乳腺癌根治術后特定射野固定鎢門分野靜態IMRT與VMAT的臨床劑量學評估

中國人民解放軍總醫院 第一醫學中心放療科，北京 100853

引言

乳腺癌是女性最常見的惡性腫瘤之一，放射治療是乳腺癌綜合治療的重要組成部分[1]；開展根治術或改良根治術后放療可以有效降低局部和區域淋巴結復發概率。乳腺癌改良根治術后的放療靶區主要沿著胸壁，形狀為不規則弧形，常規切線照射通常會把胸壁內側正常肺組織包括在內，導致肺受照體積大幅增加；對于中晚期患者手術后通常需要對鎖骨上下淋巴引流區和胸壁內乳區進行輔助放療。放療過程中不良反應的降低主要依賴于所采用的放療技術及設計策略。不同學者所采用的治療手段[2]及固定野調強的射野數與布野角度也不盡相同[3]，并進行了廣泛的劑量學比較[4]。固定鎢門技術調強放療可以限定射野范圍[5]，使某些照射野作用于特定的治療區域，以獲得更好的劑量分布[6]，將其運用到鎢門跟隨計劃中，相互結合可以降低乳腺癌患者放療過程中肺和心臟等正常器官的所受劑量。容積旋轉調強放療（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）是調強放療的一種高級形式，其特點是機架在弧形線上連續運動時，多葉準直器（Multi-Leaf Collimator，MLC）連續運動對射束的強度進行實時調節，相比于常規調強，在提高靶區適形度的同時治療速度也提高了數倍。對于乳腺癌患者，VMAT技術能獲得更好的靶區覆蓋度及劑量均勻性[7]，但同時也會造成健側肺、健側乳腺和心臟的平均劑量一定程度增加及低劑量范圍擴大[8-9]。

本研究通過對鎖骨上淋巴結轉移乳腺癌根治術后患者分別設計特定射野固定鎢門IMRT計劃與VMAT計劃，其中IMRT計劃中特定射野對鎖骨上區與胸壁區分別采用固定鎢門技術進行照射，用于在最大程度保護患側肺組織的前提下更好地提高靶區劑量。從靶區劑量分布及心臟、肺等危及器官受照劑量體積等方面比較兩種計劃優缺點，旨在為臨床優選提供參考。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

選取24例在我院接受治療的同一主診組中鎖骨上淋巴結轉移的女性乳腺癌根治術后放療患者，右側：12例，左側：12例。患者年齡32～87歲，中位年齡為47歲。

1.2 定位掃描

患者躺于乳腺托架，仰臥位雙上肢外展上舉，具體角度根據患者身體狀況而定，在自由呼吸狀態下采用Siemens大孔徑CT（Siemens SOMATOM）實施CT掃描，層厚為5 mm，分辨率為512×512。掃描范圍一般從中頸至膈下。

1.3 靶區及重要器官定義

將掃描所得圖像以DICOM RT格式傳輸至Pinnacle3 9.10計劃系統。由主診組醫生勾畫靶區（CTV：胸壁及鎖骨上淋巴結區，不超出皮下3 mm）及危及器官（左、右肺；心臟；脊髓；食管；健側乳腺；皮膚：皮下3 mm）：

1.4 治療計劃設計

利用Pinnacle3 9.10計劃系統，基于瓦里安ix 5230加速器分別設計靜態調強及容積旋轉調強計劃，選擇6 MV X線，默認劑量率600 MU/min；CTV處方劑量為50 Gy/25f，通過計劃優化使95%處方劑量包繞95%靶區體積。危及器官限量如下：患側肺V20＜25%；健側肺V5＜15%；心臟V30＜10% ；脊髓 Dmax≤ 35 Gy；食管 Dmax≤ 50 Gy；健側乳腺Dmax≤7 Gy或V7≤2%；45Gy劑量線緊貼患側肺外緣。

