重離子二維治療計劃與RapidArc治療計劃在多發(fā)腦轉移瘤治療中的劑量學比較

王紫珩 寇海瑞 馬霄云 張雁山2 秦天燕2 郭梅菊2 孟萬斌 孟莉

(甘肅省武威腫瘤醫(yī)院，甘肅 武威 733000 1 放射治療物理室； 2 放射治療科)

全球每年約有17萬癌癥患者發(fā)生腦轉移[1]，成人癌癥患者腦轉移的發(fā)生率約為10%～20%[2],且發(fā)生率在逐年增高[3]，其中70%～80%患者為多發(fā)轉移[4]。隨著放射治療技術的發(fā)展，多發(fā)腦轉移無法手術的患者也可通過放射治療達到預期的臨床效果[5-6]，從而顯著延長患者的生存期。RapidArc是一種基于直線加速器的光子放射治療技術，該技術利用多葉準直器(MLC)運動結合旋轉機架運動，通過改變實時劑量率和調(diào)節(jié)不同入射角度的劑量通量，實現(xiàn)容積旋轉調(diào)強(VMAT)，以一個治療等中心同時對多個腦轉移瘤進行治療，體現(xiàn)出較高的治療效率和劑量覆蓋優(yōu)勢[7]。重離子放射治療是目前最先進的腫瘤放射治療技術之一，與光子放療不同，重離子射線可以形成布拉格峰且具有較高的生物學效應，通過控制粒子在各設備及人體中的精確輸運，使能量釋放于腫瘤靶區(qū)，從而達到更好的物理劑量分布、更強的生物學效應、更高的局部控制率和更低的副作用[8]。本研究針對我院確診為腫瘤多發(fā)腦轉移患者，分別設計RapidArc治療計劃與重離子二維治療計劃，并對兩種計劃的劑量學指標進行比較。

1 對象與方法

1.1 研究對象

選取2020年5月—2021年5月甘肅武威腫瘤醫(yī)院收治確診的腫瘤多發(fā)腦轉移患者12例，其中經(jīng)重離子技術治療的患者3例，經(jīng)RapidArc技術治療的患者9例。在12例患者中男6例，女6例；年齡42～76歲，中位年齡57歲。每例患者腦轉移瘤3～5個，總計45個，轉移瘤體積1.028～8.860 cm3，平均體積4.139 cm3。

1.2 設備與系統(tǒng)

RapidArc治療計劃使用的設備為VitalBeam雙光子直線加速器(能量6 MV)，采用Eclipse 15.1治療計劃系統(tǒng)(Varian，美國)進行計劃設計，MLC(Varian，美國)共有60對獨立MLC葉片，中心40對葉片的寬度為5 mm，兩端各10對葉片寬度均為10 mm。重離子二維治療計劃使用設備為碳離子治療系統(tǒng)HIMM-01-GS-WW-1(蘭州科近泰基新技術有限公司)，采用ciPlan治療計劃系統(tǒng)(上海大圖醫(yī)療科技有限公司、中國科學院近代物理研究所)進行計劃設計，附件(蘭州科近泰基新技術有限公司)包括脊形過濾器(30～120 mm)、射程移位器(最小精度0.5 mm)、MLC(50對獨立葉片，寬度8 mm)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)治療用補償器(縱向分辨率0.1 mm，橫向分辨率4.0 mm)。

1.3 治療計劃的設計

收集患者的影像資料用于計劃設計，12例患者影像資料均使用大孔徑CT模擬定位機(西門子，德國)進行采集。然后分別進行RapidArc治療計劃與重離子二維治療計劃設計。兩種計劃設計均參考RTOG(Radiation Therapy Oncology Group)0933報告以及臨床要求，對患者進行計劃靶區(qū)(PTV)勾畫，并規(guī)定處方劑量應覆蓋95%PTV，即PTV的V30≥95%，同時盡量降低正常組織受照劑量。

