在放射治疗时，对患者投照过程中可能会引入系统和随机两类误差。随机误差会造成危及器官于治疗射野内或靶区部分于射野外；而系统误差会使靶区治疗边缘剂量不足或过高，影响靶区剂量准确性导致复发率提高［1］。与传统调强放射治疗（Intensity modulated radiotherapy，IMRT）技术相比，旋转放射治疗（Intensity modulated arc therapy，IMAT）在治疗计划设计和投照实施方面更加复杂。由于旋转误差导致的位置偏差，如机架和多叶光栅准直器（Multi-leaf collimators，MLCs）走位误差会随着源皮距的增大而逐渐放大，投照剂量偏差也会随之增大，所以对于单中心照射多靶点或者偏中心的计划，旋转误差会对靶区剂量造成更大影响。因而MLCs和机架位置的任何误差将直接影响靶区和周围危及器官（Organs at risk，OAR）的剂量，且剂量影响可发生于肿瘤区的任何地方。因此，机架和MLCs位置精度，对常规直线加速器实施IMAT精确放疗具有重要作用［2］，是直线加速器设备质控的主要研究内容［3］。机架和MLCs位置误差对IMRT技术和立体定向体部放疗（Stereotactic body radiation therapy，SBRT）技术以及容积旋转调强放射治疗（Volumetric modulated arc therapy，VMAT）等技术的剂量影响已有报道［4-6］，但以上研究采用基于分析模型的常规算法来模拟投照误差。该算法受不均匀组织剂量计算精度的限制，尤其在低密度和表浅区域因侧向电子失衡而导致计算偏差增大［7］，通常不能准确地反映机架和MLCs误差对投照剂量的影响。基于此，本研究在Monaco治疗计划系统中采用MC算法对入组患者设计IMAT计划，通过引入MLCs位置误差以及机架旋转误差，确定机架和MLCs走位误差对放疗剂量的影响，为常规直线加速器实施IMAT精确治疗提供质量保证。1 材料与方法1.1　 患者数据和IMAT计划设计1.1.1　 病例选择在河北医科大学第四医院自2016年1月至2018年6月收治的脑胶质瘤患者中随机选择7例进行回顾性研究。其中男性4例，女性3例，年龄25~65岁（中位43岁），肿瘤多位于大脑半球，靶区直径为2~6 cm。患者研究内容数据的使用经过河北医科大学第四医院伦理审查委员会同意，伦理批准编号：2019MEC028，入组患者均签署了CT数据临床研究知情同意书。勾画计划靶体积（Planning target volume，PTV）和OAR（包括脑干、患侧晶体、左右视神经、视交叉和脊髓等）。1.1.2　 计划制定在Monaco计划系统采用X线虚拟蒙特卡罗（X-ray voxel Monte Carlo，XVMC）算法优化对所有患者设计IMAT计划，计划设计参数为：单弧长度为358°，每4°一个控制点，小机头和治疗床角度均为0°，射束采用6 MV光子线，模拟临床剂量为30 Gy/10次，单次剂量3 Gy，要求30 Gy剂量包绕的PTV体积达95%（D95），PTV的110%处方剂量的体积V11010%，脊髓最大量≤22 Gy，脑干≤27 Gy，视神经和视交叉≤26 Gy。在常规直线加速器Varian 23EX上设计IMAT计划，照射剂量率采用恒定值500 MU/min，机架固定旋转速率为6 °/s。正如Guan等［8］所报道，计算网格大小对机架和MLC误差模拟精度及优化时间影响显著。本文在优化时采用最小方差≤0.5%，计算网格采用最小计算体积元计算网格（2 mm×2 mm）［9］。1.2　 模拟计划的误差引入及评估对入组患者分别在Monaco治疗计划系统中设计IMAT计划，并将其定义为参考计划（Plan reference，Pr）。然后将Pr（由90个控制点组成，这些控制点包含了MLCs、机架的位置以及每个特定弧段要投照的MU数）导出，并通过内部开发软件对所有Pr分别引入MLCs和机架误差［10］，具体引入方式如下：（1）IMAT执行过程中MLCs可能出现的随机误差：一侧叶片扩大开放2 mm（MLC-2 mm）、1 mm（MLC-1 mm）及随机打开（0~2 mm）（ MLC-rnd）；（2）IMAT执行过程中MLCs可能出现的系统误差：两组叶片沿相同方向移动相同的距离±1 mm和±2 mm；（3）IMAT执行过程中机架旋转可能出现的系统误差：机架角度偏差±0.5°、±1°、±2°和可能出现的随机角度偏差（-2° ~ +2°）。