食管癌是我国常见的胸部肿瘤之一，放疗在食管癌治疗中扮演着重要角色。随着放疗技术的发展，调强技术已经广泛应用于食管癌放疗。调强分为静态调强放疗（intensity modulated radiotherapy，IMRT）和容积旋转调强放疗（volumetric modulated arc therapy，VMAT）。国内外多数食管癌在均整模式（flattening filter，FF）下使用多野IMRT或双弧VMAT进行治疗^[1-3]。该模式下最高剂量率为600机器跳数（monitor unit，MU）/min。根据报道，治疗时间的长短与分次内误差相关，且食管在放疗过程中会发生移动^[4-5]。因此，在影像引导放疗技术下，进一步缩短放疗的时间具有减少分次内误差及提高临床效率的价值。

目前部分直线加速器配备无均整器（flattening filter free，FFF）出束方式，6 MV和10 MV光子在FFF模式下最高剂量率分别可达1 400 MU/min和2 200 MU/min，能减少治疗时间。本研究拟比较FFF模式双弧间断出束VMAT技术（VMAT-3F2A）、FF模式双弧间断出束VMAT技术（VMAT-2F2A）、FFF模式单弧间断出束VMAT技术（VMAT-3F1A）和FFF模式IMRT技术（IMRT-3F）在食管癌放疗剂量学和治疗效率方面的差异，为临床食管癌放疗调强技术的选择提供参考依据。

1 资料与方法 1.1 一般资料

选择2020年5月至9月在四川大学华西医院放疗科行食管癌放疗的患者15例。所有病例均经细胞病理学或免疫组织化学证实为鳞癌，无肿瘤放疗相关禁忌证。9例患者靶区范围包含上段食管，其余6例为中下段；病理类型均为鳞癌；计划靶区体积（planning target volume，PTV）范围211.49~658.50 cm³，平均体积为442.48 cm³；男性15例，女性0例；年龄52~75岁，平均年龄65.6岁；TNM分期范围: T_1-3，N_0-3，M₀。为每例患者分别设计VMAT-3F2A、VMAT-2F2A、VMAT-3F1A和IMRT-3F这4种计划，其中IMRT-3F为临床治疗实施计划。比较4种计划类型的剂量学差异。本研究经本院生物医学伦理审查委员会审批通过。

1.2 CT模拟定位及靶区勾画 1.2.1 CT模拟定位

患者仰卧平躺于碳纤维固定床板上，双手交叉举过头顶置于抓手杆，将定位热塑膜（四川瑞迪医疗科技有限公司）置于恒温水箱，温度设置为70℃，待热塑膜软化，去除多余水分，根据患者体表轮廓塑形，15 min后待热塑膜完全冷却定型。再应用高压注射器注射80~100 mL碘海醇造影剂，开始螺旋CT扫描。CT扫描参数：管电压120 kV，管电流375 mA，扫描层厚5 mm，扫描范围自颅底至第二腰椎下缘。扫描的图像均通过DICOM网络传至计划系统进行靶区和危及器官（organs at risk，OARs）的勾画。

1.2.2 靶区勾画

肿瘤靶区勾画由放疗主管医师根据CT采集图像，参考ICRU第62号报告^[6]，在计划系统上勾画大体肿瘤体积（gross tumor volume，GTV）、临床靶区体积（clinical target volume，CTV）、PTV和OARs。OARs包括双侧肺（lungs）、食管（esophagus）、心脏（heart）和脊髓（spinal cord）等。GTV参考X线钡餐、胃镜、CT和PET/CT等影像勾画肿瘤区和阳性淋巴结。CTV为GTV前后左右外扩5 mm、上下方向外扩30 mm。PTV为CTV在上下方向外扩10 mm，前后左右方向外扩5 mm生成；PTV处方剂量均为50.4 Gy，分次为28次。

