比较全脑全脊髓容积旋转调强放疗（VMAT）优化方法的剂量学特征及其对衔接野间摆位误差的稳健性。
选取6例接受全脑全脊髓放疗患者，用Pinnacle 9.8治疗计划系统进行VMAT计划设计，优化方法分别选择交叠法和梯度优化法，交叠长度分别选择3 cm和9 cm，比较各方法得到VMAT计划的剂量分布。引入3 mm摆位误差，比较各方法得到计划的射野衔接区剂量冷热点，从而评估各计划的稳健性。
在不同的交叠长度下，交叠法和梯度优化法均可优化出符合临床要求的治疗计划；在射野衔接区，交叠法得到的剂量分布更均匀，均匀性指数差异有统计学意义；当引入3 mm摆位误差时，梯度优化法在9 cm交叠长度下的VMAT计划最稳健，而交叠法无法稳定得到稳健的计划。
对于全脑全脊髓VMAT计划优化，常用的交叠法虽可得到较好的剂量分布，但无法通过增加交叠长度提高其稳健性，而梯度优化法的射野衔接区剂量虽均匀性较差，但可通过增加交叠长度提高计划稳健性。
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全脑全脊髓放射治疗（craniospinal irradiation，CSI）在髓母细胞瘤、生殖细胞瘤及其他中枢神经系统肿瘤的治疗中发挥着重要作用。然而，由于照射的靶区长度远大于直线加速器的最大射野，需要用多个射野完成整体靶区的照射，其中设计射野的衔接是一个具有挑战的问题。由于线束的发散特性和摆位误差的存在，传统照射方法极易在射野衔接区出现剂量冷热点。调强放疗（intensity modulated radiation therapy，IMRT）[1,2]、容积旋转调强放疗（volumetric-modulated arc therapy，VMAT）[3,4]、螺旋断层放疗（Tomo therapy system，TOMO）[5,6]、质子放疗[7,8]等新技术在CSI治疗中，可有效提高靶区剂量的适形度和均匀性、降低危及器官（organ at risk，OAR）的受量以及解决射野衔接的问题。目前，TOMO和质子设备尚未普及，而基于加速器的VMAT技术因其较高的治疗效率而备受关注。
射野的衔接需要考虑2个方面：①当衔接野之间没有摆位误差时，要具有较均匀的剂量分布。②当衔接野之间存在摆位误差时，要尽量将误差引起的剂量冷热点控制在可接受的范围。目前，VMAT优化技术主要有2种，一种是通过设置交叠区域让治疗计划系统（treatment planning system，TPS）的优化算法自身寻找合适的衔接野匹配方式（交叠法）[4]；另一种是基于梯度优化的方法（梯度优化法）以减少衔接野摆位误差对交叠剂量的影响[9]。虽然，Fogliata等[4]认为"交叠法"可得到平缓的渐变叠加剂量，优化出的VMAT计划不会对衔接野间摆位误差太敏感[4]，但也有研究结果得出相反的结论[10]。此外，交叠区的长度对VMAT计划稳健性的影响尚不明确。因此，本研究主要研究交叠法和梯度优化法及不同交叠区长度对VMAT计划稳健性的影响。
选取2016年1月至2017年10月天津医科大学总医院收治的6例接受CSI治疗的患者作为研究对象。其中，男性1例，女性5例，年龄范围为12~46岁，中位年龄18岁。
BrillianceTM Big Bore CT模拟定位机（荷兰飞利浦公司），Elekta Synergy直线加速器、Elekta Synergy MLCi2多叶准直器（瑞典Elekta公司）。
定位时，患者仰卧，手臂放在身体两侧，以头颈肩膜和体膜固定，用CT模拟定位机进行扫描，层厚5 mm，扫描范围从头顶到尾骨水平。于定位图像上勾画出全脑全脊髓的范围作为临床靶区（clinical target volume，CTV）；通过CTV在脑部外扩3 mm，在脊髓部分外扩5 mm得到计划靶区（planning target volume，PTV），OAR包括晶体、双肺、心脏、肝脏和双肾。为了方便比较，所有计划均按照36 Gy（1.8 Gy/次，20次）的处方剂量进行设计。
