MLC运动误差对不同射野面积的鼻咽癌容积调强计划的影响

贾晓斌，岳堃

上海交通大学医学院附属第九人民医院 放疗科，上海 201900

引言

鼻咽癌是一种常见的恶性肿瘤，放射治疗是主要的治疗方法之一。鼻咽癌靶区结构复杂且临近多组危及器官（Organ at Risk，OAR），因而其放疗实施的准确性对临床工作人员来说是一项重大挑战。容积调强通过多叶光栅、机架角度及剂量率的连续性变化，降低投照机器跳数（Monitor Units，MU）的同时，提高了靶区的适形性和均匀性[1-5]。然而在实际投照中，加速器多叶准直器（Multi-Leaf Collimator，MLC）往复式运动会导致实际叶片位置与计划位置存在差异，从而影响实际照射中的剂量分布。美国医学物理学家协会TG142 报告中指出，MLC 的到位精度应小于1.0 mm[6]。关于多叶准直器运动误差（Multi-Leaf Collimator Error，MLCerror）的研究，近年来主要集中在MLCerror对宫颈癌及鼻咽癌靶区剂量及计划验证结果的影响[7-10]，射野平均面积（Mean Aperture Area，MAA）与MLCerror的关系鲜有文章提及。本文选取30 例患者不同射野面积的鼻咽癌容积调强计划，使医学数字影像（Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM）文件中的RP.dcm 修改MLC 位置并重新导入计算，研究不同计划间剂量学及验证通过率之间的差异，分析MLCerror对不同射野面积鼻咽癌容积调强计划的影响。

1 材料与方法

1.1 病例选取

选取2020 年12 月至2022 年3 月在上海交通大学医学院附属第九人民医院放疗科进行放疗的鼻咽癌患者为研究对象。纳入标准：① 年龄18～80 岁；② 由同一教授勾画靶区与OAR，且由同一物理师制作计划；③ 临床分期≥Ⅱ期。排除标准：放弃治疗及未能完成治疗全程的患者。本研究共30 例鼻咽癌病例符合条件入组，病理分期为T2N2M020 例、T2N3M010 例，年龄范围43～77 岁（中位年龄57 岁）。本研究经由上海交通大学医学院附属第九人民医院伦理委员会审批通过（批准文号：SH9H-2021-TK269-1），且所有病例数据均经病理证实，所有患者均签署放射治疗知情同意书。

1.2 CT定位与图像获取

所有患者均采用头颈肩热塑膜进行体位固定，双臂平放于身体双侧，在自由呼吸下使用CT 扫描。CT扫描范围为眼眶上缘到锁骨头下缘2 cm，扫描层厚为2.5 mm。由本院放疗科同一医师参照国际辐射单位及测量委员会（ICRU）83 号报告进行勾画。依据影像学检查结果勾画鼻咽原发肿瘤区（Planning Gross Target Volume Nasopharynx，PGTVnx）和颈部转移淋巴结（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），鼻咽癌中危亚临床靶区（Planning Clinical Target Volume 2，PCTVp2） 外扩。PCTVp1+PCTVp2生成靶区的横向最大宽度为18.3～23.1 cm。对PGTVnx、PGTVnd、PCTVp1和PCTVp2分别给予69 Gy/30F、69 Gy/30F、60 Gy/30F 和54 Gy/30F 的剂量。OAR 勾画包括脑干、脊髓、视神经、视交叉、颞叶、垂体、腮腺、下颌骨、晶体、颞颌关节、喉、口腔。

1.3 计划设计

本研究加速器为EDGE（Varian 公司，美国），MLC 为高精度和高强度 MLC。其中有32 对0.25 cm 多叶光栅，28 对0.50 cm 多叶光栅，调强放射治疗及容积调强放射治疗（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）可执行的最大射野尺寸为40 cm×22 cm，射线能量为6 MV X 射线，剂量率为600 MU/min。采用Eclipse v15.6 计划系统（Treatment Planning System，TPS）进行设计。所有病例共210 组计划，均采用单中心双弧照射。其中，Arc-1 为顺时针旋转从181°到179°，准直器为5°；Arc-2 为逆时针旋转从179°到181°，准直器为355°；优化前勾选Jaw tracking 模块，计算网格选取0.25 cm，优化算法为光子优化算法，剂量计算选取各向异性算法。

1.4 机器性能验证误差分析

将2021 年1 月至2022 年8 月的EDGE 机器性能验证（Machine Performance Check，MPC）导出，提取MLCerror参数进行分析。所有的MLCerror均小于1.0 mm，有92.9% 的MLCerror小于0.5 mm，46.5% 的MLCerror小于0.2 mm。因此，本文实验组设置为±0.2、±0.5、±1.0 mm（图1）。