1.3 计划设计

该15例患者均在RayStation（v4.7.5.4）计划系统进行计划设计，每例设计VMAT-3F2A、VMAT-2F2A、VMAT-3F1A和IMRT-3F这4个计划，其中IMRT-3F为临床治疗计划。采用3 mm×3 mm×3 mm的计算网格，采用三维共面调强技术照射。3个VMAT计划机架旋转范围均为181°~225°、315°~45°和135°~179°。VMAT-3F2A计划采用FFF模式，顺时针和逆时针双弧照射，每4°为1个控制点；VMAT-2F2A计划采用FF模式，顺时针和逆时针双弧照射，每4°为1个控制点；VMAT-3F1A计划采用FFF模式，顺时针单弧照射，每2°为1个控制点。IMRT-3F计划射野个数5~7，中下段食管癌采用5野，射野角度分别为210°、330°、0°、40°和140°；上段食管癌7野射野角度分别为210°、280°、330°、0°、40°、80°和140°，其中80°和280°射野采用铅门固定技术，照射范围仅为锁骨以上靶区；采用FFF模式，子野最小跳数设为4 MU，最小子野面积设为4 cm²，最大子野个数设为50。同1例患者4个计划采用相同的目标优化函数，为方便各个计划间的比较，所有计划均归一至处方剂量覆盖95%的靶区体积。加速器选用医科达Versa HD（Elekta linear accelerator，瑞典），射线为6 MV X线，剂量率采用FF模式或FFF模式，配置Agility型80对多叶准直器（multi-leaf collimator，MLC）。MLC在等中心处宽度为5 mm，MLC叶片最大运动速度65 mm/s；最大照射野为40 cm×40 cm。靶区优化设计目标：≥95%的靶区体积接受100%的处方剂量，107%的处方剂量覆盖的体积 < 1%，PTV最大剂量 < 110%的处方剂量。OARs剂量限值具体约束条件分别为：脊髓剂量最大值（maximum dose，D_max） < 45 Gy；双肺V₅ < 60%、V₂₀ < 30%、V₃₀ < 20%，双肺平均剂量（mean dose，D_mean） < 15 Gy；心脏V₃₀ < 40%、V₄₀ < 30%；并且在此基础之上再尽可能降低OARs和正常组织的受量。D_max的含义是靶区或OARs所接受的最大照射剂量。Vx的含义是接受超过x Gy剂量照射的体积占OARs总体积的百分比。

1.4 计划评估 1.4.1 靶区的评估参数

根据计划的剂量体积直方图（dose volume histogram，DVH）来评价靶区的剂量学参数，包括均匀性指数（heterogeneity index，HI）、适形性指数（conformity index，CI）、最大值D_max和PTV体积（V_PTV）。

HI计算公式为HI=（D₂-D₉₈）/D₅₀，D_x代表x%的靶区体积所受到的剂量。HI取值范围为0~1，越接近0，说明PTV的剂量分布越均匀。CI计算公式为CI=V_{50.4 Gy}/V_PTV，V_{50.4 Gy}的含义是50.4 Gy的处方等剂量线包绕的体积；CI取值范围为0~1，越接近1，说明靶区与处方等剂量曲线越适形。

1.4.2 OARs的评估参数

食管肿瘤放疗计划主要评估的OARs包括双侧肺、食管、心脏和脊髓等。肺的评估指标为V₅、V₂₀、V₃₀和D_mean。心脏的评估指标为V₃₀、V₄₀和D_mean。脊髓的评估指标为D_max。

1.4.3 治疗效率

治疗效率的评价包括计划总MU和治疗实施时间，其中治疗实施时间为计划质量保证（quality assurance，QA）时执行时间，指开始出束至结束的时间，不包括摆位和图像引导的时间。

1.5 统计学分析

采用SPSS 20.0软件对剂量学参数进行统计学分析。计量资料先行单样本Shapiro-Wilk正态性检验。若符合正态分布则计量资料以均数±标准差（x±s）表示，并对符合正态分布的资料行配对样本t检验；若不符合正态分布则计量资料采用中位数（四分位间距）[M（Q₁~Q₃）]方式表示，并采用配对Wilcoxon秩和检验对数据进行分析。P < 0.05为差异具有统计学意义。

2 结果 2.1 靶区剂量分布比较

15例患者4个计划的靶区剂量均能满足临床要求。在靶区覆盖率相同的前提下，VMAT-3F1A计划的CI值低于VMAT-3F2A和VMAT-2F2A计划（均P < 0.01，表 1），HI值和D_max值均高于VMAT-3F2A和VMAT-2F2A计划（均P < 0.01）。同1例食管癌患者4种放疗计划的横断面剂量分布比较图例见图 1。

2.2 OARs剂量分布比较 2.2.1 双肺受量比较

15例患者的靶区和双肺受照剂量的结果在DVH图上均呈现出良好的一致性。在高剂量区（V₂₀和V₃₀），IMRT-3F计划双肺的高剂量区高于其他3个计划（均P < 0.05），VMAT-3F2A与VMAT-2F2A曲线基本重合（P=0.600），VMAT-3F1A计划稍高于VMAT-3F2A与VMAT-2F2A计划（P=0.006，P=0.319；图 2A）。在低剂量区（≤V₅）IMRT-3F与VMAT-3F2A及VMAT-3F1A计划均基本重合（均P > 0.05），VMAT-3F2A计划稍低于VMAT-3F1A计划（P=0.034），VMAT-2F2A计划双肺的低剂量区高于其他3个计划（均P < 0.05，图 2B）。

