食管癌容積弧形調強放射治療計劃劑量學研究

林斌偉，劉芳，譚榜憲

(川北醫學院附屬醫院腫瘤科，四川 南充 637000)

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食管癌容積弧形調強放射治療計劃劑量學研究

林斌偉，劉芳，譚榜憲

(川北醫學院附屬醫院腫瘤科，四川 南充 637000)

食管癌是目前國內常見的惡性腫瘤之一。放射治療是食管癌主要、有效、安全的治療方法之一。尤其是對于頸段、胸上段以及局部晚期的食管癌，放療成為其首選的治療方式。容積旋轉調強(volumetric modulated arc therapy，VMAT)作為一種先進的放療技術，已經被用于治療食管癌數年。但目前國內外關于食管癌VMAT計劃的劑量學方面的研究，還存在著許多爭議。本文從VMAT基本原理及食管癌VMAT放療計劃的研究現狀和進展這兩個方面做一綜述。

食管腫瘤；放療；靜態調強放療；容積調強弧形治療；劑量學

食管癌是目前最常見的惡性腫瘤之一，據我國最新的流行病學調查報告，其發病率及死亡率居我國癌癥的第3位[1]。食管癌的三大治療方式包括手術、放療、化療[2]。放射治療相比于其他治療方式，對于局部晚期和頸段及上胸段食管癌有著明顯的優勢。食管癌的放療技術包括傳統的二維放射治療、三維適形放射治療(three-dimensional conformal radiotherapy，3DCRT)、調強放射治療(intensity modulated radiotherapy，IMRT)。IMRT技術受CT成像逆原理的啟發，即當CT的X線球管發出均質的X線通過人體后，由于組織厚度和密度的不同，其強度分布也會有差異。因此我們可以先確定靶區及正常組織的劑量分布，再推算出各個射野需要貢獻的束流強度。IMRT包括靜態調強和動態調強，靜態調強的代表為固定野靜態調強放射治療(static intensity modulated radiotherapy， sIMRT)，其特點是通過逆向調強計劃系統根據靶區和正常組織器官的劑量要求，將各個射野的強度分布進行分級，利用多葉準直器(multi leaf collimator，MLC)將每個射野分成若干個固定的子野，而且每個子野的束流強度是均勻的，由此產生期望的劑量分布。而動態調強的特點是調強計劃系統根據劑量學要求，利用MLC葉片的相對運動，并形成的不同形狀的子野掃過靶區，而且在這個過程中，加速器以動態變化的劑量率出束，從而得到滿足臨床要求的劑量分布。動態調強的典型代表包括容積弧形旋轉調強放射治療(volumetric modulated arc therapy ，VMAT)、螺旋斷層放射治療(tomo threapy，TOMO)等。

近年來， sIMRT和VMAT的放射治療計劃對比成為了國內外研究的熱點。但目前關于食管癌VMAT計劃的劑量學方面的研究，還存在著許多爭議。本文從VMAT基本原理及食管癌VMAT放療計劃的研究現狀和進展這兩個方面做一綜述。

1 VMAT產生的背景和基本原理

sIMRT在放療領域已經被廣泛運用，sIMRT能夠大大提高靶區的劑量分布并有效地避開周圍正常組織，從而在提高腫瘤控制率的同時，最大限度地保護了周圍正常組織。但由此付出的代價是治療時間的延長和治療總機器跳數(monitor units，MU)的增加。治療時間的延長不但增加了患者在治療過程中的不適感，而且增加了治療過程中的移動誤差；而MU的增加，可以導致正常組織的輻射劑量相應的增加，將有可能增加輻射引起的第二原發腫瘤的發生率。VMAT作為一種新的調強放射治療技術，其概念最早在1995年由Yu[3]提出，這項新技術產生的背景是：(1)在保證有效避開腫瘤周圍正常組織的前提下，進一步提高腫瘤靶區的劑量；(2)縮短傳統調強放療治療時間，以及降低加速器治療的MU，從而提高放射治療效率。

相比sIMRT，VMAT具有自身的特點，即在機架旋轉的同時，加速器射束是開啟的，而且，在治療的過程中，機架的運動速度、MLC的形狀以及射束的劑量率在不停的變化。

有文獻報道[4]醫科達Axesse放射治療系統運用在VMAT中的原理如下：加速器治療參數通過步進方式傳遞給治療控制系統(treatment control system,TCS)，并通過TCS控制MLC的運動。TCS以步進的形式控制加速器的出束，每步0.1 MU，每個子野可以有多個步進。TCS會檢測每個新生成形狀的葉片位置，葉片位置通過葉片上的紅寶石反光點確定，該值可同計劃系統傳輸計算的值相比較，超出可接受范圍即停止出束，從而保證了治療的安全性。