误差引入后，则每一患者将生成14个计划，然后将这些放疗计划参数信息导入到Monaco计划系统，重新计算剂量分布，并将其定义为模拟计划（Plan simulated，Ps）。通过DVH图对靶区（PTV接收的最小剂量（Minimum dose，Dmin）和平均剂量（ Mean dose，Dmean））和OAR（包括脑干、视神经、脊髓）的受量进行比较和分析。通过公式（1）评估参考计划和模拟误差计划不一致指数（Percentage deviation，PD），评估机架误差和MLCs误差对IMAT放疗剂量的影响，进而为常规直线加速器实施IMAT治疗技术提供合理的机架旋转误差和MLCs走位误差提供临床质控建议。PD=Dsimu-DreferDrefer×100% (1)2 结果与讨论2.1　 MLCs位置误差对放疗剂量影响表1显示了MLCs误差导致某患者参考计划和模拟计划对PTV及OAR的剂量差异。图1显示了MLCs误差对7例患者PTV的Dmin平均剂量偏差，图1（a）为随机误差导致的剂量偏差，图1（b）为系统误差导致的剂量偏差。对于单侧MLCs随机误差，当叶片外移误差为最大2 mm时会导致靶区和危及器官受过剂量照射，导致剂量偏高。对PTV-Dmin和PTV-Dmean分别增加了约3.6%和2.7%，与理论结果一致。对于7例患者其模拟计划分别将MLCs一侧外扩MLC-1 mm、MLC-2 mm、MLC-rnd时，导致PTV-Dmean平均偏差分别为（1.12±0.24）%、（2.15±0.46）%和（1.15±0.25）%。10.11889/j.1000-3436.2023-0068.T001表1MLC模拟误差导致PTV及OAR与参考计划剂量偏差Table 1MLC errors leading to dose deviation for PTV and OAR with reference plan误差Error一侧叶片 Oneside两侧叶片 Twosides1 mm2 mm0~2 mm-2 mm-2 mm1 mm2 mmPTV Dmax1.50±0.472.34±0.821.14±0.590.05±0.380.41±0.530.19±0.390.11±0.43PTV Dmin3.00±0.944.83±2.333.00±1.09-0.95±2.30-0.07±1.53-0.22±1.26-0.93±2.25PTV Dave1.12± 0.242.15± 0.461.15±0.25-0.20±0.06-0.03±0.07-0.07±0.14-0.27±0.28脑干Dmax Brainstem Dmax1.53 ±0.472.89 ±1.011.52 ±0.43-0.49±0.93-0.36±0.72-0.08±0.64-0.14±1.03晶体Dmax Lens Dmax4.37±2.458.07±3.235.31±3.181.90±6.990.58±3.160.44±4.490.40±7.88视神经Dmax Optic nerve Dmax2.65±1.244.98±1.922.75±1.20-0.13±2.600.61±2.26-0.30±1.09-0.40±2.06x¯±s图1MLCs随机误差(a)和系统误差(b)对靶区Dmin平均值的影响Fig. 1Influence of MLCs random error (a) and system error (b) on the mean Dmin value of the target area10.11889/j.1000-3436.2023-0068.F1a110.11889/j.1000-3436.2023-0068.F1a2晶体为对射线较为敏感的串行器官，同时由于其体积较小和绝对受照剂量较低，MLC误差会导致患者的剂量差异显著增高，在放疗实施过程中应尤其注意。