中上段食管癌在不同呼吸時(shí)相下VMAT技術(shù)放療的劑量學(xué)研究

陽(yáng)華東,黎鵬,袁強(qiáng),周進(jìn)偉,楊天岳,李賢富

(川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院腫瘤科,四川 南充 637000)

對(duì)于腫瘤放射治療來(lái)說(shuō),放療因其具有電離輻射的性質(zhì),如不正確使用會(huì)對(duì)正常組織造成損傷,所以腫瘤治療需要更加精確,腫瘤放射治療中提出了“三精”原則：精確定位、精確設(shè)計(jì)和精確治療。呼吸運(yùn)動(dòng)是人體正常的生理運(yùn)動(dòng),會(huì)影響放射治療精準(zhǔn)度,對(duì)放療病人需要重視呼吸訓(xùn)練。

在人體,特別是胸部的放射治療,如乳腺癌、肺癌、食管癌和肝癌是最容易受到呼吸運(yùn)動(dòng)影響的癌癥,有專家在放療頂刊文章中闡述了呼吸對(duì)于胸部放療的重要性[1]。目前國(guó)內(nèi)腫瘤治療普遍使用的是定位CT圖像,這種方法的劣勢(shì)在于獲取圖像為靜態(tài)圖像,無(wú)法直接獲得患者呼吸動(dòng)態(tài)圖像。對(duì)于常規(guī)胸部CT檢查來(lái)說(shuō),需要深吸氣屏氣獲得最大肺組織成像,而在放療中常讓患者自由呼吸進(jìn)行成像。雖然均勻呼吸有效控制了胸部活動(dòng)范圍,但自由呼吸時(shí)CT掃描定位時(shí)呼吸時(shí)相與治療時(shí)呼吸時(shí)相不一致,這依舊會(huì)帶來(lái)PTV(planning target volume)脫靶和危及器官(organ-at-risk,OAR)高量的危險(xiǎn)[2]。如果靶區(qū)劑量的偏差超過(guò)5%,會(huì)造成腫瘤控制率下降[3]。此外,因?yàn)槭彻苤車慕馄蕦W(xué)關(guān)系,劑量的偏差落在正常組織也會(huì)導(dǎo)致放射性食管炎、放射性肺炎和心臟損傷等[4]。

川東北地區(qū)及周邊區(qū)域是國(guó)內(nèi)食管癌的高發(fā)地區(qū)之一[5]。而放射治療作為食管癌治療的一種常用手段,有許多患者在治療過(guò)程中都接受過(guò)放射治療。研究治療過(guò)程中因呼吸運(yùn)動(dòng)引起的放射劑量學(xué)改變具有重要的意義。因此,本研究對(duì)食管癌放療過(guò)程中因呼吸運(yùn)動(dòng)引起的靶區(qū)劑量、危及組織器官劑量和放療物理參數(shù)改變進(jìn)行研究,以明確不同的呼吸時(shí)相(自由呼吸、呼氣末屏氣和吸氣末屏氣)引起的劑量學(xué)差異。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2023年1月1日至2023年7月31日川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院進(jìn)行放射治療的20例食管癌患者為研究對(duì)象。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)病理證實(shí)為鱗狀細(xì)胞癌的患者;(2)經(jīng)過(guò)訓(xùn)練可以接受定位CT三期掃描,分別為自由呼吸、深呼吸屏氣和深呼氣屏氣掃描;(3)患者無(wú)語(yǔ)言或精神障礙,具有配合能力;(4)放療處方劑量及次數(shù)一致。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)患者掃描圖像質(zhì)量欠清;(2)患者具有呼吸道慢性病史或病情嚴(yán)重;(3)患者未能完成整個(gè)治療療程。患者年齡55～74歲,中位年齡69歲;男性14例,女性6例;據(jù)AJCC(american joint committee on cancer,美國(guó)癌癥聯(lián)合委員會(huì))第8版分期,Ⅱ期2例,Ⅲ期8例,ⅣA期10例。本研究已經(jīng)獲得本院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號(hào)2023ER002-1)。

