不同系統擺位誤差對鼻咽癌雙弧VMAT及動態IMRT計劃中劑量分布影響的比較

戴 鵬 張 平賴名耀羅龍輝吳 偉蔡林波*

不同系統擺位誤差對鼻咽癌雙弧VMAT及動態IMRT計劃中劑量分布影響的比較

戴 鵬①張 平①賴名耀①羅龍輝①吳 偉①蔡林波①*

目的：比較不同系統擺位誤差對鼻咽癌雙弧容積調強弧形治療(VMAT)計劃及動態調強放射治療(IMRT)計劃中劑量分布的影響。方法：選取6例鼻咽癌患者，分別設計雙弧VMAT計劃及動態IMRT計劃，在計劃系統中將治療中心向患者左右、腹背及頭足方向各平移3 mm和5 mm，模擬兩種系統擺位誤差。將模擬誤差后的計劃與原計劃進行比較，觀察兩種放射治療技術在不同誤差下，對靶區及主要危及器官劑量分布的影響。結果：雙弧VMAT計劃與動態IMRT計劃比較，3 mm誤差下腫瘤體積(GTV)D98的變化差異無統計學意義(t=-0.402，P＞0.05)；5 mm誤差下，變化差異亦無統計學意義(t=-0.125，P＞0.05)；而臨床靶區(CTV)D95的變化雙弧VMAT計劃較動態IMRT計劃大，誤差為5 mm時差異有統計學意義(t=3.572，P＜0.05)；腹背及頭足方向為甚，最大變化為CTV D95較原計劃降低5%。危及器官方面，在相同誤差下，腦干及眼晶狀體Dmax的變化，動態IMRT計劃較雙弧VMAT計劃大；脊髓Dmax及腮腺D50的變化，動態IMRT計劃與雙弧VMAT計劃比較差異不明顯；同一誤差下，危及器官劑量變化較靶區更明顯；最大增幅接近50%。結論：雙弧VMAT計劃對于擺位誤差的敏感性較動態IMRT計劃高，對于腦干及眼晶狀體的保護優于動態IMRT計劃。擺位誤差導致危及器官的過量照射較靶區欠量更明顯。在鼻咽癌調強放射治療中，若擺位誤差＞2 mm，需進行誤差糾正，確保放射治療的精確性，減少危及器官的誤照。

鼻咽癌；擺位誤差；劑量分布；調強放射治療；容積調強弧形治療

戴鵬,男,(1981- ),碩士，主治醫師。廣東三九腦科醫院腫瘤綜合治療中心，從事頭頸腫瘤放射治療劑量學研究。

目前，臨床上鼻咽癌調強放射治療(intensity modulated radiation therapy，IMRT)計劃的常用設計模式為360。均分9野，無論從計劃的適形度還是劑量均勻度均能很好滿足臨床要求。而雙弧容積調強弧形治療(volumetric modulated arc therapy，VMAT)技術則是在常規調強的基礎上將機架運動速度、照射劑量率及準直器角度都納入為計劃優化的條件，增加治療的自由度，以生成高度適形的劑量分布，其治療時間及機器跳數均較動態IMRT技術明顯減少[1]。由于大量參數的引入，雙弧VMAT計劃優化工作量很大，對于雙弧VMAT計劃的質量保證更嚴格[2]。精確的治療擺位是最大程度發揮調強放射治療優越性的關鍵性步驟之一。有研究表明，雙弧VMAT計劃較動態IMRT計劃在劑量學分布上更有優勢，對于鼻咽癌等頭頸部腫瘤，以及膠質瘤、腦轉移瘤等均具有治療快速、安全及精準的特點[3-4]。本研究通過模擬不同系統擺位誤差，比較分析其對雙弧VMAT計劃與動態IMRT計劃中劑量分布的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料

隨機選取2016年1-5月廣東三九腦科醫院腫瘤綜合治療中心收治確診為鼻咽癌的6例患者的鼻咽部定位CT圖像，其中男性5例，女性1例；年齡35～56歲，中位年齡43歲；T3期4例，T4期2例。

1.2 儀器與材料

20層大孔徑螺旋CT模擬定位機(SOMATOM Definition AS，德國西門子)；Eclipse計劃系統(11.0版本，美國瓦里安)；V型插拔式頭頸肩膜(廣州科萊瑞迪)。

1.3 研究方法

1.3.1 CT定位及靶區勾畫

所有患者取仰臥位，采用真空墊加頭頸肩熱塑膜固定，做好體表標記，使用大孔徑CT模擬定位機對患者行CT掃描，層厚3 mm，掃描的CT圖像傳至Eclipse計劃系統。由醫生勾畫靶區和危及器官。

