早期左側乳腺癌保乳術后IMRT與VMAT兩種放射治療技術的劑量學研究*蒙渡1

劉銳 王書文 唐豐文 楊蘊一 韓蘇夏 趙新漢

(西安交通大學第一附屬醫院 1.腫瘤放療科;2.腫瘤內科，陜西 西安 710061)

?

·論著·

早期左側乳腺癌保乳術后IMRT與VMAT兩種放射治療技術的劑量學研究*蒙渡1

劉銳1王書文1唐豐文1楊蘊一1韓蘇夏1趙新漢2

(西安交通大學第一附屬醫院 1.腫瘤放療科;2.腫瘤內科，陜西 西安 710061)

目的 分析逆向調強放射治療計劃(IMRT)及容積旋轉調強放射治療計劃(VMAT)在早期乳腺癌患者保乳術后輔助放射治療中劑量學方面的優劣。方法 選擇無放療禁忌癥的30例行保乳手術的早期左側乳腺癌患者，分別制定IMRT計劃及VMAT計劃。通過分別比較兩種計劃的CI值、HI值、IHI值，以及評價兩種計劃危險器官受量，來分析兩種治療技術在劑量學方面的優劣。結果 兩種計劃的CI值差異無統計學(P>0.05)，但在靶區體積較小(<485.6 cm3)的患者中，IMRT的CI值高于VMAT計劃(P<0.05)；兩種計劃的HI值、IHI差異無統計學意義，并與靶區體積無關(P>0.05)；另外，危險器官的低劑量區(V5、V10)在VMAT計劃中顯著增高(P<0.01)。結論 VMAT計劃相較于IMRT計劃并沒有顯示出適形度及不均勻度方面的優勢，相反在乳腺體積較小的患者中IMRT的優勢更大。另外，VMAT計劃相較于IMRT計劃導致了正常組織低劑量區的增加。

乳腺癌； IMRT； VMAT； 放射治療

20世紀70年代以來，為了保障乳腺癌患者心理、生理的健全以及提高生活質量，乳腺癌手術治療的范圍趨向于逐漸變小。目前，保乳手術加前哨淋巴結活檢術已逐漸取代根治性手術成為早期乳腺癌患者的標準術式[1]。保乳術后的早期乳腺癌患者需接受術后輔助放射治療[2]。近年來，適形調強放射治療逐漸取代切線野照射成為保乳術后的主要輔助放射治療模式[3]。適形調強放射治療較普通的切線野放射治療具有更好的靶區適形度及靶區內劑量均勻度，同時可以更好的保護重要的危險器官(organs at risk，OAR)。本研究分析比較了兩種調強放射治療計劃，普通的逆向調強放射治療計劃(IMRT)及容積旋轉調強放射治療計劃(VMAT)，在靶區適形度、劑量分布以及危險器官的保護方面的差異。以進一步分析這兩種調強放療計劃在臨床應用中孰優孰劣。

1 資料與方法

1.1 病歷資料 隨機選取我院2013～2016年30例行保乳手術的左側乳腺癌患者符合以下條件者：AGCC分期T1～2N0～1M0(Ⅰ～Ⅱa期及部分Ⅱb期)，KPS評分≥80分，無嚴重心肺功能障礙，血細胞計數、肝腎功血清學檢查正常，無胸部放療史及放療禁忌癥。30例患者中位年齡42歲，病理類型均為浸潤性導管癌。

1.2 體位固定及CT影像采集 采用乳腺托架固定體位，患者取仰臥位，調節托架使患側手臂充分上舉外展，并記錄托架參數。使用鉛絲或鉛點標定患側乳腺范圍。采用螺旋CT采集圖像，掃描范圍包括胸廓入口上5 cm至肋膈角下5 cm，掃描層間距為5 mm。將所采的CT圖像經網絡傳至治療計劃系統，以備勾畫靶區及制定計劃所用。

1.3 靶區及危險器官的定義 靶區的定義參照ESTRO標準[4]。CTV：包括整個患側乳腺。前界：皮膚下0.5 cm；后界：胸大肌、胸骨、肋間肌，不超過胸壁組織；頭側界：可見或可觸及的乳腺組織上緣；腳側界：可見或可觸及的乳腺組織下緣；內側界：體正中線；外側界：乳腺反折外側。PTV：CTV內外后界各外放0.5 cm，頭側界及腳側界外放0.7～1.0 cm，前界不超過皮下0.5 cm。危險器官包括：心臟、患側肺、健側肺、脊髓及健側乳腺。

