椎體轉移瘤立體定向放射治療劑量跌落梯度分析*

王金媛 鞠忠建 王小深 楊 軍 陳高翔

[文章編號] 1672-8270(2015)09-0001-05 [中圖分類號] R144.1 [文獻標識碼] A

椎體轉移瘤立體定向放射治療劑量跌落梯度分析*

王金媛①鞠忠建①王小深①楊 軍①陳高翔①

[文章編號] 1672-8270(2015)09-0001-05 [中圖分類號] R144.1 [文獻標識碼] A

目的：分析評價利用Cyberknife系統實施立體定向放射治療(SBRT)技術治療椎體轉移瘤時，脊髓方向的劑量跌落趨勢。方法：利用Cyberknife治療8例胸椎轉移瘤患者，根據放射治療劑量的不同將其分為兩組，其中4例患者給予靶區劑量40 Gy/5次(40 Gy組)；4例患者給予靶區劑量33 Gy/3次(33 Gy組)。采用Cyberknife系統自帶的MultiPlan4.0.2治療計劃系統設計優化治療計劃，針對靶區處方劑量跌落梯度、相對劑量跌落梯度以及單位距離劑量跌落梯度3方面。統計分析Cyberknife系統治療計劃中在脊髓方向的劑量跌落趨勢。結果：40 Gy組單位絕對劑量跌落速度為(0.208±0.085)mm/100 cGy，相對劑量跌落為(0.87±0.60)mm/5%Dmax，單位距離跌落速度為(353.63±160.48) cGy/mm。33 Gy組單位絕對劑量跌落速度為(0.311±0.089)mm/100 cGy，相對劑量跌落為(0.69±0.16)mm/5%Dmax，單位距離跌落速度為(266.27±94.41)cGy/mm。40 Gy組優于33 Gy組。結論：Cyberknife系統治療椎體轉移瘤時脊髓方向劑量跌落極快，對脊髓保護好；將Cyberknife精確的追蹤系統應用于椎體轉移瘤的立體定向放療，對脊髓的保護安全有效。

椎體轉移瘤；立體定向放射治療；Cyberknife系統；劑量梯度；脊髓保護

[First-author’s address] Department of Radiation Oncology, General Hospital of the PLA, Beijing 100853, China.

癌癥患者中約占5%～10%會發生骨轉移，其中包括乳腺癌、前列腺癌、肺癌及肝癌等[1]。骨轉移本身很少會影響到患者的生存，但其是引起患者劇烈癌痛的根源，同樣還會伴隨著神經性的疼痛[2-4]。轉移性脊髓壓迫是癌癥的常見并發癥，通常以腫瘤急癥的方式呈現[5]。而對于骨轉移而言，放射治療尤其是立體定向放射治療(stereotactic body radiation therapy，SBRT)是非常重要的治療方式[6-7]。

近年來，SBRT在椎體轉移治療中發揮了越來越重要的作用[8]。而Cyberknife計劃系統被稱為“立體定向射波手術平臺”，并完美結合復雜機器人技術、計算機技術以及實時影像追蹤技術應用于腫瘤放射治療中。Cyberknife計劃系統的機械手臂具有6個自由度，利用人體骨架作為目標定位的參考點，通過5種不同的靶區定位追蹤系統(target location system，TLS)在治療中實時追蹤靶區，從100多個節點、3000個方向對腫瘤實施精確的聚焦照射，治療誤差控制在亞毫米級[9]。有95%的椎體轉移患者會發生背部疼痛，背部疼痛通常持續很長時間。研究表明，有80%的疼痛是高強度疼痛；常見癥狀為肢體虛弱，許多患者無法自己行走[10]。患者劇烈疼痛導致脊柱發生不自主的側彎或移動，使其每次治療體位都會持續變化。Cyberknife計劃系統所特有的Xsight_Spine追蹤模式，實時追蹤靶區部位的脊柱變化，將治療體位誤差控制在0.5mm之內，有效解決了因椎體移動帶來的精確性問題，與常規放射治療相比疼痛控制率會有所提高，使患者得到更精準和更安全的治療[11-13]。本研究探討應用Cyberknife系統治療胸椎轉移瘤患者，分析其在脊髓方向的劑量跌落趨勢。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2011年11月至2013年8月解放軍總醫院收治的8例胸椎轉移瘤患者，年齡43～75歲，中位年齡為58歲；男女比例為3∶1；KPS評分平均為76.25分。其中包括肺腺癌術后T1轉移1例，肺腺癌T5轉移1例，肺腺癌T9轉移1例，肺腺癌T10轉移2例，鼻咽低分化鱗癌T11轉移1例，胃腺癌術后T1轉移1例，直腸腺癌術后T9轉移1例。根據放射治療劑量不同將患者分為40Gy組和33Gy組，每組4例。

