多發(fā)腦轉(zhuǎn)移瘤容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)立體定向放射外科計(jì)劃對(duì)比

陳知然，王曉紅，李向斌，馬平平，魏偉，全紅，丁軼

1.武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430072；2.華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬湖北省腫瘤醫(yī)院放療科，湖北武漢430070；3.南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南衡陽(yáng)421001

前 言

容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）是一種可以在動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)弧中精準(zhǔn)高效地傳遞劑量的新型手段［1］，通過(guò)同時(shí)改變機(jī)架的旋轉(zhuǎn)速度、直線加速器的劑量率和多葉準(zhǔn)直器的孔徑形狀，VMAT可以達(dá)到一個(gè)較好的適形劑量分布。相比于其他手段，在前列腺癌［2］、宮頸癌［3］和良性顱內(nèi)腫瘤［4］等治療中，VMAT 可以達(dá)到更好的適形度、更短的治療時(shí)間以及較少的控制點(diǎn)和機(jī)器跳數(shù)。

盡管VMAT 技術(shù)在某些部位的腫瘤治療上有著較好的前景，但在其他部位的腫瘤，仍然需要對(duì)VMAT 治療方案進(jìn)行更多的調(diào)研［2-4］。已有的VMAT報(bào)道僅針對(duì)單個(gè)或非共面弧進(jìn)行了討論，對(duì)此Jutzy等［3］和Slagowski 等［4］特別強(qiáng)調(diào)了未來(lái)評(píng)估非共面弧的作用以及實(shí)現(xiàn)不同腫瘤部位“理想”劑量分布所需的旋轉(zhuǎn)弧數(shù)的必要性。根據(jù)調(diào)研，大約30%的癌癥患者會(huì)發(fā)生腦轉(zhuǎn)移［5-6］，且這些病變發(fā)生的概率正在上升，大多數(shù)患者表現(xiàn)為低轉(zhuǎn)移性疾病，也就是顱內(nèi)轉(zhuǎn)移受限，通常定義為1～3 個(gè)病灶［7］。最近，兩項(xiàng)隨機(jī)臨床試驗(yàn)評(píng)估了立體定向放射外科（Stereotactic Radiosurgery, SRS）和SRS+全腦放射治療（Whole-Brain Radiotherapy, WBRT）在初治腦轉(zhuǎn)移瘤中的作用［8-9］。Andrews 等［10］發(fā)表的數(shù)據(jù)表明，在接受SRS治療作為初試治療的一部分患者在6 個(gè)月后表現(xiàn)出更好的功能穩(wěn)定性，隨著SRS 的使用，患者1年的局部控制率從71%提高到了82%。許多臨床醫(yī)生已經(jīng)利用這些研究成果來(lái)證明SRS 在1～3 個(gè)腦轉(zhuǎn)移瘤患者的初始治療中的應(yīng)用［11］。然而，對(duì)于更多的腦轉(zhuǎn)移瘤（例如20 個(gè)），目前還沒(méi)有研究來(lái)表明VMATSRS計(jì)劃是否可以滿足臨床需求，且不清楚設(shè)置不同VMAT 計(jì)劃弧數(shù)或等中心點(diǎn)數(shù)是否會(huì)對(duì)計(jì)劃執(zhí)行有著明顯的劑量影響。因此，本次研究的目的在于比較單中心和多中心、單個(gè)旋轉(zhuǎn)弧和多個(gè)旋轉(zhuǎn)弧以及不同靶區(qū)外擴(kuò)體積對(duì)于5、10、15、20個(gè)腦轉(zhuǎn)移瘤病例的劑量分布結(jié)果，通過(guò)比較12 和5 Gy 的劑量體積來(lái)選擇合適的計(jì)劃方案。

1 材料與方法

1.1 模擬患者

1 例由計(jì)算機(jī)斷層掃描和核磁共振確定的20 個(gè)腦轉(zhuǎn)移瘤患者，模擬病例分別選取其中5、10、15和20個(gè)病灶作為治療靶區(qū)，并對(duì)每個(gè)模擬病例分別外擴(kuò)0、1、2、3、4、5 和6 mm 當(dāng)作計(jì)劃腫瘤區(qū)（Planning Gross Target Volume,PGTV）。