使用直线加速器并利用Pinnacle V9.8 TPS软件进行VMAT计划设计，能量6 MV，优化模块选用SmartArc。选取3个等中心（iso-1、iso-2、iso-3）分别对脑部、脊髓上段和脊髓下段进行照射。为了摆位方便并减少误差，3个等中心均位于身体纵轴上且相互间隔25 cm（图1A）。该条件下，衔接野间的摆位误差主要由直线加速器治疗床的精度决定。本研究中，分别将交叠区域长度设置为3 cm和9 cm，以考察交叠区域对计划稳健性的影响。因此，共考查交叠法、3 cm，交叠法、9 cm，梯度优化法、3 cm，梯度优化法、9 cm，共4种条件下的计量计划效果。
使用交叠法进行VMAT计划设计时，脑部采用180°~30°和330°~181°部分弧以更好地保护晶体，上下段脊髓均采用180°~120°和240°~181°部分弧以减少对正常组织的照射，准直器角度为0°。在相邻等中心射野间设置一定长度的交叠区域（图1A）。
使用梯度优化法进行VMAT计划设计时，首先对脊髓上段（iso-2）进行优化，以使该段达到均匀的处方剂量并使其两侧的剂量逐渐减少；然后，在脊髓上段的基础上对脑部（iso-1）和脊髓下段（iso-3）进行优化，从而实现衔接区剂量的平缓过渡（图1B）。为便于比较，各等中心部分弧的设计及交叠长度的设置同交叠法。此外，为了优化出逐渐减少的剂量分布，需要在交叠区设置一系列相邻的子区域，如：当交叠长度为9 cm时，则将其勾画出9段长度为1 cm的子区域，从等中心到交叠区边缘以4 Gy/cm的梯度递减进行剂量优化（图1C）。
指标评价依据国际辐射学单位与测量委员会（international commission radiological units，ICRU）提出的ICRU83报告进行。用V95%、近似最大剂量D2%、近似最小剂量D98%和中位剂量D50%评估靶区剂量分布[11]。然而，由于PTV体积较大，2%的PTV约40 cm3，如果剂量冷热区在脊髓部位，这种评价方法显然不适用。因此，本研究中定义2个容易出现剂量冷热点的区域，即颈部衔接区PTV（PTVupper junction）和脊髓衔接区PTV（PTVlower junction），长度各11 cm，其2%的PTV体积约1 cm3（图1A）。
用来评价靶区剂量分布的适形性指数（CI）和均匀性指数（HI）如下式
式中：D2%和D2%分别为2%和9%靶区体积接受的剂量，VPTV，pres为95%的处方剂量线包绕的PTV体积，VPTV为PTV的体积，Vpres为95%的处方剂量线包绕的体积[1]。HI越小，表示剂量分布越均匀。
为了评价计划的稳健性，对iso-2引入3 mm头方向的摆位误差，以便评估PTVupper junction的剂量热点和PTVlower junction的剂量冷点。
采用SPSS22.0统计学软件处理数据，数据以均值±标准差（Mean±SD）表示。由于样本数量较少，各参数不一定满足正态分布，因此选择Wilcoxon符号秩检验，以P<0.05为差异有统计学意义。
结果表明，无论选择交叠法或梯度优化法，交叠区长度为3 cm或9 cm时（4种条件），均可得到符合临床要求的治疗计划，PTV的V95%可达约98%，近似最大剂量D2%小于处方剂量的110%（39.6 Gy），近似最小剂量基本达到处方剂量的95%（34.2 Gy），且其差异均无统计学意义（均P>0.05）。然而，当进一步评估射野衔接区的剂量分布时，发现对于PTVupper junction和PTVlower junction，交叠法得到的剂量分布（HI）更加均匀，差异均有统计学意义（均P<0.05），而交叠长度对HI的影响不明显。（表1、图2）
交叠法与梯度优化法的靶区剂量分布（Mean±SD）