1.2 設備與定位掃描

掃描設備采用Philips大孔徑CT(BrillianceTMBig Bore，荷蘭)。患者采用真空墊固定，仰臥位定位。在Philips大孔徑CT(BrillianceTMBig Bore)下實施CT定位，掃描層厚1.5mm。將所得圖像通過DICOM傳輸至Multi Plan4.0.2計劃系統，勾畫出靶區及危及器官。1.3靶區及重要器官定義

由醫生在CT圖像上勾畫出靶區及危及器官。靶區包括GTV(CT、MRI或PET-CT可見的腫瘤區域)、PTV(GTV三維方向外放3mm)以及危及器官包括脊髓(CT在骨窗顯示下的椎管區域)。

1.4 處方劑量及危及器官限量

(1)對4例單純椎體轉移的患者給予靶區劑量33Gy/3次；4例椎體轉移累及椎弓根的患者給予靶區劑量40Gy/5次。

(2)由于所選患者均為胸椎轉移瘤患者，靶區周圍除脊髓外均為肌肉組織，無其他危及器官，因此只需控制脊髓的限量。①3次分割治療模式的脊髓限量：Dmax＜22Gy、V18＜0.25ml和V11.1＜1.2ml；②5次分割治療模式的脊髓限量：Dmax＜30Gy、V22.5＜0.25ml和V13.5＜1.2ml[14]。

1.5 治療計劃設計

采用Cyberknife計劃系統Multi Plan4.0.2勾畫好每例患者的靶區和危及器官后，為每例患者設計SBRT計劃。SBRT采用2個準直器，劑量率為800cGy/min。每組計劃均遵循在滿足正常器官劑量限值的前提下，盡量提高靶區覆蓋度，保證70%的等劑量線覆蓋85%以上的靶區體積，劑量分布如圖1所示。

圖1 治療計劃劑量分布及DVH圖

1.6 劑量梯度參數評估指標

脊髓方向的確定：以最大劑量點為中心，其與脊髓中心的連線設為脊髓方向(如圖2所示)。

圖2 脊髓方向示意圖

靶區脊髓方向的劑量學跌落梯度參數的比較與評估，共用3種研究方法。

(1)測量單位絕對劑量跌落距離(方法一)：從處方劑量開始至其30%處，測量劑量每跌落100cGy所間隔的距離(如圖3所示)。

圖3 絕對劑量跌落距離示意圖

(2)測量單位相對劑量跌落距離(方法二)：從最大劑量點開始至其30%處，測量劑量每跌落5%所間隔的距離(如圖4所示)。

圖4 相對劑量跌落距離示意圖

(3)測量單位距離跌落的劑量(方法三)：從最大劑量點開始向外延伸至30mm處止，測量距離每延伸1mm時劑量的變化(如圖5所示)。

圖5 距離跌落的劑量示意圖

2 結果

測量統計結果顯示，從處方劑量到脊髓限量處劑量跌落的較快，在脊髓限量之外劑量跌落間隔有所增大，而且靶區周圍危及器官(脊髓)限量越嚴格，劑量差越大，劑量跌落梯度越快。根據測量數據得出方法一的結果(見表1、表2)，方法二的結果(見表3)，方法三結果(見表4)。

