贺先桃，谭军文，李 钢，冯永富，龙雨松

（广西医科大学第四附属医院肿瘤科放疗室，广西柳州 545005）

0 引言

容积旋转调强放疗（volumetric modulated arc therapy，VMAT）是当前主要的调强放疗技术，其可在出束的同时旋转机架并连续调节机架转速、多叶准直器（multileaf collimator，MLC）形状以及输出剂量率[1-2]。相较于静态调强放疗，其调节手段更多、方式更灵活，理论上可获得更优的靶区剂量分布，也正因如此，加速器在实际执行计划系统设计的计划时也面临诸多挑战，其中之一便是当机架从某一控制点旋转到下一控制点时，MLC射野孔径即子野能否顺利、有效地变换，因为MLC叶片快速运动且其孔径形状可能存在着巨大改变[3-4]。为了应对这一挑战，VMAT计划中引入了叶片运动限制（constrain leaf motion，CLM）参数，其定义为机架每旋转1°MLC所能运动的最大距离，单位为cm/（°）[5]。因此，在控制点间隔一定的情况下，CLM值越小，相邻两控制点间叶片的最大运动距离就越小，也就代表着对MLC的运动限制越严格。MLC进行运动限制后必定会对VMAT计划产生影响[6]，因此，本文中以本科室数量较多且靶区复杂的鼻咽癌患者为例，仔细研究CLM参数是如何影响VMAT计划的质量、执行效率及执行精度等，为临床中合理设定CLM参数提供参考。

1 资料与方法

1.1 病例选择

回顾性选取本院肿瘤科2019年3—11月接受放疗的鼻咽癌患者20例，其中男性13例、女性7例，中位年龄45岁，放疗前均签署放疗知情同意书，且该项研究已获医院伦理委员会审查通过。纳入标准：（1）临床分期均处于Ⅲa～Ⅲb 期；（2）均为首程放疗；（3）靶区和危及器官（organ at risk，OAR）的相对位置分布合理。排除标准：（1）KPS 评分＜80 分；（2）有放疗禁忌证。

1.2 CT定位

患者仰卧，双手平放于体侧，采用热塑头颈肩膜固定，注射碘佛醇进行影像增强，扫描范围为头顶至锁骨下2 cm，扫描层厚3 mm。扫描所得CT图像传至RayStation治疗计划系统进行三维重建。

1.3 靶区和危及器官勾画

根据2017鼻咽癌国际临床靶区勾画指南标准，依次勾画肿瘤靶区（gross tumor volume，GTV）及临床靶区（clinical target volume，CTV），其中肿瘤靶区包含鼻咽部原发肿瘤靶区（GTVnx）、咽后转移淋巴结（GTVrpn）、颈部转移淋巴结（GTVnd），CTV 包含高危 CTV1及低危 CTV2、CTV3、CTV4。上述各靶区外扩3 mm得到相应的计划靶区（planning target volume，PTV），即 PGTVnx、PGTVrpn、PGTVnd、PTV1、PTV2、PTV3、PTV4。PGTVnx、PGTVrpn的处方剂量均为 7 006 cGy/31次；PGTVnd的处方剂量与淋巴结高危程度有关，分为7 006、6 603、6 417 cGy/31 次；PTV1为 6 603 cGy/31次；PTV2、PTV3、PTV4均为 5 425 cGy/31 次。为便于比较、评估，将所有处方剂量为7 006 cGy的靶区合并成PTV7006（PTV6603、PTV6417、PTV5425以此类推）。主要危及器官包括眼晶体、视神经、视交叉、脑干、腮腺、脊髓、下颌骨、颞叶等。