2 食管癌VMAT放療計劃的研究現狀和進展

食管癌VMAT放療計劃評估的指標主要有靶區相關參數和危及器官受量、治療時間、MU。

2.1 靶區參數指標

根據ICRU 83報告的內容，靶區的評價工具為劑量-體積直方圖(DVH)。靶區參數指標包括近似最大劑量D2%、近似最小劑量D98%、平均劑量Dmean、均勻指數(homogeneity index，HI)，適形指數(conformal index，CI)。HI定義為治療靶區內吸收劑量的均勻性，計算公式為：HI=( D2%～D98%)/Dmean。HI值越接近0，說明靶區吸收劑量的分布越好。CI定義為治療體積與PTV的比值。治療體積是指接受處方劑量的組織體積，CI值越接近1，說明該計劃的適形度越高。

關于食管癌VMAT放療計劃靶區劑量分布是否優于sIMRT放療計劃，目前國內外還存在許多爭議。

部分學者認為，相比于sIMRT，VMAT并不能有效改善靶區的CI和HI。Kataria等[5]對10例胸中段食管癌患者進行了VMAT計劃和sIMRT計劃的對比研究。10例患者的大體腫瘤體積范圍為：10.40～100.25 cm3，平均值為45.41 cm3，計劃靶體積范圍294.6～993.5 cm3,平均值為517.2 cm3。所采用的處方劑量為45 Gy/25F，分割方式為常規分割。結果顯示，sIMRT和VMAT計劃靶體積的HI和CI均無統計學意義(P>0.05)。VMAT計劃的Dmean和D95%均高于sIMRT,但無統計學意義(P>0.05)。

而另一部分學者的研究結果顯示，VMAT計劃在靶區CI、 HI上優于sIMRT計劃。Yin等[6]比較了20例食管癌患者VMAT計劃和sIMRT計劃靶區劑量分布的差異。處方劑量要求PTV要達到60 Gy/30F,同樣采用常規分割，該篇文章并沒有給出靶區體積參數。結果認為VMAT計劃的CI優于sIMRT計劃，VMAT的Dmean高于sIMRT計劃，差異有統計學意義(P<0.05)。而兩種放療技術的HI相似。

陳婷婷等[7]也進行了食管癌VMAT放療計劃和sIMRT放療計劃的計量學對比研究，共納入10例上段食管癌患者，處方劑量要求PTV達到50.4 Gy/28F，GTV達到60 Gy/28F。結果顯示，VMAT計劃在靶區CI、 HI均優于sIMRT，并且VMAT計劃能提高靶區的D2%，差異有統計學意義(P<0.05)。

許多參數可以影響食管癌VMAT放療計劃的質量，如弧的個數、MLC葉片運動速度、控制點間隔大小等。Yang等[8]研究了MLC葉片移動速度對VMAT放療計劃的影響，結果顯示，隨著速度的增大，HI增大，并且CI降低。Nithya等[9]在關于控制點間隔大小對VMAT放療計劃質量影響的研究結果中顯示，控制點間隔越小，計劃質量越優。Zhang等[10]對11例胸上段食管癌患者進行了放療計劃質量研究，分別對每例患者設置單弧、雙弧、三弧VMAT放療計劃和5野sIMRT放療計劃，得到的結果為：(1)單弧VMAT計劃的CI優于sIMRT計劃，差異無統計學意義；(2)雙弧和三弧VMAT計劃的CI優于sIMRT計劃，差異有統計學意義；(3)單弧VMAT計劃的HI較sIMRT計劃差，差異有統計學意義；(4)雙弧和三弧VMAT計劃的HI和sIMRT計劃相似。

因此，如何選擇合適的VMAT參數配置，從而進一步提高VMAT靶區劑量分布，需要在今后的研究中進行探討。

2.2 危及器官評價

食管癌放療計劃中，需要評價的危及器官包括肺、心臟、脊髓。

2.2.1 肺 放射性肺損傷是食管癌放療常見并發癥，多發生在放療后2～6個月。肺的組織學特點為并聯器官，即損傷的數量在不超過其儲備能力的前提下，放療相關的并發癥將不會出現。ICRU 83報告中指出肺作為正常組織，需要評價的指標包括平均劑量、接受大于等于某一特定劑量的肺體積VD。許多研究證實當肺平均劑量、VD大于某特定值時，放療相關性肺損傷的發生率將顯著上升。Wang等[11]和Song等[12]認為放射性肺損傷與V5相關，而且Wang等的研究發現，V5是放射性肺炎發生的獨立影響因子。Shi等[13]研究結果顯示，V10是3級及其以上急性放射性肺炎發生的危險因素，作者進一步分層分析顯示，急性放射性肺炎的發生率在V10≤50%組和V10>50%組中差異有明顯統計學意義。Graham等[14]發現雙肺V20不僅是放射性肺炎發生的危險因素，還與其嚴重程度明顯相關。而Bongers等[15]的研究結果表明肺平均劑量和V30能預測放射性肺炎的發生。