通過歸納分析以上數據可以得出下述結論。

(1)對于40Gy處方劑量組，從處方劑量處即腫瘤邊緣至其30%處，劑量跌落速度為(0.208±0.085) mm/100cGy，即0.11～0.74mm/100cGy(見表2)，但從處方劑量到脊髓限量處的跌落速度明顯高于其他，為(0.175±0.026)mm/100cGy(見表1)；從最大劑量點到30%Dmax處，相對劑量跌落速度為(0.87±0.60) mm/5%Dmax，即0.41～2.54mm/5%Dmax(見表3)；從最大劑量點開始，劑量跌落區單位距離跌落速度為(353.63±160.48)cGy/mm，即102.83～712.62cGy/ mm(見表4)。

(2)對于33Gy處方劑量組，處方劑量到脊髓限量處的跌落為(0.255±0.042)mm/100cGy(見表1)，從處方劑量至其30%處，劑量跌落速度為(0.311±0.089) mm/100cGy，即0.17～0.58mm/100cGy(見表2)；從最大劑量點到30%Dmax處，相對劑量跌落速度為(0.69±0.16)mm/5%Dmax，即0.5～1.17mm/5%Dmax(見表3)；從最大劑量點開始，劑量跌落區單位距離跌落速度為(266.27±94.41)cGy/mm，即100.06～453.5cGy/ mm(見表4)。

3 討論

近年來，對于Cyberknife計劃系統應用于椎體轉移瘤的劑量相關研究層出不窮，放射性脊髓病鮮有發生，應用其治療椎體轉移瘤對于疼痛的有效緩解率能達到90%[15-16]。Dwight等[17]在研究中發現，對椎體轉移瘤實施單次和多次分割治療都很有效，這些都反映出了Cyberknife治療椎體轉移瘤的可行性。

針對劑量跌落梯度的研究，不僅可以用于評價計劃的好壞，而且也可用于選擇不同的治療方案[18]。放射治療技術發展所追求的目的就是要在靶區達到處方劑量的同時保證周圍組織的受量達到最低。而靶區外劑量跌落的迅速也成為SBRT的優勢之一。陡峭的劑量梯度，在保證最佳的處方劑量分布、靶區適形度以及靶區覆蓋度的同時，給予脊髓最大的保護和最低的照射劑量。

表1 處方劑量至脊髓限量處的單位絕對劑量跌落距離

表2 處方劑量至其30%處的單位絕對劑量跌落距離

表3 最大劑量點至30%Dmax處單位相對劑量跌落距離

表4 劑量跌落區單位距離跌落劑量

本研究通過對兩組胸椎轉移瘤患者的Cyberknife計劃進行研究發現，由于椎體轉移瘤緊挨脊髓，對脊髓的劑量限值要求嚴格，因此從處方劑量到脊髓限量處劑量跌落的速度最快，40Gy組為(0.175±0.026)mm/100cGy，33Gy組為(0.255±0.042)mm/100cGy；從脊髓限量到處方劑量30%處的速度就有所下降，導致整體水平較脊髓方向有所降低，40Gy組為(0.208±0.085) mm/100cGy，33Gy組為(0.311±0.089)mm/100cGy。由于在靶區中劑量分布的相對不均勻，所以在相對劑量測量時，選取70%～30%Dmax間跌落趨勢較明顯和規則的部分。同樣，在測量從最大劑量點處開始的單位距離跌落劑量時，選取了從腫瘤邊緣開始跌落較明顯的部分。結果表明，在脊髓方向劑量跌落較快。