1.3.1患者影像資料的選擇與處理 進行RapidArc治療計劃設計時，選擇患者CT影像資料為：患者體位為仰臥位；使用負壓袋及熱塑膜配合進行了頭枕的固定，并配合使用了CIVICO定位板(德國)；薄層1.5 mm掃描。進行重離子二維治療計劃設計時，由于機架角度固定，需在定位前考慮射野入射角度，故選擇患者CT影像資料為：根據(jù)治療需要和患者情況選擇俯臥位或仰臥位資料，必要時兩種體位結合使用；仰臥位時頭部定位方法與RapidArc治療計劃的要求相同，俯臥位時定位使用的是可塑發(fā)泡膠與熱塑膜配合CIVICO定位板；薄層1.5 mm掃描。由于RapidArc治療技術中，加速器機架可以360°旋轉，對于經(jīng)重離子二維治療的3例患者的影像資料，進行RapidArc治療計劃設計時，不需做特殊處理；但再對已經(jīng)RapidArc治療的9例患者的影像資料進行重離子二維治療計劃設計時，則需要充分考慮射野方向，避免射野直接穿過眼球、視神經(jīng)、腦干等重要危及器官。

1.3.2RapidArc治療計劃設計 采用Eclipse計劃系統(tǒng)中的RapidArc技術(逆向計劃)進行設計，優(yōu)化算法采用各向異性解析算法(AAA)，計算網(wǎng)格為2.5 mm。治療等中心設置為多個轉移瘤的幾何中心，設置4條非共面弧形野(圖1A)，準直器角度設置為5°～15°(依據(jù)弧形野路徑上需要規(guī)避的危及器官或各轉移灶之間位置關系調(diào)整弧范圍、床角度與準直器角度，盡量保護危及器官，減少對正常腦組織的照射)[9]，鉛門X方向設置為≤15 cm。最大治療劑量率為500 cGy/min[5-6]。所有轉移灶均予以處方劑量30 Gy，遠離危及器官的靶區(qū)規(guī)定98%等劑量線包繞100%靶體積，距離危及器官較近的靶區(qū)規(guī)定95%等劑量線包繞100%靶體積。

1.3.3重離子二維治療計劃設計 采用ciPlan重離子治療計劃系統(tǒng)中2D治療技術進行設計，計劃計算網(wǎng)格為2 mm，使用50對MLC進行靶區(qū)束流向橫截面適形，100 mm PMMA補償器對靶區(qū)后緣作劑量適形。由于目前我院使用的重離子機架角度固定為0°與90°(二維治療模式)，布野采用就近布野方式，通過改變床角與改變治療頭盡量避開射束路徑上的危及器官，同時也盡量避免單野照射，每例患者使用1～4個射野，每射野包含1～3個病灶，所有轉移灶均予以處方劑量30 Gy，計劃設計方式見圖1B。

A：RapidArc治療計劃，B：重離子二維治療計劃圖1 兩種治療計劃的布野方式Fig.1 Distribution patterns of the two treatment plans

1.4 劑量學參數(shù)

分別計算每個靶區(qū)的劑量適形度指數(shù)(CI)、劑量均勻性指數(shù)(HI)以及靶區(qū)周圍劑量梯度指數(shù)(GI)。CI值越接近1，適形性越好；HI值越接近0，均勻性越好；GI值越小，劑量梯度越陡。各項指數(shù)的計算方法如下：CI=(TVPV)2/(TV×PV)，HI=(D2%-D98%)/Dmean，GI=PV50%/PV[10-12]。其中TV為靶體積，PV為處方劑量等劑量線包繞的體積，TVPV為處方劑量線包繞的靶體積，D2%為2%靶體積的受照劑量，D98%則為98%靶體積的受照劑量，Dmean為靶區(qū)的平均劑量，PV50%為50%處方劑量的等劑量線體積。比較危及器官與正常腦組織受照劑量情況，包括正常腦組織V5、V10、V15、V20、V25、V30，左視神經(jīng)最大受照劑量DOLmax，右視神經(jīng)最大受照劑量DORmax，視交叉最大受照劑量DOCmax，腦干最大受照劑量DBSmax，左晶體最大受照劑量DLLmax及右晶體最大受照劑量DLRmax。