本研究显示机架和MLCs叶片误差对其剂量影响较为显著，与参考计划相比，其最大剂量（Dose maximum，Dmax）增高了12.4%。尽管绝对剂量仅从0.36 Gy（参考值）增加到0.41 Gy，但其平均受量增加了约16%。而由MLC-1 mm、MLC-2 mm、MLC-rnd导致的晶体的平均剂量偏差分别为（5.25±2.10）%、（9.97±4.89）%和（5.49±2.70）%。在所有患者计划中，脑干的最大剂量Dmax和平均剂量Dmean的最大偏差分别增加了约7.2%和5.31%。通常，对于MLCs叶片的打开（1 mm或2 mm）会导致器官受照体积增加［11］，故其平均受照剂量也会相应增加。表1中列出了某患者引入MLCs各种随机和系统模拟误差后导致的靶区剂量及危及器官剂量变化。图2中列出了由MLCs随机误差导致的所有每个患者PTV和OAR的模拟平均剂量百分比差异。图2MLCs随机误差导致患者PTV（a）和OAR（（b）~（d））的Dmean受量差异Fig. 2Randomized errors in MLCs lead to differences in Dmean dose for patients with PTV (a) and OAR ((b)~(d))10.11889/j.1000-3436.2023-0068.F2a110.11889/j.1000-3436.2023-0068.F2a210.11889/j.1000-3436.2023-0068.F2a310.11889/j.1000-3436.2023-0068.F2a4对于两组叶片分别偏移（±2 mm和±1 mm）的系统误差引起的剂量偏差，如图3所示。对于患者PTV-Dmin和PTV-Dmean的最大偏差分别约为3.95%和-0.8%，而对于PTV-Dmean的平均偏差为（-0.27±0.28）%。当MLCs的误差为±2 mm在两个方向达最大时，脑干的最大剂量和平均剂量与参考计划相比偏差分别为1.99%和1.07%，而晶体的最大剂量和平均剂量与参考计划相比分别增加了11.4%和15.8%超过了临床极限受照剂量。图3MLCs系统误差导致患者PTV（a）和OAR（（b）~（d））的Dmean受量差异Fig. 3Differences in Dmean dosage of patients with PTV (a) and OAR ((b)~(d)) caused by MLCs system errors10.11889/j.1000-3436.2023-0068.F3a110.11889/j.1000-3436.2023-0068.F3a210.11889/j.1000-3436.2023-0068.F3a310.11889/j.1000-3436.2023-0068.F3a42.2　 机架位置误差对放疗剂量影响表2显示了机架误差导致某患者参考计划和模拟计划之间对PTV及OAR的剂量差异。引入机架角度误差后，PTV-Dmin和PTV-Dmean与参考计划相比分别降低了2.75%和0.35%，如图4和图5所示。10.11889/j.1000-3436.2023-0068.T002表2机架模拟误差导致PTV及OAR与参考计划剂量偏差Table 2Gantry errors leading to dose deviation for PTV and OAR with reference plan误差Error机架 Gantry-2°-1°-0.5°0.5°1°1°-2 ~ 2°PTV Dmax0.03± 0.260.09 ±0.270.17 ±0.390.20 ±0.350.34 ±0.370.12 ±0.400.28 ±0.28PTV Dmin0.03±1.840.36±1.410.57±1.050.56±0.750.69±0.530.54±1.170.78±1.25PTV Dave-0.01±0.110.02±0.150.04±0.16-0.03±0.17-0.01±0.15-0.02±0.130.09±0.13脑干Dmax Brainstem Dmax0.12±0.510.44±0.440.34±0.34-0.20±0.33-0.03±0.440.28±0.420.30±1.01晶体Dmax Lens Dmax-0.43±9.05-1.24±4.32-1.11±3.78-0.16±4.69-0.58±7.510.84±13.08-1.41±4.31视神经Dmax Optic nerve Dmax0.52±1.880.13±1.78-0.08±1.72-1.33±2.13-0.87±2.27-0.90±2.890.71±1.15x¯±s10.11889/j.1000-3436.2023-0068.F004图4机架角度误差对靶区最小剂量平均的影响Fig. 