IMRT-3F与VMAT-3F2A和VMAT-3F1A计划在双肺V₅方面比较，差异均无统计学意义（均P > 0.05，表 1）。VMAT-2F2A计划双肺V5均高于其他3个计划（均P < 0.05）。IMRT-3F计划双肺V₂₀均高于其他3个计划（均P < 0.05）。VMAT-3F2A计划双肺V₂₀均低于其他3个计划（均P < 0.05）。

2.2.2 脊髓和心脏受量比较

与VMAT-3F1A和IMRT-3F计划比较，VMAT-3F2A计划的脊髓D_max分别降低0.93 Gy和0.62 Gy（均P < 0.01，表 1）。VMAT-2F2A计划的脊髓D_max与VMAT-3F1A计划比较，降低0.87 Gy（P=0.005），其他计划间脊髓D_max比较，差别均无统计学意义（均P > 0.05）。

4个计划间在心脏V₃₀和V₄₀方面比较，差异均无统计学意义（均P > 0.05）。在心脏D_mean方面比较，VMAT-3F2A计划较VMAT-2F2A和VMAT-3F1A计划分别降低0.26 Gy和0.33.Gy（均P < 0.05）；其他计划间比较，差异均无统计学意义（均P > 0.05）。

2.3 MU和治疗时间比较

IMRT-3F、VMAT-3F2A、VMAT-3F1A和VMAT-2F2A4计划在MU方面依次递减，两两间比较，差异均具有统计学意义（均P < 0.05，表 1）。VMAT-2F2A、VMAT-3F2A和VMAT-3F1A与IMRT-3F计划比较，MU分别减少52.90%、41.86%和48.42%。

VMAT-3F2A与VMAT-2F2A计划治疗时间比较，差异无统计学意义（P=0.192，表 1）。IMRT-3F计划治疗时间最长，与VMAT-3F2A、VMAT-2F2A和VMAT-3F1A计划比较，治疗时间分别增加76.35%、74.13%和241.96%（均P < 0.01）。VMAT-3F1A计划治疗时间最短，与VMAT-3F2A、VMAT-2F2A和IMRT-3F计划比较，治疗时间分别减少48.38%、49.08%和70.76%（均P < 0.01）。

3 讨论

虽然与三维适形放射治疗（3 dimensional conformal radiotherapy，3DCRT）比较，IMRT具有更好的靶区适形性，能更好地保护OARs^[7]，但与VMAT比较，具有治疗实施时间长、MU高和导致第二原发肿瘤概率高等缺点。VMAT能在保证相同计划质量前提下，具有“快、准、优”的特点^[8]；与IMRT比较，VMAT导致更多的组织受到低剂量的照射^[9-10]。临床上预测放射性肺损伤发生率最常用的剂量学参数包括V₅、V₂₀、V₃₀和D_mean，其中最相关的参数是肺V₅体积^[11-12]，这也是国内在胸部肿瘤放疗中很慎重考虑使用全弧VMAT技术的原因之一。王清鑫等^[2]采用弧内间断出束容积旋转调强（finite discontinuous-volume modulated arc therapy，FD-VMAT）疗法用于胸中下段食管癌，发现此技术不但具有VMAT保护肺V₂₀和V₃₀的优点，还同时具有IMRT保护肺V₂和V₅的优点。与本研究结果一致。

本研究发现，VMAT-3F2A、VMAT-2F2A、VMAT-3F1A和IMRT-3F计划均能满足临床要求，虽然VMAT-3F1A计划的靶区参数（CI、HI和D_max值）略差于VMAT-3F2A和VMAT-2F2A计划，但与临床治疗计划IMRT-3F无差异。VMAT-3F2A计划靶区的HI和D_max值好于临床治疗计划IMRT-3F。在肺保护方面，在低剂量区，VMAT-2F2A计划双肺的V₅高于其他3个计划；在高剂量区，IMRT-3F计划双肺的V₂₀值高于其他3个计划；VMAT-3F2A计划双肺的V₂₀值低于其他3个计划；VMAT-3F2A计划比VMAT-2F2A和VMAT-3F1A计划双肺的D_mean分别低0.20 Gy和0.14 Gy。在脊髓保护方面，VMAT-3F2A计划优于VMAT-3F1A和IMRT-3F计划；在心脏保护方面，VMAT-3F2A计划与VMAT-2F2A和VMAT-3F1A比较，心脏的D_mean分别降低0.26 Gy和0.33 Gy。