2 結 果

2.1 兩種治療計劃的靶區(qū)劑量學各項指標比較

兩種治療計劃的CI比較，差異無顯著性(P>0.05)，HI和GI比較，差異具有顯著性(t=6.199，z=-4.100，P<0.05)。見表1。

2.2 兩種治療計劃的正常腦組織受照體積比較

在低劑量區(qū)(V5、V10及V15)重離子二維治療計劃正常腦組織受照體積顯著小于RapidArc治療計劃(t=4.285、3.441，z=-2.309，P<0.05)，高劑量區(qū)(V30)重離子二維計劃正常腦組織受照體積顯著大于RapidArc治療計劃(z=-3.233,P<0.05)，在中劑量區(qū)(V20、V25)二種治療計劃差異無顯著性(P>0.05)。見表2。

2.3 兩種治療計劃各危及器官最大受照劑量比較

重離子二維治療計劃的DOLmax、DORmax、DOCmax、DLLmax、DLRmax均明顯低于RapidArc治療計劃(z=-4.315～-2.488，P<0.05)，而兩種治療計劃的DBSmax比較差異無顯著性(P>0.05)。見表3。

表1 兩種治療計劃的CI、HI與GI比較(n=12)Tab.1 Comparison of CI, HI, and GI between two treatment plans(n=12)

2.4 兩種治療計劃的劑量云圖及等劑量線圖比較

兩種治療計劃均能滿足臨床處方要求，劑量分布云圖及等劑量線圖顯示，兩種治療計劃處方劑量能有效覆蓋靶區(qū)，無熱點。重離子二維治療計劃低劑量區(qū)顯著減少，劑量梯度大，脊髓、延髓幾乎零受量(圖2A、2B)；而RapidArc治療計劃劑量梯度小，整個CT斷面基本被10%等劑量線覆蓋，大部分被25%等劑量線覆蓋，脊髓、延髓被50%劑量區(qū)域覆蓋(圖2C、2D)。重離子二維治療計劃在射野交角處產(chǎn)生小體積高受量區(qū)，導致靶外V30升高(圖3)。

3 討 論

大腦是人體最復雜的器官，在放射治療腦部腫瘤過程中導致的神經(jīng)系統(tǒng)放射性損傷大多數(shù)不可逆，輕則導致患者嗜睡、視力影響、記憶力下降，重則腦組織神經(jīng)功能減退甚至出現(xiàn)放射性腦壞死[13-15]。有研究指出，即使腦部較低劑量的輻射，也有可能產(chǎn)生放射治療毒性[16-17]。

RapidArc是一種VMAT治療方式，區(qū)別于固定野調(diào)強技術，實現(xiàn)了MLC、劑量率及機架在治療過程中的協(xié)同變化，以獲得更強大的劑量調(diào)制能力，是調(diào)強技術的巨大飛躍，也是目前直線加速器所能達到的最優(yōu)治療方式之一[18]，可以在一個等中心位置對多個腦轉移瘤進行治療[19]。也有研究報道該技術在腦部轉移腫瘤治療中有著較高的治療效率和劑量覆蓋優(yōu)勢[20]。

隨著現(xiàn)代放療技術的不斷進步，全球涌現(xiàn)出了一批使用質(zhì)子重離子技術的醫(yī)療機構，中國科學院近代物理研究所是我國最早開始采用重離子治療腫瘤的研究機構，目前在國內(nèi)建設有重離子治療癌癥中心，使用的是該研究所開發(fā)的治療計劃系統(tǒng)。重離子治療系統(tǒng)是本世紀最先進的放射治療裝置之一，由于重離子束特殊的物理特性，重離子治療系統(tǒng)與常規(guī)直線加速器治療系統(tǒng)在物理及生物劑量分布上有顯著差異。