1.2 VMAT治療計(jì)劃

對(duì)于每個(gè)模擬患者方案，使用Varian Eclipse13.6治療計(jì)劃系統(tǒng)制作VMAT計(jì)劃，這些計(jì)劃利用6 MVFFF 光子束、最大劑量率為1 400 MU/min，在配備有Varian 高分辨率120 多葉準(zhǔn)直器（Multi-Leaf Collimator,MLC）的EDGE直線加速器上進(jìn)行。所有的患者計(jì)劃都是標(biāo)準(zhǔn)化的，所有PTV 的95%體積都覆蓋處方劑量（24 Gy/3次）。

對(duì)模擬病例設(shè)計(jì)了3 種治療計(jì)劃：1 個(gè)等中心4個(gè)非共面弧（Single-Isocenter/Four non-Coplanar Arcs, SIFNA）計(jì)劃、5 個(gè)等中心5 個(gè)共面弧（Five-Isocenter/Five Coplanar Arcs, FIFA）計(jì)劃和5 個(gè)等中心5 個(gè)非共面弧（Five-Isocenter/Five non-Coplanar Arcs,FIFNA）。

SIFNA：包括一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的0°床角，機(jī)架角從181°開(kāi)始順時(shí)針旋轉(zhuǎn)358°至179°停止；一個(gè)45°床角，機(jī)架角從181°順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到30°；一個(gè)90°床角，機(jī)架角從181°順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至0°；一個(gè)315°的床角，機(jī)架角從330°順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至179°。在整個(gè)研究過(guò)程中，所有角度和比例都按照國(guó)際電工委員會(huì)IEC61217號(hào)報(bào)告的定義使用。Eclipse 自動(dòng)等中心工具用于設(shè)置等中心。

FIFA：該計(jì)劃的所有弧，床角都設(shè)置為0°以實(shí)現(xiàn)每個(gè)旋轉(zhuǎn)弧的最大圓弧旋轉(zhuǎn)。每個(gè)弧的等中心被設(shè)置在每個(gè)腫瘤區(qū)（Gross Tumor Volume,GTV）的幾何中心。

FIFNA：該計(jì)劃的床角設(shè)置包括一個(gè)0°的全弧、一個(gè)40°的半弧、一個(gè)80°的半弧、一個(gè)120°的半弧和一個(gè)160°的半弧。每個(gè)弧的等中心被隨機(jī)設(shè)置在每個(gè)GTV的幾何中心。

1.3 評(píng)價(jià)工具

使用累積劑量-體積直方圖對(duì)VMAT計(jì)劃進(jìn)行定量評(píng)估，記錄的數(shù)據(jù)被用來(lái)評(píng)估基于GTV 的治療方案適形度。Paddick 適形度指數(shù)（Conformity Index,CI）［12］被用來(lái)評(píng)價(jià)每個(gè)方案。此外，每個(gè)計(jì)劃還由一個(gè)整體Paddick 梯度指數(shù)（Gradient Index, GI）［13］評(píng)價(jià)。這些指標(biāo)定義如下：

其中，PV表示處方劑量線所覆蓋的總體積，TVPV表示處方劑量所覆蓋的靶區(qū)體積，TV表示靶區(qū)的體積，CI值越接近1，表示靶區(qū)適形度越好。

其中，PV50%表示50%等劑量線所覆蓋的體積，GI 值越小，表示劑量下降越快，梯度越大。

此外，腦部放射壞死指標(biāo)（12 Gy 劑量體積,V12）和低劑量區(qū)（5 Gy 劑量體積,V5）也被用來(lái)評(píng)價(jià)計(jì)劃的好壞。

2 結(jié)果

對(duì)于外擴(kuò)2 mm 不同轉(zhuǎn)移瘤數(shù)量的SIFNA 計(jì)劃劑量學(xué)差異見(jiàn)表1。可以發(fā)現(xiàn)，在腫瘤體積小于7 cm3時(shí)，VMAT SIFNA 的CI 值隨著腫瘤體積的增加而增加；當(dāng)腫瘤體積大于7 cm3時(shí)，CI 值就呈現(xiàn)一種較穩(wěn)定的趨勢(shì)。而對(duì)于GI 的變化，可以明顯地看出GI 值隨著腫瘤體積的增加而呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。