4Effects of gantry angle error on minimum mean dose in the target area图5机架走位误差对患者的PTV（a）和OAR（（b）~（d））的Dmean百分比差异Fig. 5Dmean percentage difference between patient's PTV (a) and OAR ((b)~ (d)) due to gantry positioning error10.11889/j.1000-3436.2023-0068.F5a110.11889/j.1000-3436.2023-0068.F5a210.11889/j.1000-3436.2023-0068.F5a310.11889/j.1000-3436.2023-0068.F5a4在评估的所有机架误差内，PTV-Dmean的最大平均偏差为-（0.09±0.13）%。通过表2可以看出，由于机架位置错误导致PTV剂量及OAR的剂量学偏差变化较大，尤其对于晶体。一例患者在机架偏差为（-2°）时，晶体的最大剂量偏差与参考计划相比其剂量偏高16.9%，绝对剂量由0.177 Gy增加至0.207 Gy。当引入机架误差为-2°时，某患者晶体平均剂量比参考剂量增加了38.5%，而绝对剂量仅增加约0.11 Gy，从0.278 Gy增加到0.385 Gy。对于脑干Dmax和Dmean剂量，引入误差后所接受的剂量分别增高2.38%和5.5%，如图5所示。2.3　 讨论Mijnheer等［12］建议TPS剂量计算精确度应保持在±3%以内，以保证实际投照剂量误差控制在±5%以内，若剂量偏差超过此范围，则可能会影响肿瘤反应和晚期毒性［13］。因此，必须尽可能减少治疗链中的不确定性以改善治疗效果。郭伟等［14］基于AAPM-TG218号报告对调强计划进行分类剂量验证，并建立了河南省肿瘤医院的调强计划实施剂量验证的流程和限值范围，为其单位临床剂量测量工作提供了指导。考虑到MLCs走位精度和机架旋转精度是影响IMAT实施投照精度的重要的参数，因而在实施IMAT治疗时，除了对MLCs采用常规的MLCs质量控制方法以保证将剂量误差控制在允许范围内［15］，还应考虑机架旋转影响［16］。MLCs位置准确性的重要性在国内外研究文献中已有报道［4，17-18］。程燕铭等［4］通过5例鼻咽癌计划MLCs叶片走位精度对IMRT和VMAT计划放疗剂量的影响进行了报道，研究显MLCs的系统误差对鼻咽癌IMRT计划的剂量分布有显著影响，尤其是VMAT计划，MLCs外扩2 mm时最大误差可达8.68%，与本研究显示MLC-2 mm误差时晶体的平均剂量偏差为9.97%，几乎一致。Mu等［19］通过对5个IMRT原始计划分别引入系统误差（±0.5 mm和±1 mm）和随机误差（-2 mm至2 mm）构建参考计划与原始计划进行剂量学对比分析，研究结果显示，MLCs叶片位置系统误差较随机误差对IMRT放疗的剂量影响较大，最大剂量偏差可达13%。Latifi等［20］在MRI引导的直线加速器（ViewRay Inc.， Mountain View， CA， USA）上对原始MLC升级为高速MLC后，通过端到端IMRT研究证明：叶片平均误差在1 mm时在高剂量低梯度区域的平均和最大点剂量误差超出了临床可接受范围，分别为2.5%和4.6%。游涛等［21］在Varian Eclipse治疗计划系统中通过32例前列腺癌患者研究了IMRT治疗时高分辨MLCs位置偏移对治疗剂量影响，显示随着MLCs偏移量的增加剂量偏差更加显著。