表2 兩種治療計劃正常腦組織受照體積比較(V/cm3，n=12)Tab.2 Comparison of irradiated volumes of normal brain tissue between the two treatment plans (V/cm3，n=12)

表3 兩種治療計劃各危及器官最大受照劑量比較(D/Gy，n=12)Tab.3 Comparison of the maximum dose of each organ at risk between the two treatment plans(D/Gy，n=12)

A、B分別為重離子二維治療計劃的劑量云圖和等劑量線圖，C、D分別為RapidArc治療計劃的劑量云圖和等劑量線圖圖2 兩種治療計劃劑量云圖及等劑量線圖差異Fig.2 Dose cloud and isodose map differences between the two treatment plans

圖3 重離子二維治療計劃在兩射野相交處產(chǎn)生小體積高劑量區(qū)Fig.3 The 2D treatment plan for heavy ions generates a small volume of high-dose region at the intersection of the two fields

本研究結果顯示，兩種治療計劃的CI無顯著差異，即處方劑量覆蓋率兩者相同。重離子二維治療技術所設計的治療計劃HI相比技術成熟的RapidArc技術所設計的治療計劃較差，這是由于重離子二維治療計劃調(diào)制能力有限，且采用點劑量歸一的方式進行處方劑量的計算，為保證靶區(qū)覆蓋足夠處方劑量，導致劑量均勻性較差；正常腦組織低劑量區(qū)(V5、V10及V15)重離子二維治療計劃受照體積明顯減少， GI更佳，由于其獨特的物理特性，能夠更好地減少低劑量照射范圍，減少晶體、視神經(jīng)、視交叉的最大受照劑量；在正常腦組織的中劑量區(qū)(V20及V25)，兩種治療計劃差異無顯著性；正常腦組織高劑量區(qū)(V30)重離子二維治療計劃劣于RapidArc治療計劃，這主要是由于重離子二維治療計劃不具有調(diào)制能力，僅能在靶區(qū)后緣使用補償器進行適形，為達到較好的靶區(qū)適形度，會存在一部分較小的高劑量區(qū)，在將來可能實現(xiàn)的筆形束掃描(3DSS)技術中或許可得到改善。

目前質(zhì)子重離子技術仍處于發(fā)展推廣階段，國內(nèi)使用的重離子設備也仍在優(yōu)化建設中，還存在部分難題未解決[21-22]。如：①由于設備龐雜導致治療頭角度固定，較難提供非共面射野；②劑量調(diào)制方式較少。目前重離子治療系統(tǒng)使用的方式主要有二維治療方式(2D)、二維逐層掃描(2DLS)、3DSS，其中3DSS已基本能達到劑量調(diào)制的要求，計劃系統(tǒng)使用蒙特卡羅算法(Monte Carlo method)，使得劑量計算更為準確[23]，但由于治療頭角度的固定使得其在空間三維方向調(diào)制能力上具有一定的局限性。也有研究表明，即使采用固定治療頭角度，重離子治療在劑量分布上仍具有一定的優(yōu)勢，如降低危及器官的最大受照劑量與平均劑量，并且可以有效減少放射治療過程中可能發(fā)生的不良反應[24]。

綜上所述，重離子治療作為先進的腫瘤放射治療手段，在劑量學方面具有不可否認的優(yōu)勢，本研究結果提示在腦轉移瘤患者的治療中，僅使用重離子二維技術進行治療無法調(diào)制其劑量分布，無法在部分劑量學指標(CI、靶區(qū)外V30)上與技術已相對成熟的RapidArc技術相比，但由于其優(yōu)越的物理特性，比如低劑量輻射區(qū)減少，在靶區(qū)后緣劑量跌落迅速，不在射野入射角度內(nèi)的危及器官幾乎不受輻射等特點，可有效地保護正常器官，使腦部腫瘤的放射治療擁有更廣泛的適應證，從而使患者從中受益。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。

ConflictsofInterest: All authors disclose no relevant conflicts of interest.