1.4 计划设计

选用瓦里安Trilogy直线加速器，其机架旋转时的最大运行速度为4.8°/s；该加速器配置120片MLC叶片，可形成最大40 cm×40 cm的射野，在等中心处的投影宽度为5 mm，每片叶片的最大运行速度为2.5cm/s。针对每例患者在RayStation4.7.5计划系统上分别设计VMAT计划，将计划参数设置中的CLM值分别设定为0.15、0.30、0.50、0.65、0.85、1.10 cm/（°），将相应的计划命名为 MLC0.15、MLC0.30、MLC0.50、MLC0.65、MLC0.85、MLC1.10；射线类型为 6 MV X 射线，剂量计算网格为3 mm，相邻控制点间隔3°，剂量计算采用卷积叠加算法（collapsed cone convolution，CCC）；计划均采用1个全弧（逆时针 178°～182°）+2个半弧（顺时针 0°～178°、182°～0°）设计。每个计划均设置相同的优化函数并进行充分优化计算，最终每例患者得到6个CLM值不同的VMAT计划。

1.5 评估方法

为了便于比较，将所有计划的95%的PGTVnx靶区体积归一至处方剂量，具体评估方法如下：

（1）子野形状及大小：大致评估CLM值不同时各控制点子野形状，并统计每个计划在各个控制点的子野面积及出现该面积的次数。子野面积在统计时进行取整并做“四舍五入”处理。

（2）靶区、危及器官剂量及靶区外低剂量区域评估：根据ICRU 83号报告[7]，靶区的最大剂量、最小剂量分别用D2（2%的靶区体积所接受的剂量，以此类推）、D98表示，本研究比较靶区的D2、平均剂量（Dmean）、D98、靶区覆盖率（处方剂量包围的靶体积与靶区总体积比值）、靶区适形性指数（conformity index，CI）[CI=（靶区接受的处方剂量体积/靶区体积）×（靶区接受的处方剂量体积/全身接受处方剂量的体积），CI值越接近1说明靶区适形度越高]、靶区均匀性指数（homogeneity index，HI）[HI=（D2-D98）/D50，HI 值越接 近 零说明靶区剂量越均匀]。比较VMAT计划的靶区外4 000 cGy的低剂量分布区域的体积，用LD4000表示。主要危及器官按其类型不同可分别统计最大剂量（Dmax）、D2、D5及V30（30 Gy的等剂量线所包绕的体积占比）。

（3）出束时间及机器跳数比较：统计CLM值不同时各个计划在瓦里安Trilogy直线加速器的治疗出束时间和机器跳数，用以评估机器的执行效率。

（4）剂量验证γ通过率评估：PTW公司的OCTAVIUS Detector 1500二维电离室矩阵和OCTAVIUS 4D[8]圆柱形模体相配合使用，采用实际射野整体测量，用PTW MEPHYSTO Navigator软件对20例患者的所有VMAT计划进行γ通过率的统计分析。根据美国医学物理学家协会（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）TG218 号报告，γ 通过率采用最大剂量点进行全局归一，阈值设置为10%即只分析大于10%最大剂量点区域内的点[9-10]，评判标准设为3%/2 mm，评判后若γ通过率≥95%（容差限值）则认为该计划验证通过，＜90%（干预限值）则验证失败，而介于90%至95%之间则需仔细检查靶区和危及器官的γ分布，再决定治疗计划的实施与否。

1.6 统计学分析

应用SPSS 18.0软件进行统计学分析。每组数据采用K-S检验计量资料是否符合正态分布，若符合正态分布用均数±标准差（±s）表示，各组数据间均行单因素方差比较分析，P＜0.05时表明组间数据具有显著差异。

2 结果

2.1 子野比较

CLM值分别为0.15、0.50、1.10 cm/（°）时，对应的MLC0.15、MLC0.50、MLC1.103种计划在某 3个连续控制点的子野形状如图1所示，子野面积的具体分布频率如图2所示。从图1可以看出，这3种计划的子野形状有着显著差别，CLM值越大，MLC越易形成小而狭长且形状多变的孔径，形成的子野面积MLC0.15＞MLC0.50＞MLC1.10。从图 2 可以看出，这 3 种计划中各个子野以某面积出现的频率是不一样的：MLC0.15计划中，≥90 cm2的大子野所占比例达到70%以上，其中120和130cm2的大子野占比达15%左右，而≤40 cm2的小子野只占了约2.5%；MLC1.10计划中，≥90 cm2的大子野分布比例明显减少，只占约15%，并且没有出现120和130 cm2的大子野，而≤40 cm2的小子野分布比例已超过20%，多数子野分布在60、70及80 cm2附近，占55%左右；MLC0.50计划的子野面积分布则大致介于MLC0.15和MLC1.102种计划之间。