1.2 方法

1.2.1 定位和掃描 所有患者均由熱塑膜進(jìn)行體位固定,取仰臥位,兩手上舉握住床柱,在腫瘤中心層面分別于前正中線和左右腋中線放置鉛點(diǎn)。掃描前溝通并訓(xùn)練患者配合呼吸。西門子16排CT定位機(jī)進(jìn)行定位掃描,管電壓130 kV,管電流200 mAs,重建層厚3 mm,螺距0.8。掃描范圍從頸1椎體到肋膈角下端。在固定位置行自由呼吸(F)、呼吸末屏氣(E)和吸氣末屏氣(I)掃描。獲得圖像傳輸至放射治療計(jì)劃系統(tǒng)(treatment planning system,TPS),由高年資同一放療醫(yī)師進(jìn)行靶區(qū)勾畫。見圖1。

1.2.2 計(jì)劃設(shè)計(jì) 由10年以上計(jì)劃制作經(jīng)驗(yàn)的同一高級(jí)物理師在MONACO(版本6.00.11)治療計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì)。依據(jù)處方劑量要求,靶區(qū)PTV為50.4 Gy/28Fx,110%處方劑量的體積<5%。危及器官中兩肺平均劑量<15 Gy,V20<30%,V30<20%;心臟劑量V30<40%,V40<30%;脊髓最大劑量<45 Gy;肝受照劑量V30<30%;胃和小腸受照劑量V40<40%。其中Vx表示接受劑量超過(guò)x的百分體積。采用容積弧形旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)(volumetric modulated arc therapy,VMAT),所有計(jì)劃設(shè)計(jì)均采用3個(gè)段弧(順時(shí)針)分別是：1 800-2 350、3 150-450、1 300-1 800。實(shí)驗(yàn)計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)以平靜呼吸時(shí)相的計(jì)劃設(shè)計(jì)參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn),在其他兩個(gè)呼吸時(shí)相執(zhí)行劑量計(jì)算,并對(duì)計(jì)劃參數(shù)進(jìn)行微調(diào),當(dāng)PTV D95、危及器官劑量限制滿足處方劑量要求時(shí)保存計(jì)算結(jié)果。對(duì)平靜呼吸時(shí)相的計(jì)劃進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證通過(guò)后傳輸至Elekta Infinity加速器進(jìn)行治療。

1.2.3 劑量學(xué)資料 收集每位患者在F、E和I的呼吸時(shí)相下的劑量學(xué)數(shù)據(jù)。包括PTV體積、PTV 最大劑量和PTV 平均劑量、HI和CI;lung體積、lung最大劑量、lung V5、lung V20和lung V30;heart 最大劑量、heart平均劑量、heart V20和heart V30;spinal cord dmax;機(jī)器跳數(shù)(monitor unit,MU)和子野個(gè)數(shù)。HI和CI的計(jì)算方式如下：

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

20例患者在自由呼吸(F)、深呼氣屏氣(E)和深吸氣屏氣(I)的呼吸時(shí)相下經(jīng)Shapiro-Wilk檢驗(yàn)可得,劑量數(shù)據(jù)中heart 最大劑量、HI、CI、heart V20、heart V30和子野數(shù)為非正態(tài)分布數(shù)據(jù),其余數(shù)據(jù)均為正態(tài)分布。所有符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)經(jīng)單因素方差分析(ANOVA)得到以下結(jié)果。見表1。

表1 呼氣末(E)、吸氣末(I)和平靜呼吸(F)時(shí)相下劑量學(xué)參數(shù)(符合正態(tài)分布)結(jié)果比較

PTV的最大受照劑量均值在自由呼吸時(shí)相下小于呼氣末屏氣時(shí)相和深吸氣屏氣時(shí)相,差距分別為100.95和82.35 cGy。lung受照最大劑量和平均劑量均值在深吸氣屏氣相下分別小于自由呼吸相和呼氣末屏氣相123.82、111.41和127.23、152.18 cGy。lungV20和lungV30均值在深吸氣屏氣相下分別小于呼氣末屏氣相和自由呼吸相2.89%、2.90%和3.12%、3.35%。呼氣末屏氣相和深吸氣屏氣相分別高于自由呼吸相達(dá)到327個(gè)MU和318個(gè)MU,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見表2。