1.3.2 計劃設計

所有計劃均采用同步加量調強技術，均使用TPS進行逆向優化設計動態IMRT計劃和雙弧VMAT計劃(IMRT和VMAT)。IMRT采用9個360°范圍內均分機架角度的共面調強射野，準直器依據規避眼晶狀體位置進行適當角度旋轉。VMAT使用共面雙弧射野，181°順時針旋轉至179°，準直器10°；179°逆時針旋轉至181°，準直器350°。兩種計劃的劑量約束條件和優化參數相同，均采用AAA算法。95﹪計劃靶區滿足相應處方劑量要求。正常組織限量值：脊髓＜45 Gy，腦干＜54 Gy，腮腺D50＜35 Gy，眼晶狀體＜7 Gy，視交叉＜54 Gy，顳頜關節＜70 Gy，顳葉＜60 Gy，眼球＜30 Gy。

1.3.3 模擬系統誤差

在計劃系統中，通過移動治療等中心的方式將治療靶區分別向患者腹背、左右及頭足方向各分別移動3 mm 和5 mm，復制原計劃，不進行通量優化，直接計算劑量分布，模擬系統擺位誤差。在每例患者原IMRT和VMAT基礎上，生成24個計劃，共計26個計劃。所生成的放射治療計劃，均不作為實際執行治療計劃用，僅用于試驗參數比較。

1.4 劑量學參考指標

比較分析參數為：GTV D98(98﹪體積受照劑量)；CTV D95(95﹪體積受照劑量)；腦干、脊髓及眼晶狀體最大劑量(Dmax)；腮腺50﹪體積受照劑量(D50)。劑量變化=|(D系統誤差-D原計劃)|/D原計劃×100﹪。

1.5 統計學方法

采用SPSS16.0版統計軟件進行數據分析。數據以均數±標準差(x-±s)表示。兩均數比較采用配對t檢驗，多個均數比較采用單因素方差分析，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 靶區受照劑量變化

系統擺位誤差下，VMAT及IMRT中GTV及CTV各個方向上均存在欠量，主要以腹背及頭足方向較大。GTV D98(3 mm誤差)：最大幅度IMRT為1.47﹪；VMAT為0.63﹪；GTVD98(5 mm誤差)：最大幅度IMRT為3.65﹪；VMAT為3.53﹪。CTV D95(3 mm誤差)：最大幅度IMRT為1.82﹪；VMAT為2.29﹪。CTV D95(5 mm誤差)：最大幅度IMRT為4.25﹪；VMAT為5.01﹪。3 mm誤差對GTV D98的劑量變化的影響，VMAT與IMRT比較差異無統計學意義(t=-0.402，P＞0.05)；5 mm誤差對GTV D98的劑量變化的影響，VMAT與IMRT比較差異無統計學意義(t=-0.125，P＞0.05)；而CTV D95的劑量變化VMAT較IMRT大，誤差達到5 mm時，差異有統計學意義(t=3.576，P＜0.05)，見表1。

表1 擺位誤差導致VMAT和IMRT計劃靶區劑量變化的比較(%，±s)

表1 擺位誤差導致VMAT和IMRT計劃靶區劑量變化的比較(%，±s)

2.2 主要危及器官受照劑量變化

系統擺位誤差導致等中心偏向危及器官所在位置時，各危及器官受照劑量均增加。腦干及脊髓Dmax(3 mm誤差)：最大增幅IMRT分別為26.3﹪和22.55﹪；VMAT分別為23.88﹪和21.23﹪；腦干及脊髓Dmax(5 mm誤差)：最大增幅IMRT分別為45.02﹪和45.67﹪；VMAT分別為39.51﹪和43.85﹪。眼晶狀體Dmax(3 mm誤差)：最大增幅IMRT為26.1﹪；VMAT為17.59﹪；眼晶狀體Dmax(5 mm誤差)：最大增幅IMRT為43.82﹪；VMAT為25.37﹪。

腮腺分布于鼻咽癌靶區兩側，左右方向誤差對其影響最大。腮腺D50(3 mm誤差)：最大增幅IMRT為26.83﹪，VMAT為28.69﹪；腮腺D50(5 mm誤差)：最大增幅IMRT為48.25﹪，VMAT為47.73﹪。

腦干Dmax在3 mm和5 mm誤差下，VMAT較IMRT變化小，差異有統計學意義(t=-2.687，t=-2.850；P＜0.05)。眼晶狀體Dmax在3 mm和5 mm誤差下，VMAT較IMRT變化小，差異有統計學意義(t=-2.625，t=-3.963；P＜0.05)。脊髓Dmax及腮腺D50的變化，兩計劃差異不明顯，見表2。

2.3 靶區與危及器官劑量變化的比較

在VMAT或IMRT計劃中，3 mm及5 mm誤差導致的危及器官劑量變化均明顯大于靶區劑量變化。VMAT計劃中，CTV D95劑量變化明顯大于GTV D98，而IMRT計劃中兩者差異不明顯，見表3。

表2 擺位誤差導致VMAT和IMRT計劃OARs劑量變化的比較(%，±s)

表2 擺位誤差導致VMAT和IMRT計劃OARs劑量變化的比較(%，±s)

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表3 6例鼻咽癌患者靶區與危及器官劑量變化的比較(%，±s)