图1 3种计划在连续3个控制点的子野形状比较

图2 3种计划的子野面积分布频率比较

2.2 靶区剂量及靶区外低剂量分布体积比较

靶区PTV6003、PTV6417及PTV5425各项评估参数行单因素方差分析后差异均不明显（P＞0.05），故不进行列表处理。靶区PTV7006的剂量及靶区外低剂量分布体积LD4000见表1。从表1可以看出，处方剂量为7 006 cGy时6种计划的靶区D2、Dmean、HI以及 LD4000差异显著（P均＜0.05）。值得一提的是，CLM值≥0.50 cm/（°）时的LD4000相比CLM值为0.15、0.30 cm/（°）时减少将近一半，差异明显。综上，当CLM值≥0.50 cm/（°）时，VMAT计划有着更优的靶区剂量分布以及靶区外低剂量分布体积。

表1 20例鼻咽癌患者6种计划靶区PTV7006的剂量和靶区外低剂量分布体积LD4000比较（±s）

表1 20例鼻咽癌患者6种计划靶区PTV7006的剂量和靶区外低剂量分布体积LD4000比较（±s）

分组 D2/cGy D98/cGy Dmean/cGy 靶区覆盖率/% CI HI LD4000/cm3 MLC0.15 7 500±51 6 992±34 7 295±32 96.45±0.55 0.69±0.05 0.069±0.010 134±26 MLC0.30 7 447±65 6 999±35 7 233±36 96.86±0.59 0.70±0.04 0.064±0.012 102±29 MLC0.50 7 395±71 6 995±37 7 183±50 97.97±0.67 0.72±0.05 0.059±0.014 69±15 MLC0.65 7 382±90 6 996±39 7 172±52 98.07±0.70 0.72±0.03 0.058±0.017 59±18 MLC0.85 7 366±85 6 999±31 7 158±46 98.06±0.61 0.71±0.05 0.056±0.016 52±13 MLC1.10 7 350±95 6 998±31 7 150±43 98.15±0.66 0.71±0.05 0.054±0.017 52±15 F 6.351 1.497 3.428 0.207 0.143 4.985 5.728 P 0.000 0.206 0.018 0.958 0.981 0.000 0.000

2.3 危及器官剂量比较

危及器官剂量统计结果见表2。从表2可以看出，脑干、脊髓、腮腺、视交叉以及视神经受CLM参数的影响显著（P均＜0.05），随着CLM值的增大，其所受剂量大体呈下降趋势，其中在CLM值≤0.50 cm/（°）时随CLM值的增大上述危及器官受量下降的幅度更大，之后变化趋势变缓。具体结合表中数据，充分表明CLM参数对部分重要危及器官影响显著，当CLM值＜0.50 cm/（°）时将会使它们的受量增大。