表2 呼氣末(E)、吸氣末(I)和平靜呼吸(F)時(shí)相下劑量學(xué)參數(shù)(非正態(tài)分布)結(jié)果比較

對(duì)于非正態(tài)分布的數(shù)據(jù),采用K-W H檢驗(yàn)得到以下結(jié)果,見表2。呼氣末屏氣相和深吸氣屏氣相的靶區(qū)HI和CI較自由呼吸時(shí)相均值增加了0.02和0.04。呼氣末屏氣相和深吸氣屏氣相的子野數(shù)的均值相較于自由呼吸時(shí)相增加了55和59,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見圖2。

3 討論

所有的胸部放療都會(huì)受到呼吸運(yùn)動(dòng)的影響,這種呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)于接受治療的患者來(lái)說(shuō),可能會(huì)造成靶區(qū)偏移、劑量偏差的影響。解剖學(xué)上,呼吸運(yùn)動(dòng)引起食管周圍的危及器官變化包括雙側(cè)肺組織、心臟和脊髓。這種呼吸運(yùn)動(dòng)下造成任何劑量傳遞的不確定,都會(huì)影響患者的治療結(jié)果,如腫瘤局部控制率、危及器官的副反應(yīng)、患者生存期和生活質(zhì)量等[6]。本研究主要從放射物理學(xué)角度來(lái)分析不同呼吸時(shí)相引起的劑量學(xué)變化。

本研究中,不同呼吸時(shí)相PTV的體積雖然沒有得到統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,但是在I和E時(shí)相PTV的平均體積大于F時(shí)相的平均體積,不僅表明了呼吸過(guò)程中靶區(qū)的變化,還反映了不同呼吸時(shí)相變化影響了放療醫(yī)師對(duì)靶區(qū)的判斷。陳健鈴等[7]分析了20例食管癌患者在呼氣末到吸氣末過(guò)程中GTV(gross tumor volume)的變化,各呼吸時(shí)相GTV變化范圍最小的為0.52 cm3,最大達(dá)到12.81 cm3,平均增加9.58%或減少11.24%。李毅等[8]一項(xiàng)關(guān)于呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)肺癌患者靶區(qū)體積變化的研究發(fā)現(xiàn),自由呼吸下整個(gè)胸段的GTV較吸氣末平均減少了4.03%。謝生智等[9]研究了23例食管癌患者,呼吸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中GTV的位移為上側(cè)0.74 cm,下側(cè)1.62 cm,左側(cè)0.91 cm,右側(cè)0.66 cm,前側(cè)0.87 cm,后側(cè)0.59 cm,這說(shuō)明了GTV的位移,但該研究并未從劑量學(xué)上進(jìn)行探討。在本研究中,發(fā)現(xiàn)PTV的最大劑量在E時(shí)相和I時(shí)相大于F時(shí)相,這是由于呼吸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中靶區(qū)體積變化和靶區(qū)與肺等正常組織相對(duì)位置關(guān)系變化和劑量跌落共同影響[10]。