表1 不同轉(zhuǎn)移瘤數(shù)量外擴(kuò)2 mm的1個(gè)等中心4個(gè)非共面弧計(jì)劃劑量學(xué)比較Tab.1 Dosimetric comparison of single-isocenter with 4 non-coplanar arcs plans for different number of metastases with an external expansion of 2 mm

對(duì)于同樣外擴(kuò)2 mm，全腦V12和V5隨著不同轉(zhuǎn)移瘤數(shù)量以及不同計(jì)劃方案的變化如圖1 所示。從圖中可以看出，V12和V5在3 個(gè)計(jì)劃方案中都隨著腦轉(zhuǎn)移瘤數(shù)量的增加而增加，并且3個(gè)計(jì)劃均是SIFNA計(jì)劃的V12和V5覆蓋體積最小，其次為FIFNA 計(jì)劃，最大的是FIFA 計(jì)劃。單獨(dú)觀察V5，可以觀察到當(dāng)腫瘤數(shù)目為10～20時(shí)，3個(gè)計(jì)劃的劑量覆蓋率差異較大，當(dāng)腫瘤數(shù)在0～5個(gè)時(shí)，3個(gè)計(jì)劃的V5則大致相等。

圖1 不同轉(zhuǎn)移瘤數(shù)量外擴(kuò)2 mm在不同計(jì)劃下5、12 Gy體積覆蓋率Fig.1 5 and 12 Gy dose coverages of different plans for different number of metastases with an external expansion of 2 mm

分別選取5 個(gè)隨機(jī)選擇的腦轉(zhuǎn)移瘤和5 個(gè)距離較近的腦轉(zhuǎn)移瘤，分別外擴(kuò)0、1、2、3、4、5、6 mm，并對(duì)每個(gè)模擬病人設(shè)置SIFNA、FIFA 和FIFNA 3 種不同的計(jì)劃，劑量學(xué)差異見(jiàn)表2和表3。

表2 5個(gè)隨機(jī)腦轉(zhuǎn)移瘤外擴(kuò)不同直徑的計(jì)劃對(duì)比Tab.2 Comparison of treatment plans for 5 random brain metastases with different external expansions

表3 5個(gè)鄰近腦轉(zhuǎn)移瘤外擴(kuò)不同直徑的計(jì)劃對(duì)比Tab.3 Comparison of treatment plans for 5 adjacent brain metastases with different external expansions

從表2 可以看出，對(duì)于隨機(jī)選擇的轉(zhuǎn)移瘤靶區(qū)，隨著靶區(qū)外擴(kuò)程度加大，每個(gè)計(jì)劃的V12和V5也隨之增加，觀察V12可以得出SIFNA 計(jì)劃的12 Gy 覆蓋體積

記錄腫瘤外擴(kuò)不同體積與不同計(jì)劃所對(duì)應(yīng)的12 Gy的覆蓋體積，12 Gy 覆蓋的體積與外擴(kuò)腫瘤體積大體上呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢(shì)。圖2 為3 個(gè)計(jì)劃的差異比較。當(dāng)外擴(kuò)腫瘤體積<10 cm3時(shí)，3 種計(jì)劃的V12有著明顯的差別，且SIFNA 計(jì)劃10 cm3時(shí)，三者的差異就變得很小。

圖2 不同外擴(kuò)體積下3個(gè)計(jì)劃12 Gy體積覆蓋率差異比較Fig.2 Comparison of 12 Gy volume coverage among 3 different plans under different external expansions

3 討論

本研究結(jié)果顯示，對(duì)于SIFNA 計(jì)劃來(lái)說(shuō)，當(dāng)腫瘤數(shù)控制在10 個(gè)以下，或者腫瘤體積小于7 cm3時(shí)，計(jì)劃的適形度指數(shù)基本達(dá)到一個(gè)閾值，此后無(wú)論腫瘤數(shù)如何增加，CI 值基本都保持不變。與之相反，隨著腫瘤體積的增加，此類計(jì)劃的GI值則隨之下降，這也意味著隨著腫瘤體積的增加，該類計(jì)劃的劑量跌落越來(lái)越好。因此，結(jié)合CI 值與GI 值，對(duì)于多發(fā)腦轉(zhuǎn)移瘤，靶區(qū)的擴(kuò)大并不會(huì)對(duì)SIFNA 計(jì)劃造成過(guò)多的影響，且隨著體積的增加，計(jì)劃的劑量跌落反而會(huì)更好。