综上所述，4个计划综合评价发现，VMAT-3F2A计划无论是靶区还是OARs的参数都优于其他3个计划，可能有以下3个方面的原因：（1）与VMAT-2F2A计划比较，VMAT-3F2A计划选用FFF模式减少机头的散射线和电子污染，有利于对肺低剂量区和心脏的保护^[13]；（2）与VMAT-3F1A比较，选用双弧照射增加计划的自由度，使得计划质量更高^[14]；（3）与IMRT-3F比较，可能是因为治疗技术的差异，采用VMAT技术具有更多可选择的射线入射角度，计划的可调制度增加^[15]。

VMAT-3F2A计划与VMAT-2F2A计划比较，在保证靶区剂量覆盖的情况下，能降低OARs的受量，虽然会导致MU增加23.45%，但两者治疗时间并无差异。相关研究也发现，FFF模式与FF模式比较，具有降低OARs的受量、剂量计算更准确以及电子和中子污染降低等优点^[16-17]。但Sun等^[13]研究发现，虽然FFF计划的MU数量较FF计划增加21.83%，但FFF计划的治疗时间减少11.90%。此结果与本研究有差异，分析原因可能是本研究采用的分段弧VMAT治疗技术，而Sun等^[13]采用完整的360°旋转弧，使FFF模式在较短的旋转出束范围体现出的优势不明显。

VMAT-3F1A计划与IMRT-3F比较，在靶区剂量学参数无差别的前提下，VMAT-3F1A计划不但具有IMRT-3F保护肺低剂量区的优点，同时还能降低肺高剂量区的受量，分析原因可能也是因为治疗技术的差异，采用VMAT技术具有更多的射线入射角度选择，计划的可调制度增加^[15]。此外与IMRT-3F比较，MU减少48.42%，治疗时间减少70.76%，故在临床中配置FFF模式的加速器可考虑使用VMAT-3F1A计划，能进一步提高临床实际治疗效率，缓解医疗资源紧张的状态。

在治疗效率上，IMRT-3F计划机器总MU和治疗时间高于其他3个计划；随着机器总MU的增加，患者发生第二原发肿瘤的概率会增加^[18]；同时随着治疗时间的延长，患者的劳损和分次内的运动也会增加^[19-20]，“三精”放疗之一的精确实施将很难得到保证。VMAT-3F2A和VMAT-3F1A计划MU分别高于VMAT-2F2A计划23.45%和9.52%，分析其原因，可能是因为采用了FFF模式，其剂量分布在射野边缘极不均匀，为了实现靶区内的均匀照射，无疑将会增加许多小野补偿，导致MU增加。相关研究也发现，采用FFF模式的VMAT计划MU比采用FF模式的VMAT计划高20%^[15]。

此外，本研究也设计了采用FFF模式、顺时针单弧照射、每4°为1个控制点的计划和采用FF模式、顺时针单弧照射、每2°为1个控制点的计划；都因靶区参数不能满足临床研究，所以并未纳入研究比较。分析其原因可能是受机架的转速和MLC的运动速度等机械因素的限制。

本研究不足之处是：由于RayStation计划系统不支持跳弧的功能，每1段小弧治疗完成后，都需要治疗师手动切换到下1个弧，造成机架旋转的终止，然后再启动，这将增加治疗时间；如果合并后将在弧间不出束的范围机架以最大旋转速度转动，将会减少治疗实施时间。经测试每2个弧之间切换时间为12 s左右（6段小弧之间需要切换5次，3段小弧之间需要切换2次），如果部分弧VMAT计划合并成1个整弧，治疗时间将会进一步减少0.5~1.0 min。Eclipse计划系统具有规避扇区功能，可以定义在整个旋转治疗中，不出束的具体机架范围；或者也可以像王清鑫等^[2]一样通过Matlab软件编写程序将3个间断弧控制点的信息合并成1个完整弧。

综上所述，VMAT-3F1A与临床治疗计划IMRT-3F比较能减少肺低剂量受照体积（V₅）及肺高剂量受照体积（V₂₀），且具有更高的治疗效率。VMAT-3F2A计划与其他3个计划比较，能进一步降低双肺、脊髓和心脏的受照射量。