交叠法与梯度优化法的靶区剂量分布（Mean±SD）
| 靶区 | 参数 | 交叠法 | 梯度优化法 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 3 cm | 9 cm | 3 cm | 9 cm | ||
| PTVupper junction | D2% | 38.800±0.980 | 38.850±0.730 | 39.790±0.460 | 38.780±0.300 |
| D98% | 35.540±0.670 | 35.490±0.320 | 34.200±1.070 | 34.130±0.500 | |
| HI | 0.088±0.014 | 0.090±0.018 | 0.151±0.031a | 0.127±0.015b | |
| TVlower junction | D2% | 38.370±1.120 | 38.230±0.520 | 39.350±0.750 | 39.530±1.130 |
| D98% | 35.600±0.660 | 36.040±0.420 | 34.120±0.670 | 35.290±0.480 | |
| HI | 0.075±0.016 | 0.059±0.009 | 0.141±0.012a | 0.114±0.033b | |
注：与交叠法3 cm时比较，aP<0.05；与交叠法9 cm时比较，bP<0.05
当在iso-2引入3 mm头方向的摆位误差时，PTVupper junction出现剂量热点，而PTVlower junction出现剂量冷点。如表1、表2所示，有摆位误差时，交叠法和梯度优化法下，PTVupper junction均产生了较高的剂量热点，其中交叠法D2%值比没有摆位误差时升高18%（3 cm交叠）和15%（9 cm交叠），梯度优化法D2%值比没有摆位误差时升高5.8%（3 cm交叠）和4.6%（9 cm交叠）；结果表明梯度优化法的VMAT计划表现更稳健。对于PTVlower junction，当交叠区长度为3 cm时，D98%值分别降低了10%（交叠法）和12%（梯度优化法）；而当交叠区长度为9 cm时，D98%值分别仅降低了8%（交叠法）和6.6%（梯度优化法）；结果表明，较长的交叠区得到的VMAT计划表现更稳健。
有摆位误差时交叠法与梯度优化法的靶区剂量分布（Mean±SD）
有摆位误差时交叠法与梯度优化法的靶区剂量分布（Mean±SD）
| 靶区 | 参数 | 交叠法 | 梯度优化法 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 3 cm | 9 cm | 3 cm | 9 cm | ||
| PTVupper junction | D2% | 45.87±1.47 | 44.75±1.17 | 42.08±0.98 | 40.58±0.39 |
| D98% | 35.84±0.64 | 35.89±0.42 | 35.23±0.57 | 34.66±0.54 | |
| PTVlower junction | D2% | 37.91±0.87 | 38.09±0.48 | 38.97±0.74 | 38.81±0.85 |
| D98% | 32.01±1.09 | 33.66±0.59 | 29.93±1.11 | 32.47±1.43 | |
理论上，交叠区的剂量分别由相邻中心的衔接野共同提供，如果交叠剂量平缓过渡（一侧衔接野剂量逐渐降低，另一侧衔接野剂量逐渐增加），则交叠长度越长，剂量分布曲线（profile）梯度越小，对摆位误差越不敏感，计划越稳健。然而，交叠法在交叠长度为9 cm时并未表现出该优势，进一步分析颈部射野衔接区的剂量分布曲线可以发现，当交叠长度为9 cm时，交叠法的剂量分布曲线并不是均匀变化的，且其最大剂量梯度甚至接近3 cm时的情况（图3A）。因此，当存在摆位误差时，交叠法出现了较高的剂量热点。而梯度优化法由于受优化条件控制，交叠长度越长，其剂量梯度越小，对摆位误差越不敏感（图3B）。