1.4 放射治療計劃設計 治療所用設備包括直線加速器(ELEKTA Precise)、治療計劃系統(CMS Xio)系統和CT模擬定位機(Philips brilliance CT Big Bore)。PTV處方劑量50Gy/25f。要求處方劑量至少包繞90%的PTV。高劑量區限制：V110%<10%。在進行制定計劃前于模擬定位機下確定切肺體積最小的主野方向。IMRT計劃設計：采用模擬定位機下確定的最小穿肺體積的兩切線野方向為主野，再增加兩個不同方向的輔助野(圖1A)。VMAT計劃設計：以模擬定位及所確定的切線野方向為起止角度，采用雙弧計劃(圖1B)。危險器官劑量限制要求：心臟V30<20%，患側肺、健側肺V20<20%，健側乳腺平均劑量(Dmean)<5 Gy，脊髓PRV Dmax<45 Gy。

圖1 兩種放療計劃設計圖

Figure1 Radiation fields setting of IMRT and VMAT plan

注：A.IMRT計劃；B.VMAT計劃

1.5 兩種計劃的評價

1.5.1 靶區劑量評價 計劃完成后，在系統生成的劑量體積直方圖(Dose volume histogram，DVH)及所采集的相關數據對計劃進行評價，包括以下指標：PTV 和 PGTV 的最大劑量 Dmax及最小劑量 Dmin；PTV內至少接受相應處方劑量照射體積百分比 V95%、V103%、V105%、V110%。不均勻指數(Inhomogeneity index，IHI)，以 PTV 接受<95%處方劑量與>103%處方劑量體積百分比之和來表示。適形度指數(CI)=(Vt,ref/Vt)×(Vt,ref/Vref)。其中，Vt為靶區體積，Vt,ref為參考登記量線包繞的靶區體積，Vref為參考等劑量線所包括的所有區域。均勻度指數(HI)=(D2-D98)/Dp。其中D2是指在DVH圖上，2%的靶區體積所對應的劑量，這可被認為是“最大劑量”；D98是指在DVH圖上，98%的靶區體積所對應的劑量，這可被認為是“最小劑量”；Dp即計劃所給予的處方劑量。

1.5.2 危險器官受量評價 比較心臟、患側肺及健側肺所接受5、10、20、30 Gy及40 Gy劑量照射的百分體積(即V5、V10、V20、V30、V40)。比較對側乳腺接受5 Gy劑量照射的體積(V5)及平均劑量(Dmean)。

1.6 統計學方法 采用SPSS 19.0進行統計學處理。所有數據結果采用配對t檢驗，檢驗水準為P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 等劑量曲線圖和劑量分布圖結果 兩種計劃中處方劑量曲線對靶區的包繞良好，但IMRT計劃低劑量區范圍顯著小于VMAT計劃(圖2)。兩種計劃DVH圖的PTV曲線基本重合，說明兩種計劃中靶區的劑量均勻度良好。但IMRT計劃中OAR的曲線處于低劑量區的體積顯著低于VMAT計劃，說明IMRT計劃對DAR有更好保護作用(圖3)。

圖2 IMRT與VMAT計劃等劑量曲線的對比

Figure2 Isodose curve of IMRT and VMRT plan

注：A.IMRT計劃；B.VMAT計劃

圖3 IMRT計劃與VMAT計劃DVH曲線

Figure3 Dose volume histogram of IMRT and VMRT plan

注：虛線為IMRT計劃，實線為VMAT計劃

2.2 靶區劑量、適形度和均勻度的比較 VMAT計劃Dmax顯著低于IMRT計劃，而Dmin差異無統計學意義。兩種計劃的CI值差異無統計學意義，但在靶區體積較小(<485.6 cm3)的患者中，IMRT的CI值顯著高于VMAT計劃，且更接近于1。兩種計劃的HI值差異無統計學意義，并與靶區體積無關。同時，VMAT計劃的V95%及V103%顯著低于IMRT計劃，而V105%、V110%差異無均統計學意義。兩種計劃的IHI值差異無統計學意義，并與靶區體積無關，見表1、2。