目前關于食管癌VMAT放療計劃肺受量指標的研究中認為，相比于sIMRT，VMAT可以降低肺高劑量區體積，但同時增加了肺低劑量區體積。

Ma等[16]選擇了10例上段食管癌患者,分別制定sIMRT計劃和VMAT計劃。研究結果顯示，與sIMRT技術相比，VMAT技術可以有效減低肺V20、V30，但增加了V5，差異有統計學意義(P<0.05)，在V10方面，二者無統計學意義(P>0.05)。Lin 等[17]對不同部位的食管癌的sIMRT的計劃和VMAT計劃進行了分層比較，得到的結果為，VMAT增加了頸段及胸上、中、下段食管癌的肺V5、肺平均劑量，同時降低了胸中段組的V20。Fakhrian等[18]納入了15例局部晚期的食管癌患者，每例患者分別制定三維適形計劃、sIMRT計劃、VMAT計劃、TOMO計劃4個計劃。結果顯示，與sIMRT相比，VMAT增加了肺V5、降低了肺V20。

分析原因為，傳統調強放療以固定野的方式進行放療，常常預先設定5野或7野調強，肺被射束照射的的體積較小；而VMAT采用旋轉布野形式，將肺組織受量分配到更大的體積中。因此，VMAT放療計劃同sIMRT放療計劃相比低劑量體積較高。

在Zhao等[19]的回顧性研究中，共納入68例食管癌根治術后行輔助放療的患者，其中22例患者采用VMAT放射治療技術，48例采用sIMRT放射治療技術。計量學參數統計分析顯示，與sIMRT相比，VMAT增加了肺的平均劑量、V5，降低了肺的V30，三者的差異有統計學意義(P<0.05)。隨訪數據顯示，急性放射性肺炎的發生率在VMAT組(72.73%)明顯高于sIMRT組(36.96%)，差異有統計學意義(P<0.05)；重癥放射性肺炎的發生率在兩組患者中無統計學意義(P>0.05)。

目前，尚無文獻報道肺V5、V10、V20、V30在放射性肺損傷的發生各自所占的權重。雖然Zhao等[19]的研究結果支持VMAT增加了急性放射性肺炎的發生率，但是尚需要質量更高的前瞻性研究進一步論證其結論的正確性。因此與sIMRT相比于，VMAT是否可以降低放射性肺損傷的發生率還有待進一步研究。

2.2.2 心臟 放射性心臟損傷是指胸部腫瘤放療時由于部分或全部心臟受照后導致的心包炎、心肌纖維化、冠狀動脈病變、心臟傳導系統損傷等一系列心臟并發癥。其中，最常見的心臟損傷是急性放射性心包炎，從而出現心包積液。發生的時間一般在放療結束后數周[20]。急性放射性心包炎通常為自限性疾病，但是約有10%～20%的患者在治療結束后5～10年發展為慢性心包炎或者縮窄性心包炎[21]。

許多學者研究結果表明，心臟V30與心包積液的發生顯著相關。Wei等[22]納入了101例接受根治性放化療的食管癌患者，對放療后心包積液的影響因素進行分析。結果顯示，在101例患者中，心包積液的發生率為27.7%；心包積液發病的中位時間為放療結束后5.3個月；多因素分析顯示，V30與心包積液的發生顯著相關。龍書敬等[23]報道了劑量體積參數對放射性心包積液的影響，共納入49例胸部腫瘤患者。隨訪數據顯示，共有14例患者發生心包積液，其中12例為少量心包積液，2例為中量心包積液。在心包積液組，心臟V30、V35高于無心包積液組，差異有統計學意義；多因素分析顯示，心臟V30是放射性心包積液發生的影響因素。

張瑞等[24]對比了7例胸上段局部晚期食管癌患者的sIMRT和單弧VMAT計劃，入組病例的PTV的體積范圍為304.5～607.7 cm3，平均值為469.0 cm3，處方劑量為60 Gy/ 30F。結果顯示，同sIMRT相比，VMAT可以降低心臟的V30，但差異無統計學意義(P=0.596)。