图1 加速器每日MLCerror频数统计

1.5 MLCerror误差模拟

将30 例患者的原始计划的DICOM 文件导出，使用Python 3.8 编写程序并读取每个射野控制点的MLC 叶片位置信息。对每个控制点分别引入同向或反向运动误差，变化幅度分别为±0.2、±0.5、±1.0 mm，再将修改文件导入TPS 中重建计划并计算剂量，每个病例共产生7组计划，共210 个计划。MLCerror示意图如图2 所示。

图2 MLCerror示意图

1.6 计划评估与分析

为方便统计，本文将PGTVnx与PGTVnd通过布尔运算整合为PTV69。评估PTV69、PCTVp1和PCTVp2的平均剂量Dmean。

本文选取代表性OAR 进行评估，包括口腔评估Dmean，左侧腮腺、右侧腮腺、喉评估Dmean与V30，脑干、脊髓评估最大剂量Dmax。剂量偏差的计算方式如公式（1）所示。

式中，Dbias为两组计划剂量偏差；MLC 为计划MLC 运动误差， 取值±0.2、±0.5、±1.0 mm；为存在MLC 运动误差的计划剂量；为原始计划剂量。

子野平均面积的计算方式如公式（2）所示。

式中，MAA 为射野平均面积；n为当前射野编号；N为当前计划的射野数（N=2）；i为控制点编号；J为每个射野的控制点数（J=178）；为第n个射野的第i个控制点的子野面积。

所有计划均在Portal Dosimetry 模块中计算通量分布。伽马通过率参考TG218 号报告，评判标准为3 mm/2%，剂量阈值为10%，计划伽马验证通过率≥90%。

1.7 统计学分析

2 结果

2.1 MLCerror对靶区及OAR剂量的影响

7 组计划的MLCerror与剂量对照表如表1 所示。随着MLCerror变化，靶区Dmean和OAR 的Dmean及V30均呈现增长趋势，且差异具有统计学意义（P＜0.05）。

表1 MLCerror对靶区及OAR的剂量影响（±s）

表1 MLCerror对靶区及OAR的剂量影响（±s）

注：PTV69：计划靶区；PCTVp1：原发灶高危亚临床靶区；PCTVp2：中危亚临床靶区；Dmean：平均剂量；Dmax：最大剂量；V30：接受30 Gy的剂量体积占总体积的百分比。

结构名称 参数-1.0 mm-0.5 mm-0.2 mm0 mm0.2 mm0.5 mm1.0 mmF值P值PTV69Dmean/Gy 66.06±1.52 68.14±1.36 69.42±1.32 70.28±1.33 71.16±1.36 72.45±1.46 74.58±1.69 198.50 ＜0.001 PCTVp1 Dmean/Gy 58.41±1.15 60.25±0.87 61.37±0.75 62.12±0.69 62.88±0.67 64.00±0.72 65.85±0.93 169.70 ＜0.001 PCTVp2 Dmean/Gy 52.20±1.20 54.23±0.93 55.25±0.80 56.08±0.75 57.60±0.72 57.57±0.77 59.28±0.97 149.10 ＜0.001脊髓Dmax/Gy 35.46±3.10 37.18±3.00 38.34±2.93 39.15±2.89 40.03±2.88 41.40±2.90 43.76±2.98 19.74 ＜0.001脑干Dmax/Gy 43.37±5.12 45.46±5.18 46.82±5.27 47.81±5.36 48.88±5.47 50.50±5.68 53.40±6.11 9.50 ＜0.001左侧腮腺Dmean/Gy 21.20±0.79 22.53±0.67 23.38±0.60 23.97±0.57 24.58±0.56 25.52±0.58 27.12±0.73 252.20 ＜0.001 V30/% 15.22±3.82 18.86±3.82 21.22±3.84 22.85±3.85 24.61±3.90 27.37±3.99 32.13±4.24 58.26 ＜0.001右侧腮腺Dmean/Gy 21.03±0.83 22.32±0.69 23.13±0.64 23.68±0.62 24.28±0.64 25.19±0.73 26.73±0.97 179.20 ＜0.001 V30/% 12.56±3.88 16.47±3.75 19.02±3.72 20.82±3.75 22.77±3.84 25.80±4.11 31.05±4.85 67.06 ＜0.001口腔Dmean/Gy 27.89±4.49 29.06±4.50 29.79±4.51 30.29±4.51 30.79±4.51 31.55±4.51 32.82±4.51 3.67 ＜0.001喉Dmean/Gy 28.14±2.05 29.72±1.80 30.72±1.64 31.43±1.53 32.18±1.42 33.32±1.31 35.24±1.24 60.35 ＜0.001 V30/% 38.59±11.30 45.87±9.19 50.64±7.84 53.89±7.27 57.20±7.00 61.83±6.89 68.71±7.10 43.02 ＜0.001