從圖1 可以看出，隨著腦轉(zhuǎn)移瘤的數(shù)目增加，不論是SIFNA 計(jì)劃還是FIFNA 計(jì)劃或FIFA 計(jì)劃，全腦V12和V5的體積覆蓋率都隨之升高，但是均以FIFNA計(jì)劃的12 和5 Gy 劑量覆蓋體積最低，這與Stanhope等［14］和Liu 等［15］的結(jié)論相一致。此外從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于12 Gy 的劑量體積覆蓋率，SIFNA 計(jì)劃與多等中心的計(jì)劃一直保持著較大的差異值，但是5 Gy的劑量體積覆蓋率則與其他兩種計(jì)劃較為相近。參考弗洛里達(dá)大學(xué)發(fā)表的研究結(jié)果［16］，SRS治療中超低劑量對(duì)比正常人群并無(wú)惡性腫瘤增加的風(fēng)險(xiǎn)，因此我們可以認(rèn)為3 種治療計(jì)劃在低劑量分布上并無(wú)顯著優(yōu)劣之分。所以只考慮腦部放射壞死指標(biāo)（12 Gy）的情況下，SIFNA 計(jì)劃對(duì)比FIFNA 計(jì)劃和FIFA 計(jì)劃表現(xiàn)出了更低的劑量分布，可以更好地保護(hù)放療中非目標(biāo)組織，減少了放療并發(fā)癥的出現(xiàn)。結(jié)合圖2的結(jié)果，在腫瘤體積<10 cm3時(shí)，SIFNA與其他兩種計(jì)劃V12差異值最為顯著，而當(dāng)腫瘤體積>10 cm3后，三者計(jì)劃的差異值則漸漸減小。因此基于筆者的研究，筆者更推薦針對(duì)小體積（<10 cm3）的靶區(qū)使用SIFNA計(jì)劃。

本研究還選取了5 個(gè)位置相近的腦轉(zhuǎn)移瘤與隨機(jī)選擇的轉(zhuǎn)移瘤進(jìn)行了比較，從表2 和表3 中可以看出，對(duì)于SIFNA 計(jì)劃，無(wú)論靶區(qū)外擴(kuò)多少，隨機(jī)組和鄰近組的12 Gy 體積覆蓋率并沒(méi)有較大的差別；對(duì)于FIFA 計(jì)劃，當(dāng)靶區(qū)外擴(kuò)≤3 mm 時(shí)，隨機(jī)組的12 Gy 體積覆蓋率要小于鄰近組，但差異值并不顯著，當(dāng)靶區(qū)外擴(kuò)>3 mm 后，則會(huì)出現(xiàn)鄰近組優(yōu)于隨機(jī)組的情況；對(duì)于FIFNA計(jì)劃，鄰近組的12 Gy劑量體積覆蓋率基本都小于隨機(jī)組。對(duì)于這些現(xiàn)象，筆者的解釋是對(duì)于鄰近組的靶區(qū)，由于各個(gè)病變區(qū)域的靠近，使得在外擴(kuò)靶區(qū)時(shí)，PTV 整體的體積會(huì)小于隨機(jī)選擇的靶區(qū)外擴(kuò)的體積，且隨著外擴(kuò)直徑的增加，體積差異會(huì)越來(lái)越大。因此對(duì)于本就表現(xiàn)優(yōu)異的SIFNA 計(jì)劃，兩者的差異值并不顯著，而隨著體積差異的增加，F(xiàn)IFA 計(jì)劃就會(huì)出現(xiàn)體積小的鄰近組12 Gy 劑量體積覆蓋率好于隨機(jī)組的現(xiàn)象。

總之，VMAT SIFNA 計(jì)劃在面對(duì)多發(fā)性腦轉(zhuǎn)移瘤（腫瘤數(shù)>3）的病例時(shí)仍然表現(xiàn)出更好的靶區(qū)適形度，且V12要好于多等中心共面與非共面弧計(jì)劃。