表2 20例鼻咽癌患者6种计划危及器官剂量比较（±s）

表2 20例鼻咽癌患者6种计划危及器官剂量比较（±s）

右腮腺V30/%MLC0.15 495±56 506±46 5 898±260 4 565±437 41.92±4.99 40.41±1.55 MLC0.30 496±57 505±43 5 824±211 4 397±340 40.19±5.19 39.24±2.47 MLC0.50 498±52 506±48 5 770±248 4 170±262 39.69±5.39 38.89±2.55 MLC0.65 497±51 507±46 5 739±219 4 140±238 39.42±4.71 38.47±2.82 MLC0.85 497±49 504±50 5 692±222 4 139±225 39.21±4.60 37.89±2.67 MLC1.10 498±55 504±54 5 690±236 4 131±253 39.22±4.58 37.98±2.63 F 1.174 1.056 4.235 3.627 3.348 3.417 P 0.334 0.392 0.000 0.007 0.036 0.023分组 左眼晶体Dmax/cGy右眼晶体Dmax/cGy脑干D2/cGy脊髓Dmax/cGy左腮腺V30/%右下颌骨D5/cGy 4 734±680 4 850±515 4 931±537 4 943±971 5 259±555 5 504±635 5 422±789 4 657±766 4 778±513 4 872±591 4 958±918 5 290±547 5 475±609 5 404±801 4 573±749 4 684±673 4 797±584 4 948±958 5 248±553 5 461±667 5 394±806 4 547±692 4 643±647 4 766±652 4 964±873 5 272±483 5 477±655 5 383±720 4 535±847 4 625±616 4 751±523 4 962±872 5 265±586 5 456±632 5 396±783 4 530±775 4 630±671 4 743±501 4 964±843 5 273±571 5 471±626 5 399±777 3.686 5.764 3.385 0.159 0.101 0.479 0.136 0.000 0.000 0.027 0.976 0.992 0.790 0.983视交叉D5/cGy左视神经D5/cGy右视神经D5/cGy左颞叶D5/cGy右颞叶D5/cGy左下颌骨D5/cGy

2.4 出束时间和机器跳数比较

出束时间和机器跳数的统计结果见表3，出束时间和机器跳数随CLM值变化的曲线如图3所示。由表3和图3可以看出，CLM参数对两者的影响均相当明显（P=0.000）。对于CLM的6个取值，出束时间在CLM值＜0.50 cm/（°）时变化差异不大，但从0.50 cm/（°）开始，出束时间明显增加，在CLM值为1.10 cm/（°）时的出束时间约为0.50 cm/（°）时的2倍。而对于机器跳数，则可看出其随CLM值的增大呈近似线性的增长，差异显著。此结果充分说明CLM参数对出束时间和机器跳数影响显著，从而间接影响着机器的执行效率和损耗。

2.5 剂量验证γ通过率比较

γ通过率的比较结果见表3。从表3可知，CLM参数对γ通过率有着显著影响（P=0.000），当CLM值为0.15、0.30、0.50及0.65 cm/（°）时，3%/2 mm的γ通过率呈逐步下降的趋势，但均达到了容差限值95%以上；当CLM值为0.85、1.10 cm/（°）时，γ通过率均低于95%的容差限值，但处于干预限值（90%）以上。此结果说明γ通过率受CLM参数的影响显著：随着CLM值的增大，剂量验证γ通过率逐渐降低，影响机器执行治疗计划的精度。

表3 20例鼻咽癌患者6种计划出束时间、机器跳数及γ通过率比较（±s）

表3 20例鼻咽癌患者6种计划出束时间、机器跳数及γ通过率比较（±s）

分组 出束时间/s 机器跳数/MU γ通过率/%MLC0.15 153.0±5.9 496.5±66.4 97.5±0.4 MLC0.30 153.2±7.7 514.0±57.0 97.0±0.3 MLC0.50 161.3±3.2 544.8±69.2 96.3±0.2 MLC0.65 204.6±7.6 572.4±73.6 95.4±0.3 MLC0.85 253.8±21.8 605.4±76.4 93.7±0.3 MLC1.10 294.7±31.0 646.3±67.1 93.3±0.3 F 12.011 6.802 8.032 P 0.000 0.000 0.000

3 讨论

MLC叶片的调节在VMAT技术中占据着非常重要的位置，因为VMAT计划的复杂程度主要归结于旋转弧中MLC所形成的孔径形状的复杂程度及尺寸大小，孔径尺寸偏小、形状过于复杂有可能影响VMAT计划的执行效率和精度[11-13]。VMAT计划包含众多控制点，而孔径形状及大小又直接与两控制点间MLC的运动距离密切相关，因此有必要对MLC运动加以限制以保证VMAT计划的有效投照[14-15]，从而引入了CLM参数。本研究分析了CLM参数对鼻咽癌VMAT计划整体质量、执行效率及执行精度等的影响，这在国内文献中目前鲜有报道。