Cyber knife的Xsight Spine脊柱追蹤系統，在DRR與實時影像中，通過感興趣點和81個關聯定位點相對應，進行非剛性影像配準，實現對靶區的實時追蹤，使治療誤差＜0.5mm。治療時通過其獨有的脊柱追蹤系統對精確性的保證，Cyberknife計劃系統能非常準確地實現對脊髓的保護。

本研究發現，在脊髓方向40Gy組的跌落優于33Gy組。分析其原因為33Gy組的靶區范圍只單純的包括椎體，與40Gy組的椎體加椎弓根靶區相比在達到脊髓限量時更加容易，因此33Gy組的劑量分布間隔就相對寬松，跌落梯度相對較慢。

在測量的過程中，遇到了3個問題：①測量中心點的選擇，選擇最大劑量點并不能完美的實現計劃意圖，因為從最大劑量點到脊髓中心的這條路徑并不一定是所有情況下劑量跌落最快的路徑；②由于在腫瘤體積內，劑量分布無明顯規律，而且設計治療計劃時處方劑量歸一至70%，因此在靶區中的一部分數據在分析統計時需舍棄；③由于在測量過程中數據量大且為手動測量，有可能存在一定誤差。

4 結語

在劑量跌落方面，Cyberknife系統實施SBRT治療計劃時對危及器官脊髓保護良好，在脊髓方向跌落快；在靶區特性與放射治療技術因素方面，由于靶區緊挨脊髓，如果缺乏靶區的實時追蹤，即使跌落快，也可能導致腫瘤的復發或者脊髓的過量照射，最佳的靶區適形度和危及器官的劑量保護具有重要的臨床意義。Cyberknife系統的SBRT技術對脊髓最大限度的保護，可使患者從中最大化獲益。因此，Cyberknife計劃系統應用于脊柱轉移瘤的SBRT對于脊髓的保護安全有效。

[1] Longo V，Brunetti O，D'Oronzo S，et al.Bone metastases in hepatocellular carcinoma：an emerging issue[J].Cancer Metastasis Rev，2014，33(1)：333-342.

[2] Falk S，Dickenson AH.Pain and nociception：mechanisms of cancer-induced bone pain[J].Clin Oncol，2014，32(16)：1647-1654.

[3] Dirk Rades，Lukas J.A.Stalpers，Theo Veninga，et al. Evaluation of Five Radiation Schedules and Prognostic Factors for Metastatic Spine Cord Compression[J].Clin Oncol，2005，23(15)：3366-3375.

[4] 葛小林，孫新臣，曹遠東，等.三種放療技術在椎體轉移瘤治療中的劑量學差異比較[J].現代醫學，2009，37(2)：106-109.

[5] Robson P.Metastatic spinal cord compression：a rare but important complication of cancer[J]. Clin Med，2014，14(5)：542-545.

[6] Dirk Rades，Fabian Fehlauer，Lukas J.A.Stalpers，et al.A prospective evaluation of two radiotherapy schedules with 10 versus 20 fractions for the treatment of metastatic spinal cord compression：final results of a multicenter study[J]. Cancer，2004，101(11)：2687-2692.

[7] Shinya Hayashi，Hidekazu Tanaka，Hiroaki Hoshi.Palliative external-beam radiotherapy for bone metastases from hepatocellular carcinoma[J].World J Hepatol，2014，6(12)：923-929.

[8] Wang XS，Rhines LD，Shiu AS，et al.Stereotactic body radiation therapy for management of spinal metastases in patients without spinal cord compression：a phase 1-2 trial.[J]. Lancet Oncol，2012，13(4)： 395-402.

[9] 鞏漢順，鞠忠建，徐壽平，等.G4 CyberKnife-全新式立體定向放療設備及其臨床應用[J].醫療衛生裝備，2013，34(4)：127-129.

[10] Levack P，Graham J，Collie D，et al.Don't wait for a sensory level-listen to the symptoms：a prospective audit of delays in diagnosis of malignant cord compression[J].Clin Oncol，2002，14(6)：472-480.