表3 6例鼻咽癌患者靶區與危及器官劑量變化的比較(%，±s)

注：a：腦干Dmax，脊髓Dmax，眼晶狀體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。

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3 討論

調強技術給腫瘤放射治療帶來了劑量學上的巨大飛躍，其所涉及的計劃設計及質量保證復雜，對放射治療擺位精確度也提出了較高的要求。鼻咽癌患者在計劃實施過程中，存在不同程度的系統誤差和隨機誤差。系統誤差為實際治療位置與模擬定位時位置的差異，而隨機誤差，則出現在整個放射治療計劃執行期間，為每日治療重復性差異，與患者擺位密切相關，具有偶然性和不確定性，故系統和隨機誤差對劑量的影響是不同的[5]。Stroom等[6]的研究表明，放射治療過程中系統誤差對擴邊擺位的影響比隨機誤差大。

本研究對鼻咽癌VMAT及IMRT在系統擺位誤差下的劑量變化進行了對比分析，發現VMAT對誤差的影響更敏感，計劃中體積較大的CTV(臨床靶區)在誤差情況下更容易出現欠量的現象，可能與VMAT有更好的適形度有關。國外有文獻[7-8]報道，VMAT與IMRT比較，在靶區適形度及靶區均勻性方面相似，甚至優于IMRT。本研究提示，對于腦干及眼晶狀體的保護，VMAT可能要優于IMRT。國外研究[9-10]也顯示，VMAT與IMRT比較，對于危及器官的保護更強，對于聽力的保護亦顯示出一定的優越性[11]。5 mm以內的誤差所致兩種計劃中脊髓及腮腺的劑量變化差異無統計學意義，考慮與其解剖位置有關。脊髓從上至下幾乎貫穿鼻咽癌整個臨床靶區范圍，而腮腺則成對位于鼻咽癌靶區的兩側，一個方向上的誤差不足以導致兩種計劃在劑量上的明顯差異。而5 mm的誤差，在鼻咽癌放射治療中均予以糾正。

隨著誤差增大，靶區及危及器官的劑量變化均明顯增大。靶區表現為6個方向誤差均可導致其劑量降低，以腹、背、頭、足方向明顯，5 mm擺位誤差時達到原計劃的5﹪。當治療中心偏移至危及器官所在方向時，其劑量增幅明顯，最高接近原計劃的50﹪。相同誤差下，無論VMAT或IMRT中危及器官的劑量變化幅度均明顯高于靶區。潘建基等[12]研究發現，擺位平移2 mm和3 mm或旋轉誤差3°以上即可使靶區照射劑量降低和周邊危及器官照射劑量升高，其中周圍正常器官的誤照比靶區漏照更為明顯，與本研究一致。3 mm誤差下，兩種計劃中的危及器官劑量變化均有超過原計劃20﹪，可能與本研究中鼻咽癌病例均為中晚期有關。腫瘤侵犯范圍廣，危及器官處于劑量迅速跌落的陡峭區域，在誤差接近或超過該距離時，劑量增幅非常明顯。

當誤差在3 mm以內時，VMAT及IMRT中靶區均未出現超過3﹪的劑量偏差，誤差增至5 mm，靶區欠量則到達原計劃5﹪，而危及器官劑量增幅更加明顯。而5﹪以上的劑量變化即可導致放射治療有效率的降低和并發癥出現概率的增加[12-13]。Yin等[14]對VMAT放射治療計劃治療鼻咽癌的分次間誤差進行了研究，結果顯示，其劑量分布受誤差影響明顯，指出在無CBCT進行每日誤差修正的情況下，建議鼻咽癌PTV外擴邊界增加至5 mm。加強對擺位誤差的控制，是保證調強治療安全準確實施的重要步驟之一。Siebers等[15]研究了擺位誤差對頭頸腫瘤同步推量IMRT治療的影響，發現同步推量IMRT治療計劃對系統誤差的敏感性明顯高于隨機誤差。因此，只有在治療期間實現重復性較高的定位及擺位方案，才能確保靶區接受足夠的有效劑量照射。在中晚期鼻咽癌中，控制擺位誤差對于保護危及器官更顯重要。

鼻咽癌調強放射治療中允許擺位誤差通常≤3 mm，本研究中發現中晚期鼻咽癌計劃中3 mm誤差對危及器官的劑量影響已十分明顯，為了更好地保護周圍正常器官，建議在擺位誤差＞2 mm時即予以糾正。其中VMAT對擺位誤差的敏感性較IMRT高，對危及器官的保護較優。由于總治療時間的縮短，在對減少患者分次治療內體位移動、器官體積變化和運動等不確定因素所帶來誤差的控制方面，VMAT更具優勢。

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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

A

2016-11-19

①廣東三九腦科醫院腫瘤綜合治療中心 廣東 廣州 510510

*通訊作者：56909387@qq.com

[First-author’s address] Comprehensive Therapy Center of Cancer, Guangdong 999 Brain Hospital, Guangzhou 510510, China.