448.8±804.84.520.0013.230.0109.17＜0.001躯干V30/cm33281.6±575.0 3234.3±584.1 3148.8±564.31.350.2114.110.0034.920.001躯干V40/cm32016.1±403.4 2011.5±384.1 1982.9±389.10.280.7832.800.0212.520.033

2.5 MU差异比较

6X VMAT 计划、6 FFF VMAT 计划和10X VMAT计划的MU 依次为（619.13±57.1）、（689.90±92.0）、（763.89±76.10），两两比较差异有统计学意义（6X VMAT 计划vs.6 FFF VMAT 计划：t=-9.80，P＜0.001；6X VMAT 计划vs.10X VMAT 计划：t=3.08，P=0.013；6X VMAT 计 划vs.10X VMAT 计 划：t=-4.53，P=0.001）。3 种计划的机架转速均为4.8°/s，双弧计划出束总时间均为150 s。

3 讨论

目前，新型的瓦里安Trilogy 直线加速器上一般都配备了多种出束模式，每种出束模式有各自的剂量学特性。张红等[14]报道了用蒙特卡罗方法计算瓦里安Trilogy 加速器FFF 条件下6 MV X 射线能谱，去除FF后，加速器的输出光子能谱发生较大变化，随之剂量特性发生改变，临床上可能产生一定的获益或未知情况。10 MV 的X 射线穿透能力更强，在体内深部肿瘤放疗中有优势，可明显提高靶区剂量均匀性。黄宝添等[15]报道了在肺癌立体定向放射治疗中，采用6X FFF 和10X FFF 两种能量射束治疗各有优劣。6X FFF 能量射束能得到较优的靶区均匀性和危及器官受量，而采用10X FFF 能量能明显缩短治疗时间；张武哲等[16]报道了不同射线能量在直肠癌放疗中的应用，结果证明，10 MV VMAT 计划与6 MV VMAT 计划比较，在获得相当或更优的靶区剂量分布的同时可更好地保护部分危及器官。

本研究结果表明，6X、6 FFF 和10X 这3 种模式下的鼻咽癌VMAT 计划均能满足临床要求，6 FFF 计划与10X、6X 计划相比，晶体、腮腺、下颌骨、视神经等多个危及器官能得到较好地保护，皮肤和正常组织受量低，但靶区剂量分布略差，与贾飞等[17]、Fu 等[18]研究结果一致。表明6 FFF VMAT 计划与10X VMAT 计划、6X VMAT 计划相比，由于其散射线少，离轴剂量跌落快等特点，在保护危及器官、皮肤和正常组织方面存在优势。10X VMAT 计划与6X VMAT 计划相比在靶区及危及器官保护方面水平相当甚至略优，该结论与张武哲等[16]在研究6 MV VMAT 计划和10 MV VMAT 计划在直肠癌放疗中的应用得出的结论类似，10X VMAT 计划与6X VMAT 计划相比在获得相当或更优的靶区剂量分布的同时保护了部分危及器官，但由于差异较小，且考虑到10 MV X 线有一定概率产生感生放射性和一定数量的光中子，可能对患者、治疗师造成一定的危害，因此鼻咽癌放疗中不建议选择10 MV X 线。6X、10X、6 FFF 这3种VMAT 计划的MU 依次增加，其中6 FFF 计划的MU 最高，与黄霞等[20]的研究结论一致，FFF 模式射线本身剂量分布不均匀，为保证靶区的处方剂量包绕，需要更多的MU。由于3 种计划均采用两个全弧设计，且每个弧的机架均以最大速度4.8°/s 旋转，因此3 种计划的出束时间一致，与MU 无关，均为150 s，与Fu 等[19]研究结果一致，证明在常规剂量照射时，FFF 模式高剂量率的优势未得到有效发挥。

4 结论

综上所述，6X、6 FFF 和10X 这3 种模式下的鼻咽癌VMAT 计划均能满足临床要求且各有特点，其中6 FFF VMAT 计划与10X VMAT 计划、6X VMAT 计划相比在危及器官和正常组织保护方面更有优势，但在靶区剂量分布方面略差；10X VMAT 计划与6X VMAT 计划相比在靶区及危及器官保护方面水平相当；6X VMAT计划的MU 最少；由于3 种计划均采用两个全弧设计，且每个弧的机架均以最大速度4.8°/s 旋转，因此3 种计划的出束时间一致，与MU 无关，均为150 s。从计划优化角度，为降低危及器官受照剂量，推荐采用6 FFF VMAT 计划。