不同MLCerror下的Dmean偏差变化图如图3 所示。PTV69的Dmean在不同MLCerror中的剂量梯度为6.1 %/mm，PCTVp1的Dmean的剂量梯度为6.0 %/mm，PCTVp2的Dmean的剂量梯度为6.3 %/mm，脊髓的Dmax的剂量梯度为10.6 %/mm，脑干的Dmax的剂量梯度为10.5 %/mm，左侧腮腺的Dmean的剂量梯度为12.3 %/mm，右侧腮腺的Dmean的剂量梯度为12 %/mm，口腔的Dmean的剂量梯度为8.1 %/mm；喉的Dmean的剂量梯度为11.2 %/mm。

图3 不同MLCerror下的剂量偏差

2.2 MLCerror和MAA对验证通过率的影响

MLCerror和MAA 对计划验证通过率的影响如图4所示，各个原计划（0 mm）子野面积差异对验证通过率的影响较小（97.1%～99.9%）。随着MLCerror的增加，不同MAA 的计划间的验证通过率差异显著增加；当MLCerror达到±1.0 mm 时，不同射野面积计划的验证通过率差异最大（51.7%～90.2%）。

图4 MAA与MLCerror对计划验证通过率的影响

3 讨论

MLCerror分为系统误差和随机误差，其中系统误差对整体的剂量影响较大。传统的适形野MLC 系统误差主要影响靶区的边缘剂量分布，对中心剂量的影响较小。在容积调强投照过程中，MLC 在每个控制点形成多个不同形态的强度调制子野。因此，MLC 系统误差对容积调强放疗中靶区的积分剂量的影响高于适形放疗，成为靶区剂量分布的重要影响因素。

张朋等[10]、袁青青[11]、Wang 等[12]的研究中将±2.0 mm 作为分析MLCerror的范围，探究MLCerror对不同位置的肿瘤（鼻咽癌，宫颈癌及前列腺癌）的剂量影响。上述研究中，MLCerror的上限高于TG142 报告中针对MLCerror的质控要求[6]。Boylan 等[13]认为，连续剂量率变化的MLCerror应小于0.6 mm。Nithiyanantham等[14]则对MLC 的位置精度提出更高的要求，建议控制在0.5 mm 以内。本研究结合日常加速器的MPC 数据分析，认为EDGE加速器最大MLCerror小于1.0 mm。因此，本文设置实验组时并未考虑MLCerror＞1.0 mm 的情况。

研究发现，因MLCerror造成靶区（PTV69、PCTVp1和PCTVp2）剂量偏差为6.0 %/mm～6.3 %/mm，小于OAR 的剂量偏差8.1 %/mm～44.4 %/mm，表明MLCerror对临近OAR 的影响大于对靶区的影响。而各个临近靶区的OAR（脑干、脊髓、腮腺、口腔和喉）随着MLCerror的变化存在差异，此种差异可能受靶区与OAR的相对位置关系、形状体积和处方剂量限值等因素影响[15]。针对剂量差异、射野面积大小与MLC 系统误差三者的关系，Moon 等[16]发现，随着子野宽度降低，剂量偏差增加，前列腺癌容积调强计划的验证通过率下降。杨继明等[17]更进一步分析了不同肿瘤靶区剂量敏感度与平均子野宽度之间的关系，发现鼻咽癌容积调强平均剂量偏差与平均子野宽度成反比，与MLC 系统误差成正比。本文中使用的Eclipse 计划系统优化参数未配置子野宽度限制选项，但可根据临床需求更改Eclipse 计划系统中的射束形态控制器限制子野面积[18]。本研究发现，-0.2 mm＜MLCerror＜0.2 mm 计划的验证通过率均满足TG218报告的需求（＞90%）。当MLCerror达到±0.5 mm时，仅当MAA ＞5000 mm2的计划验证通过率＞90%；当MLCerror达到±1.0 mm 时，仅有部分MAA＞8000 mm2的计划验证通过率＞90%。上述结果表明，当射束中含有较多小子野计划及立体定向放射治疗计划时，MLCerror＜1.0 mm仅能作为临床质控的下限，而非金标准。对于复杂计划则需要尽可能将MLCerror控制在＜0.5 mm 范围内，以满足临床质控需求。除此之外，提高大野的使用并降低小野的使用率是降低MLCerror对投照剂量影响的重要方法。关于子野面积大小对计划的影响，李光俊等[19]研究了计划复杂度与γ 通过率的相关性，发现复杂的VMAT计划往往与计划MU、射野面积大小相关。Huang 等[20]在研究中发现，子野面积与验证通过率呈正比关系。在对鼻咽癌子野面积的研究[17]中发现，降低投照射野中子野面积＜9 cm2所占的百分比后能显著提高计划验证通过率。

综上所述，MLCerror对靶区的影响小于OAR 的影响，控制MLCerror更有利于对OAR 的保护；在相同的MLCerror下，更大的子野面积有助于降低因MLC 系统误差造成的通过率下降。因此，对于鼻咽癌等复杂的放疗计划，本文建议将MLCerror精度控制在0.5 mm 以内并降低小子野使用率，以保护OAR，保证计划执行的精确度。