而在Yin等[6]的研究中，統計結果顯示，VMAT同sIMRT相比，可以有效降低心臟的V30，進一步分層分析，在胸上段、胸中段、胸下段食管癌組中，心臟的V30分別降低33.5%，10.7%以及 21.6%，差異均有統計學意義(P<0.05)。

與sIMRT相比，VMAT在保護心臟方面具有潛在優勢，因此對于年齡較大、有心臟疾病及心功能差的患者，VMAT可得到更多的獲益。

2.2.3 脊髓 放射性脊髓損傷在放射治療并發癥中較為少見，但卻十分嚴重。其發生率約0.8%～3.15%[25]。為脊髓的組織學特點是串聯器官，與放射性脊髓損傷相關性最強的指標是最大劑量，ICRU 83報告推薦的評價指標為近似最大劑量D2%。有學者[26]研究顯示采用常規分割，脊髓照射最大劑量達 45～50 Gy時，放射性脊髓炎發生的危險小于5%。

VMAT在保護脊髓方面，與sIMRT相比有著相似甚至更好的作用，二者均能夠滿足臨床劑量學要求，即最大劑量小于45 Gy。Abbas等[27]選擇了10例胸段食管癌患者，得到的結果是，VMAT與sIMRT相比，可以降低脊髓的最大劑量，但無統計學意義(P>0.05).

劉麗虹等[28]共入組30例食管癌患者，結果認為，VMAT與sIMRT相比，能夠有效降低脊髓的最大劑量(P<0.05)。在以上研究結果的基礎上，作者進一步將腫瘤部位作為分層分析的的依據，結果顯示，VMAT在胸上段組，脊髓最大劑量降低的最多。

2.3 治療時間、MU

VMAT的最大優勢在于縮短治療時間和減低MU。治療時間的縮短，一方面，很大程度上減輕了病人治療過程中的不適感，從而極大程度增加了患者對放療的依從性；另一方面，減少了治療過程中患者的體位移動、器官運動，從而增加了放射治療的精確度。而且，治療時間的縮短使得單位時間內，可治療的患者數量增加，提高了放療設備的資源利用率。而MU的降低，將有可能降低輻射導致的第二源發腫瘤的發生率[29]。Van等[30]對比了下段食管癌的VMAT和sIMRT計劃，結果顯示，VMAT可以降低患者的治療時間，并且，在MU方面，VMAT比sIMRT降低45%。

綜上所述，關于VMAT與sIMRT放療計劃對比的研究，目前尚存在許多爭議，主要表現在靶區參數方面。許多參數可以影響VMAT放療計劃的靶區計量分布，如弧的個數、MLC葉片運動速度、控制點間隔大小等，如何選擇合適的VMAT參數配置，值得我們進一步研究。相比于sIMRT，VMAT可以降低肺高劑量區體積，同時也增加了肺低劑量區體積，但VMAT是否可以進一步降低放射性肺損傷的發生率尚需進一步研究。VMAT的潛在優勢體現在對心臟和脊髓的保護方面，而VMAT的最大優勢在于極大地縮短了治療時間以及大大地降低了MU，既進一步提高了放射治療的精度、提高患者治療過程中的體位舒適度，又提高了設備在單位時間內的利用率，并有可能降低因放療誘發第二原發腫瘤的發生率。

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(學術編輯：杜小波)

The progress of planning studies in esophageal cancer treat with VMAT

LIN Bin-wei，LIU Fang，TAN Bang-xian

(DepartmentofOncology,AffiliatedHospitalofNorthSichuanMedicalCollege,Nanchong637000,Sichuan,China)

Esophageal cancer is one of the most common malignancies in China.Radiotherapy is a main，effective and safe treatment of esophageal cancer.Radiotherapy has become the preferred treatment for cervical,upper thoracic and locally advanced esophageal carcinoma.Volumetric modulated arc therapy (VMAT) has been used to treat esophageal cancer for several years as a novel radiation technique.However,there still exist a lot of arguments on VMAT’s Radiation Biological Dosimetry about esophageal cancer at home and abroad.The main point of this review is to discuss the principle of VMAT and VMAT’s present research situation and prospect on esophageal cancer.

Esophageal cancer；Radiotherapy；Static intensity modulate radiotherapy；Volumetric modulated arc therapy；Dosimetry

10.3969/j.issn.1005-3697.2016.06.047

川北醫學院科研發展計劃項目(CBY14-ZD07)

2016-03-10

林斌偉(1990-)，男，碩士研究生。E-mail：lin_binwei@foxmail.com

譚榜憲，E-mail：tbx_nsmc@126.com

時間：2017-1-3 22∶01

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1254.R.20170103.2201.094.html

1005-3697(2016)06-0943-05

R735.1

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