[11] Finn MA，Vrionis FD，Schmidt MH.Spinal radiosurgery for metastatic disease of the spine[J]. Cancer Control，2007，14(4)：405-411.

[12] Chang UK，Youn SM，Park SQ，et al.Clinical results of cyberknife(r) radiosurgery for spinal metastases[J].J Korean Neurosurg Soc，2009，46(6)：538-544.

[13] Antypas C，Pantelis E.Performance evaluation of a CyberKnife G4 image-guided robotic stereotactic radiosurgery system[J].Phys Med Biol，2008，53(17)：4697-4718.

[14] Timmerman RD.An overview of hypofractionation and introduction to this issue of seminars in radiation oncology[J].Semin Radiat Oncol，2008，18(4)：215-222.

[15] Hossain S，Xia P，Huang K，et al.Dose gradient

near target-normal structure interface for nonisocentric CyberKnife and isocentric intensity-modulated body radiotherapy for prostate cancer[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys，2010，78(1)：58-63.

[16] Sunyoung Lee，Mison Chun.Pain relief by cyberknife radiosurgery for spinal metastasis[J]. Tumori，2012，98(2)：238-242.

[17] Heron DE，Rajagopalan MS，Stone B，et al. Single-session and multisession CyberKnife radiosurgery for spine metastases—University of Pittsburgh and Georgetown University experience[J].J Neurosurg Spine，2012，17(1)：11-18.

[18] Paddick I，Lippitz B.A simple dose gradient measurement tool to complement the conformity index[J].J Neurosurg，2006，105 Suppl：194-201.

The analysis of dose falling gradient in the treatment of spinal metastatic tumors implementing SBRT/WANG Jin-yuan, JU Zhong-jian, WANG Xiao-shen, et al// China Medical Equipment,2015,12(9)∶1-5.

Objective∶ To evaluate the dose falling gradient in the direction of the spinal cord while implementing SBRT (Stereotactic Body Radiation Therapy) technology by Cyberknife in the treatment of spinal metastases. Methods∶ Eight patients with spinal metastases treated with SBRT by Cyberknife were selected. Two different RT schedules were administered, 40 Gy per 5 fractions(n=4), The other was 33 Gy per 3 fractions(n=4). We ues the MultiPlan4.0.2 treatment planning system owning by Cyberknife system design and optimize the treatment plan. We have analysis of the dose falling gradient, speed and the falling capacity of Cyberknife treatment plan in three aspects, such as the target prescription dose falling gradient, relative dose falling gradient, and the dose falling gradient of unit distance in the direction of spinal cord. Results∶ For the group of 40Gy, absolute dose falling speed can be(0.208±0.085)mm/100cGy,relative dose falling is (0.87±0.60)mm/5%Dmax, the falling of unit distance can reach (353.63±160.48) cGy/mm. Similarly, for the other group of 33 Gy, absolute dose falling speed is (0.311±0.089)mm/100cGy, relative dose falling is(0.69±0.16)mm/5%Dmax, the falling gradient of unit distance can be 266.27±94.41 cGy/mm. The group of 40 Gy seems to be better than that of 33 Gy group. Conclusion∶ The dose in the direction of spinal cord fall fast in the treatment of spinal metastases by Cyberknife, providing a perfect protect to the spinal cord. With the addition of its unique and precise target tracking system, the using of Cyberknife in spinal metastases of SBRT for the protection of the spinal cord is safe and effective.

Spinal metastases; Stereotactic body radiation therapy; Cyberknife; Dose falling gradient; Spinal cord protection

王金媛,女,(1990- ),本科學歷，物理師。解放軍總醫院放療科，從事立體定向放射物理方面的研究工作。

2014-11-20

國家高技術研究發展計劃(863計劃)(2012AA022701)“消化系統惡性腫瘤微創治療新技術的應用研究”

①解放軍總醫院放療科 北京 100853

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.09.001