在胸部放療中,肺部的體積變化引起的位置變化最大,Huang等[11]對(duì)4名行SBRT肺癌患者的腫瘤位置進(jìn)行了監(jiān)測(cè),平均移動(dòng)距離達(dá)到2.3 cm,最小的位置移動(dòng)1.4 cm,與本研究相似。呂海鵬等[12]對(duì)21例食管癌患者的肺部體積和劑量進(jìn)行研究,得出在EBH和IBH的期相下,肺部體積、V5、V10、V20和Dmean改變均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,這與本研究相似。在本研究中,在肺部V5和V10沒有觀察到相同的結(jié)論,這可能是因?yàn)閰魏ｙi等分析的患者采用的是固定野5野非均分照射的調(diào)強(qiáng)技術(shù),而本文采用的是容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)技術(shù),這種技術(shù)在帶來(lái)治療劑量?jī)?yōu)化和縮短治療時(shí)間的同時(shí),會(huì)帶來(lái)弧內(nèi)低劑量的分布增加[13-14],且不受呼吸運(yùn)動(dòng)影響,這也是本研究在V10以下劑量未見差異的原因。另外,Tanaka等[15]得出,PTV越大,PTV外鄰近健康組織受到的輻射劑量越大,本研究因呼吸運(yùn)動(dòng)影響的食管PTV增大也帶來(lái)了食管附近肺組織受照劑量的變大,也是肺V20及以上劑量數(shù)據(jù)具有差異的原因。靶區(qū)的CI和HI在呼氣末和吸氣末狀態(tài)下大于平靜呼吸,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。本研究中,在呼氣末和吸氣末屏氣狀態(tài)下的VR-T和VT增大,但VR-T增大的二次方大于VT,CI的值必然增大。靶區(qū)最大劑量(D2%)的均值增大,靶區(qū)最小劑量(D98)均值減小,帶來(lái)HI的增大。

此外,食管癌放療過(guò)程中呼吸運(yùn)動(dòng)容易導(dǎo)致心臟毒性[16],最常見的心臟毒性包括心包積液和房性快速性心律失常[17]。雖然在本研究中沒有觀察到心臟劑量學(xué)上的差異,這是因?yàn)槲覀兊娜虢M標(biāo)準(zhǔn)未包括胸下段的食管癌患者,且在計(jì)劃過(guò)程中,我們重點(diǎn)關(guān)注并限制了心臟劑量。Tamari等[18]和Wei[19]等研究了關(guān)于接受放化療的食管癌患者心包積液危險(xiǎn)因素的研究,多因素結(jié)果得出心臟V30≥41.6%和V30≥46.0%是心包積液的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。而本研究中,心臟V30的范圍4.2%～26.2%,未超過(guò)劑量限值。

在本研究中,呼氣末屏氣和吸氣末屏氣的MU、子野數(shù)量均大于自由呼吸的MU和子野數(shù)量,這是由于呼氣末屏氣時(shí)正常組織離靶區(qū)更近,計(jì)劃時(shí)為了控制肺等正常組織的受照劑量,計(jì)劃調(diào)制度提高,增加了子野數(shù),進(jìn)而增加了MU數(shù);吸氣末屏氣時(shí)靶區(qū)的受照深度隨著深吸氣而增加,計(jì)劃時(shí)為了達(dá)到靶區(qū)劑量要求增加了加速器出束總MU數(shù)。與李闊等[20]研究得出的靶區(qū)和危及器官的計(jì)劃?rùn)?quán)重增加使MU數(shù)量增加相似。本文還存在以下的不足,首先樣本量較少,在未來(lái)我們會(huì)納入更多的樣本量得到更詳實(shí)的結(jié)果;其次少數(shù)患者呼氣或吸氣狀態(tài)不能保持,可能會(huì)存在微小的影響。

綜上,自由呼吸下的CT掃描無(wú)法確定時(shí)相,呼氣末屏氣和吸氣末屏氣會(huì)影響到PTV體積、最大劑量和肺部最大劑量、平均劑量、V20、V30等物理參數(shù)改變,這會(huì)帶來(lái)潛在的脫靶和正常組織受照劑量變化的風(fēng)險(xiǎn),可能導(dǎo)致臨床治療失敗或毒性反應(yīng)變化。放療醫(yī)師在勾畫靶區(qū)時(shí)應(yīng)注意考慮呼吸對(duì)靶區(qū)的影響,對(duì)于中上段食管癌患者,在放射治療過(guò)程中應(yīng)重視呼吸控制。