Table1 Dmin,Dmax,percent dose volume, CI and HI value of PTV in IMRT plan and VMAT plan

IMRTVMATPDmin(Gy)48.67±1.2748.24±2.12>0.05Dmax(Gy)56.87±2.0955.10±1.86<0.01V95%97.49±1.3694.90±1.45<0.05V103%90.14±3.2886.87±2.93<0.05V105%50.98±2.3352.15±1.07>0.05V110%12.91±0.9413.06±2.19>0.05CI0.88±0.110.86±0.22>0.05HI0.27±0.090.25±0.04>0.05IHI2.96±1.043.12±0.95>0.05

Table 2 CI，HI and IHI values in targets of different volumes

2.3 兩種計劃OARs劑量學比較 VMAT計劃與IMRT計劃相比較，心臟、患側肺的V20、V30、V40及Dmean差異無統計學意義(P>0.05)，但OARs的低劑量區(V5、V10)在VMAT計劃中增高(P<0.05)，見表3和表4。另外，VMAT計劃中健側肺及乳腺的V5、V10、Dmean高于IMRT計劃(P<0.01)，見表5。

表3 IMRT與VMAT計劃中心臟的受量比較

Table 4 Dose distribution of ipsilateral lung in IMRT plan and VMAT plan

IMRTVMATPV545.17±3.2655.69±3.79<0.01V1035.19±4.1541.81±3.82<0.01V2027.59±3.0530.06±1.32>0.05V3023.44±1.7023.64±3.01>0.05V4018.75±1.0219.04±1.11>0.05Dmean(Gy)19.73±7.9120.27±4.88>0.05

3 討論

由于社會的發展，人們對生活質量要求的提高，保乳術后的放射治療，應在保證局部控制率的同時減少治療并發癥。如何改善靶區內劑量分布的均勻性及降低心臟、肺及對側乳腺等重要器官的受照劑量已成為討論的重點[5]。IMRT及VMAT技術是實現更好劑量分布及更有效的保護正常器官的有效工具。但保乳術后的輔助放射治療技術究竟應選擇VMAT還是IMRT目前還有很大的爭議[6-8]。本研究對這兩種照射技術進行了劑量學方面的對比分析。

CI、HI及IHI是評價放射治療技術非常重要的指標。Jin等[9]的研究結果顯示：VMAT計劃的CI值顯著低于切線野為主的IMRT技術，并且HI值也差于IMRT技術，尤其對于左側乳腺癌、乳房較小的患者趨勢更加明顯，因此此類患者不推薦使用VMAT照射技術。在另一些研究中，VMAT技術較IMRT技術表現出較好的CI值，但心臟、同側肺及健側乳腺受到了更高劑量的照射[10-12]。另Park等[13]研究表明，VMAT技術相較于IMRT技術具有更優的CI值，但HI值無顯著差異，但同側肺及心臟的低劑量區范圍顯著增高。我們的研究結果與以上結果得出了類似的結論：VMAT與IMRT相比，CI值、HI值及IHI值差異均無統計學意義。但在乳腺體積較小分組的患者中，IMRT相較于VMAT顯示出在CI值方面的優勢。

Table 5 Dose distribuation of contralateral lung and breast in IMRT plan and VMAT plan

IMRTVMATP健側肺 V50.39±0.039.23±5.2<0.01 V100.05±0.052.27±1.96<0.01 Dmean(cGy)10.27305.19<0.01健側乳腺 V53.37±2.9340.91±20.73<0.01 V100.92±1.0117.17±10.63<0.01 Dmean(cGy)47.88±23.12681.87±301.12<0.01

放射線誘發的放射性肺炎及放射性心臟病是乳腺癌放射治療的主要的并發癥，尤其在左乳癌患者，心臟接受了更多劑量的照射。Darby等[14]的研究結果顯示乳腺癌對心臟的額外照射增加了患者罹患心臟病的風險。Jin等[9]指出心臟與冠脈的受照劑量體積有著密切的關系，心臟的DVH可以預測冠脈的受量[9]。而冠脈受照劑量則直接與心臟并發癥相關[15-16]。而亦有研究表明肺的低劑量受照區的體積與放射性肺炎的發生密切相關。當肺的V10大于50%時，肺的并發癥率可達20%[17-18]。另外，有研究指出正常組織低劑量的照射可增加繼發腫瘤的患病風險[19]。乳腺的低劑量區受照劑量將會使第二原發乳腺癌的患病風險增加[20-21]。我們的研究結果顯示VMAT計劃中患側及健側肺、心臟及健側乳腺及健側肺的V5及V10均高于IMRT計劃。但這種低劑量區受照體積的差異是否會導致放射性的心肺損傷、繼發腫瘤的發生率及嚴重程度差異，還需要進一步的基于大樣本的隨機臨床研究數據的討論。