交叠法与梯度优化法在不同交叠长度时的OAR平均受量如图4所示。结果表明，通过部分弧的选择，可以避开OAR，从而使晶体、双肺、肝脏和双肾的平均剂量小于6 Gy，心脏平均剂量稍高（约8 Gy），4种条件下的OAR平均剂量差异无统计学意义（均P>0.05）。此外，3 mm的摆位误差对OAR的剂量影响甚微。
当进行CSI时，传统方法是全脑对穿结合脊髓单野照射，为了更好地完成射野交接，需要寻找合适的准直器角度、床角及射野大小；此外，为了减少冷热点的影响，需要多次调整射野交接部位，导致较为耗时。各种调强技术的发展使在一个计划内完成全脑全脊髓照射成为现实，而不再需要多次计划调整。然而，射野衔接区的处理依然是一个挑战，既要保证无摆位误差时剂量均匀，又要对摆位误差不太敏感，这需要交叠区剂量平缓过渡，因此发展出"野中野"[12]、"动态分野"[13]及"锯齿衔接"[1]等技术以解决该问题。然而，上述技术均是针对IMRT发展的，VMAT并不能直接套用。VMAT技术能在大大提高治疗速度的基础上提供不弱于IMRT的剂量分布而备受关注。多数研究中，直接将交叠区的剂量优化交给TPS优化算法完成，其交叠区长度的选择各不相同，并认为摆位误差的影响较小且没有进行定量阐述[3,4]。Myers等[9]采用梯度优化法进行剂量梯度优化，以得到可控的剂量过渡区并提高计划的稳健性；但是该方法中，将各种长度的交叠区均分成4个子区域进行优化，容易导致局部出现高剂量梯度区，而使profile曲线不平滑，丧失了交叠长度增加带来的优势。为了避免此类问题，本研究中将计量梯度优化所用子区域的长度控制在1 cm，以便于研究交叠长度对优化的影响。
本研究结果表明，虽然交叠法在PTVlower junction得到了较好的剂量分布，但在PTVupper junction却并不理想，其稳定性不足；而梯度优化法通过设置限制条件以得到衔接区可控梯度的剂量分布，但该方法需要勾画大量结构和设置许多优化条件，不仅更为耗时，而且由于通过两步进行（第二步优化需以第一步为基础），无法像交叠法与衔接野配合优化，导致交叠区剂量均匀性较差。
误差控制是CSI中的一个重要方面。本研究中，采用的仰卧位可增加患者舒适度，减少其运动几率；分别在脑部、脊髓上段和脊髓下段选取3个等中心（仅在身体纵轴上坐标不同），使衔接野的摆位误差主要取决于治疗床的精度，只需定期完成加速器的质量保证（quality assurance，QA）工作。治疗床的精度<2 mm，因此用于模拟的3 mm摆位误差可以满足验证需求。
本研究中，通过设置部分弧的范围以保护OAR。结果显示，多数OAR的平均剂量<6 Gy，只有心脏达到8 Gy；该结果与IMRT及TOMO的结果类似，但晶体剂量显著减低[5,9]。由于脑部和脊髓的部分弧范围不同，脊髓部分弧照射脑部会导致剂量均匀性变差，而脑部部分弧照射肩膀及以下时会引起整体剂量和肺部剂量明显升高，因此PTVupper junction选择在颈部。
此外，本研究结果是基于Pinnacle的SmartArc优化算法和Elekta Synergy MLCi2多叶准直器得出的，而对于Eclipse和Monaco等公司的TPS优化算法或其他类型多叶准直器尚需进一步研究。
对全脑全脊髓的VMAT计划，评价时不仅要考虑靶区包绕和OAR受量，而且要进一步评价计划对摆位误差的稳健性。目前，常用的交叠法优化法虽可得到较好的剂量分布，但即使增加交叠长度也难以提高其稳健性，而梯度优化法虽较为耗时且衔接区剂量分布均匀性较差，但可通过增加交叠长度提高计划的稳健性。
利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突