图3 出束时间和机器跳数随CLM值变化的曲线

CLM参数对VMAT计划中各控制点的子野形状及其面积有着显著影响：CLM值越大，子野形状差别越明显，计划中小面积子野所占比例也逐步增大，这与Yang等[16]的研究结果一致。这可以解释为越大的CLM值意味着对MLC的运动限制越宽松，两控制点间叶片的运动距离也就越大，而叶片运动距离越大理论上就说明叶片拥有更多、更大的空间去形成更为复杂的子野，调强放射治疗中复杂的子野往往伴随着更小的子野面积[17-18]，因此VMAT计划中小面积子野所占比例逐步增大，从而导致VMAT计划的调制程度明显增大。调制程度的增大对计划整体质量来讲是有利的，因此本研究中较大的CLM值[≥0.50 cm/（°）]对VMAT计划有着更优的靶区剂量以及靶区外低剂量分布体积；另外，脑干、脊髓、腮腺、视神经、视交叉的受照剂量在CLM值≥0.50 cm/（°）时均下降得比较明显，而其他危及器官受CLM参数的影响不明显，可能是其离靶区距离较远或者与靶区重叠交叉部分占其本身比例较小，MLC叶片针对它们的调制贡献不大所致[6]。

本研究中VMAT计划的出束时间在CLM值＜0.50 cm/（°）时差别不大，但CLM值≥0.50 cm/（°）后出束时间随CLM值的增大而显著增加。经研究分析：加速器MLC的速度与其机架运行速度的比值即反映出了CLM值的大小[16]。机器MLC的限定速度为2.5 cm/s，机架默认状态下是以限定速度4.8°/s运行，两者比值为0.50 cm/（°）左右，因此当机器以限定速度运行时，CLM参数的最大值即为0.50 cm/（°）左右。故CLM值＜0.50 cm/（°）时，机架基本以限定速度或接近限定速度运行，所以此范围内VMAT计划的出束时间相差不大。为使CLM值≥0.50 cm/（°），只有让机架最大速度低于限定速度4.8°/s；显然在此范围内CLM值越大，机架速度越慢，从而造成出束时间的增加。从上文分析可知，CLM值增大时VMAT计划中小面积子野所占比例增大，调制手段也相应增加，由此会造成在相同的优化函数下机器跳数明显增加。因此在设计VMAT计划时不宜使用过大的CLM值，否则加速器治疗患者时的出束时间和机器跳数均会明显增加。

VMAT计划的每个旋转弧由一系列控制点所组成，在每个控制点上MLC只形成一个子野；而在放疗计划系统（treatment planning system，TPS）内，每个控制点被当成是一个静止的射野，也就是说TPS只保证机架在控制点所处的固定角度进行精确投照，而在两控制点间的投照是没有考虑进去的[6]。然而对于机器本身而言，它是以连续投照的方式在执行计划，并且MLC孔径形状在机架从某一控制点旋转到下一控制点时也是连续改变的。因此机器执行VMAT计划所得到的剂量分布与TPS中的相比是存在差异的，这种差异反映了计划执行精度[19]，在控制点间隔一定的情况下，其很大程度取决于两控制点间MLC孔径形状改变的多少[9]，即与两控制点间MLC的运动距离直接相关。本研究中VMAT计划的γ通过率随CLM值增大而下降明显，在CLM值＞0.65 cm/（°）时其γ通过率基本在容差限值以下，说明机器在执行计划时其精度是在逐步下降的。根据上述分析，CLM值增大时两控制点间的MLC最大运动距离增加，加大了子野形状的变化以及整体计划的调制程度，最终影响着VMAT计划γ通过率的提高。因此，设计VMAT计划时不应使用过大的CLM值，否则将使γ通过率下降，VMAT计划的执行精度降低。

综上所述，CLM参数对鼻咽癌VMAT计划的整体质量、执行效率、执行精度等影响显著，其取值直接影响着两控制点间MLC的最大运动距离，CLM值越大，对MLC的运动限制越宽松。经上述综合分析，本研究建议CLM值限定在0.50～0.65 cm/（°），以获取最优的VMAT计划。