4 結論

相較于VMAT計劃，IMRT計劃并沒有在適形度及劑量均勻度方面顯示出更高的優勢。在乳腺體積較小的患者中，IMRT計劃適形度及劑量均勻度均優于VMAT。因此，IMRT技術可能是保乳術后輔助放射治療的更好的選擇。但劑量學數據的差異是否導致了臨床療效、并發癥發生率的差異，以及VMAT計劃在臨床應用中的有效性及安全性尚需進一步大樣本研究數據的驗證。

[1]Vila J, Gandini S, Gentilini O. Overall survival according to type of surgery in young (≤40 years) early breast cancer patients: A systematic meta-analysis comparing breast-conserving surgery versus mastectomy [J]. Breast, 2015, 24(3):175-181.

[2]Lee HC, Kim SH, Suh YJ,etal. A prospective cohort study on postoperative radiotherapy with TomoDirect using simultaneous integrated boost technique in early breast cancer [J]. Radiat Oncol, 2014, 9: 244.doi:10.1186/s1304-014-0244.

[3]Haciislamoglu E, Colak F, Canyilmaz E,etal. Dosimetric comparison of left-sided whole-breast irradiation with 3DCRT, forward-planned IMRT, inverse-planned IMRT, helical tomotherapy, and volumetric arc therapy [J]. Phys Med, 2015, 31(4):360-367.

[4]Offersen BV, Boersma LJ, Kirkove C,etal. ESTRO consensus guideline on target volume delineation for electivw radiation therapy of early stage breast cancer [J]. Radiother Oncol. 2016, 118(1):205-208.

[5]Fiorentino A, Mazzola R, Ricchetti F,etal. Intensity modulated radiation therapy with simultaneous integrated boost in early breast cancer irradiation. Report of feasibility and preliminary toxicity [J]. Cancer Radiother, 2015, 19(5): 289-294.

[6]Pasler M, Lutterbach J, Bj?rnsgard M, VMAT techniques for lymph node-positive left sided breast cancer [J]. Z Med Phys, 2015, 25(2):104-111.

[7]Lin JF, Yeh DC, Yeh HL,etal. Dosimetric comparison of hybrid volumetric-modulated arc therapy, volumetric-modulated arc therapy, and intensity-modulated radiation therapy for left-sided early breast cancer [J]. Med Dosim, 2015,40(3):262-267.

[8]Pasler M, Georg D, Bartelt S,etal. Node-positive left-sided breast cancer: does VMAT improve treatment plan quality with respect to IMRT ?[J] Strahlenther Onkol, 2013, 189(5):380-386.

[9]Jin GH, Chen LX, Deng XW,etal. A comparative dosimetric study for treating left-sided breast cancer for small breast size using five different radiotherapy techniques: conventional tangential field, field in field, Tangential-IMRT, Multi-beam IMRT and VMAT [J]. Radiation Oncology, 2013, 8: 89.doi:1186/1748-717x-8-89.

[10] V Van Parijs H, Reynders T, Heuninckx K,etal. Breast conserv- ing treatment for breast cancer: dosimetric comparison of different non-invasive techniques for addition- al boost delivery [J]. Radiat Oncol, 2014,9:36.doi:10.1186/1748-717x-9-36.

[11] Yoo S, Blitzblau R, Yin FF,etal. Dosimetric comparison of preoperative single-fraction partial breast radiotherapy techniques: 3D CRT, noncoplanar IMRT, coplanar IMRT, and VMAT [J]. J Appl Clin Med Phys, 2015,16(1):5126.

[12] Wang J, Li X, Deng Q,etal. Postoperative radiotherapy following mastectomy for patients with left-sided breast cancer: A comparative dosimetric study [J]. Med Dosim, 2015,40(3):190-194.