为减少因MLCs位置偏移引起的患者照射剂量偏差，对MLCs实施质量控制时应保证其位置偏移控制在0.3 mm以内。上述文献采用基于分析模型的常规剂量算法，进行误差模拟。由于患者体内组织不均匀性的影响和不同MLCs效应的影响［22］，例如：泄漏辐射和凹凸槽效应影响［23］，常规剂量算法通常无法准确模拟误差剂量分布，进而导致对肿瘤和关键器官错误的剂量预测分布［24］。MC算法被认为是最精确的剂量计算方法，因为它可以准确地模拟通过加速器和患者体内的粒子传输。基于以上原因，本研究采用蒙特卡罗算法在Monaco治疗计划系统中通过修改7个脑肿瘤入组患者的IMAT放疗计划，模拟了MLCs走位和机架旋转系统误差和随机误差，研究了常规直线加速器实施IMAT治疗，机架和MLCs走位误差对临床放疗剂量的影响。研究显示，两类误差对OAR的受量均产生较大剂量偏差。由图2所示，当MLCs叶片在0~2 mm之间随机移动，MLCs叶片误差导致的剂量偏差要比MLC-1 mm略小或稍大，具体取决于叶片随机位移误差的实际大小，以及在特定弧段处的射束子野权重。由图3可知，脑干、视神经、晶体等OAR随不同MLCs误差大小影响显示出相似的剂量趋势，表明MLCs位置偏移量的变化对PTV和OAR剂量的影响至关重要。当MLCs移动到最大模拟误差（-2 mm或+2 mm）时，对所有组织产生的剂量偏差最大。IMAT治疗采用等中心照射，治疗等中心点通常位于PTV的中心，因而当MLCs移动时，任何OAR都有可能被MLCs阻挡或被光束直接照射，从而减少或增加器官受照剂量。对于患者4，当MLCs移至+2 mm时导致靶区剂量不足而产生的PTV的剂量偏低，最大可达0.85%。与其他入组病例相比，分析其原因为该患者PTV的体积相对较小。由于MLCs移动导致射野从PTV的中心移开了2 mm，因此所接收的剂量比参考计划略小。当实施VMAT旋转照射时，由于采取了等中心治疗技术治疗，且等中心点位于PTV的中心，相对于源皮距照射技术（治疗等中心位于患者表皮）可以显著减少因机架角度引起的剂量偏差［25］。两类机架误差研究结果显示：机架旋转误差对靶区PTV剂量分布的影响不大，剂量偏差在0.35%以内，但是对于OAR会产生较大的剂量偏差。正如笔者前期研究显示，所有放疗计划在优化过程中均需在靶区剂量和OAR受量两者之间寻找最优结合点，在提高靶区剂量的同时尽最大可能降低OAR受照剂量，以满足临床剂量学的最优要求［26］。在实施IMAT计划优化过程中，Monaco将整个治疗弧长分为多个控制点，并通过MLCs叶片子野优化，确定各个机架角度的最优通量图或子野权重设置。但是，当机架角度发生变化时，模拟计划通常直接通过这些OAR计算剂量，因此会产生相对较大的剂量偏差。因而机架旋转误差，会对外围OAR的投照剂量引起显著变化，而对中心靶区剂量PTV影响较小。Low等［27］的研究表明：对于6 MV光子束而言，当机架角度误差为2°时，OAR剂量偏差最大可达40%。该结论与本文研究结果相吻合，当机架角度误差为-2°时，晶体相对于参考计划其剂量偏差可达38.5%。3 结论对于脑瘤患者，其病灶和危及器官距离通常较近，IMAT靶区高剂量区域与视神经和晶体保护区域间剂量跌落梯度较大，所以与机架角度误差对放疗剂量分布的精度影响而言，多叶准直器的位置误差更显著。其次，由于IMAT计划子野控制点形状与IMRT计划优化形成的子野控制点形状相比，其子野控制点形状多为长条形。因此，当多叶准直器产生叶片走位偏差时，相对于机架旋转误差，会对患者靶区剂量和周围危及器官受量产生较大影响，而对于脑干、视神经和晶体，模拟计划和参考计划之间的最大剂量差异值很小，几乎可以忽略不计。因此，当前设备制造商对直线加速器MLCs和机架精度允许的误差极限设置为（±1 mm/±1°）［28］，该限值也适用于常规直线加速器实施的IMAT治疗。对新型直线加速器在非均整模式和部分弧旋转调强对放疗剂量与γ验证通过率的影响已有报道［29-30］，但新型直线加速器机架和MLC偏差，对放疗剂量的影响应引入相应射束误差模型进一步研究。为了进一步提高IMAT的治疗质量，保证其治疗精度，建议对MLCs和机架实施定期校准和精准质控以保证其误差范围位于临床允许误差范围以内。