[13] Park SH, Kim JC. Comparison of electron and x-ray beams for tumor bed boost irradiation in breast-conserving treatment [J]. J Breast Cancer,2014, 16(3):300-307.

[14] Darby SC, Ewertz M, McGale P,etal. Risk of ischemic heart disease in women after radiotherapy for breast cancer [J]. N Engl J Med, 2013, 368(11): 987-998.

[15] J?st V, Kretschmer M, Sabatino M,etal. Heart dose reduction in breast cancer treatment with simultaneous integrated boost: Comparison of treatment planning and dosimetry for a novel hybrid technique and 3D-CRT [J]. Strahlenther Onkol, 2015, 191(9):734-41.

[16] Fan LL, Luo YK, Xu JH,etal. A dosimetry study precisely outlining the heart substructure of left breast cancer patients using intensity-modulated radiation therapy [J]. J Appl Clin Med Phys, 2014,15(5):4624.

[17] Qiu J, Liu Z, Yang B,etal. Low-dose-area-constrained helical Tomo Therapy-based whole breast radiotherapy and dosimetric comparison with tangential field-in-field IMRT [J]. Biomed Res Int. 2013, 2013: 513708.doi:10.1155/2013/513708.

[18] Oie Y, Saito Y, Kato M,etal. Relationship between radiation pneumonitis and organizing pneumonia after radiotherapy for breast cancer [J]. Radiat Oncol, 2013, 8:56.doi:10.1186/1748-717x-8-56.

[19] Abo-Madyan Y, Aziz MH, Aly MM,etal. Second cancer risk after 3D-CRT, IMRT and VMAT for breast cancer [J]. Med Dosim, 2014, 39(3):227-234.

[20] Lee B, Lee S, Sung J,etal. Radiotherapy-induced secondary cancer risk for breast cancer: 3D conformal therapy versus IMRT versus VMAT [J]. J Radiol Prot, 2014,34(2):325-331.

[21] Filippi AR, Ragona R, Piva C,etal. Optimized volumetric modulated arc therapy versus 3D-CRT for early stage mediastinal Hodgkin lymphoma without axillary involvement: a comparison of second cancers and heart disease risk [J]. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2015, 92(1):161-168.

Comparing the radiological dose distribution between VMAT and IMRT applied in radiotherapy of early left breast cancer patients after breast-conserving surgery

MENG Du1, LIU Rui1, WANG Shuwen1,et al

(1.DepartmentofRadioOncology,TheFirstAffiliatedHospitalofXi’anJiaotongUniversity,Xi’an710061,Shanxi,China;2.DepartmentofMedicalOncology,TheFirstAffiliatedHospitalofXi’anJiaotongUniversity,Xi’an710061,Shanxi,China)

Objective To compare the radiotherapy dosimetry of IMRT and VMAT in radiotherapy for patients with left early breast cancer after breast-conserving surgery. Methods 30 left breast cancer patients after breast-conserving surgery and without radiotherapy contraindications were selected. IMRT plan and VMAT plan were formulated respectively. By comparing the CI, HI, IHI, and the dose delivered to the organ at risk between the two kinds of plan, we analyzed the pros and cons of two kinds of treatment technology. Results There was no statistically significant difference between the two plans in CI (P>0.05). However, when the volume in the target area was small (less than 485.6 cm3), the CI of IMRT plan was significantly higher and closer to 1 than that of VMAT plan (P<0.05). There was no significant differences in HI and IHI values whether the target volume was big or small (P>0.05). In addition, the low dose areas of organs at risk (V5, V10) was significantly increased in the VMAT plan (P<0.01). The Mu of VMAT was significantly higher than IMRT, with an average increase of 1.94±0.14 times. Conclusion Compared to IMRT plans, VMAT plans do not show a satisfactory advantage in conformal and dose-homogeneous degree. In patients with smaller breast, IMRT showed greater advantage. More over, compared to IMRT plans, VMAT plans resulted significant increase of low dose region in organs at risk.

Breast cancer； IMRT； VMAT； Radiotherapy

國家自然科學基金(81201680)

王書文，E-mail：wenshuwang2012@163.com

R 737.9

A

10.3969/j.issn.1672-3511.2016.11.014

2016-05-19；

2016-09-28; 編輯： 張文秀)