靜態調強計劃設計通常采用6個主射野50個子野，最大子野面積為10 cm2，最小子野MUs為10。左側乳腺各射野機架角度通常為172°、160°、135°、110°、10°及300°；其中172°及160°射野采用固定鎢門技術（172°的射野范圍為鎖骨上靶區，機頭角度為0°；160°的射野范圍為胸壁靶區機頭角度通常為85°）；右側乳腺各射野機架角度通常為 55°、355°、250°、220°、200°、190° ；其中200°及190°射野采用固定鎢門技術（200°的射野范圍為胸壁靶區，機頭角度通常為103°；190°的射野范圍為鎖骨上靶區，機頭角度為0）。各射野具體角度根據靶區形狀可進行細微的調整。

容積旋轉調強計劃采用2個半弧設計，射野機架角度范圍：左側乳腺通常為179.9°～300°和300°～179.9°；右側乳腺通常為180.1°～65°和65°～180.1°。各射野機頭角度及X方向鎢門寬度根據靶區形狀進行合理調整。

1.5 劑量參數評估

（1）靶區的最大劑量（Dmax）、最小劑量（Dmin）、平均劑 量（Dmean）、CTV95%、CTV100%、CTV105%、HI和 CI[10]以及機器跳數（Monitor Unit，MU）。HI=D5%/D95%，其中D5%為5%靶區體積所受到的照射劑量，D95%為95%靶區體積所受到的照射劑量；HI越接近1則靶區的劑量越均勻。

其中Vt.ref為參考等劑量線所包繞的靶區體積，Vt為靶區體積，Vref是參考等劑量線包繞的總體積。CI值介于0～1之間，越接近于1，表示劑量分布適形度越好。

（2）危及器官主要包括Dmax、Dmin、Dmean、D2%、D50%以及Vx。

1.6 計劃驗證

在計劃系統中將各患者計劃導入至ArcCHECK的CT圖像序列中進行劑量計算并導出RP及RD文件；在加速器上完成實際劑量測量；利用SNC Patient驗證分析軟件按照3%/3 mm/TH：10的γ分析標準對導出注量圖與實際測量結果進行定量對比評估。

1.7 統計學方法

數據以均值±標準差表示，采用SPSS 17.0軟件，對各項指標進行配對t檢驗統計分析，α＜ 0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 靶區劑量參數

對于靶區CTV：VMAT計劃的Dmax均小于IMRT計劃，但只有左側乳腺癌的結果差異有統計學意義（P＜0.05）；HI與CI：無論左側還是右側乳腺癌，VMAT計劃均優于IMRT計劃（P＜0.05）。VMAT計劃中CTV接受處方劑量的95%、100%及105%的體積相對于IMRT計劃均有所提高，差異有統計學意義（P＜0.05）。具體結果如表1所示。

表1 乳腺癌患者靜態調強和容積旋轉調強計劃的靶區劑量學比較(±s)

表1 乳腺癌患者靜態調強和容積旋轉調強計劃的靶區劑量學比較(±s)

靶區 組別 Dmax/Gy Dmin/Gy Dmean/Gy HI CI CTV95% CTV100% CTV105%左側IMRT 59.05±1.76 36.65±2.63 52.75±0.25 1.12±0.02 0.62±0.04 98.82±0.41 93.01±1.48 56.76±4.81 VMAT 57.44±0.72 36.53±3.40 52.84±0.21 1.11±0.01 0.76±0.04 99.25±0.40 94.41±1.17 61.94±4.70 t 值 2.68 0.11 -0.90 2.52 -9.69 -2.92 -2.76 -2.40 P 值 0.031 0.912 0.397 0.040 ＜0.001 0.022 0.028 0.048右側IMRT 58.00±1.14 31.43±3.45 52.60±0.18 1.11±0.01 0.63±0.02 98.77±0.70 93.68±1.26 55.28±5.03 VMAT 57.55±0.59 36.58±4.02 52.91±0.23 1.10±0.01 0.77±0.03 99.38±0.45 95.08±1.59 63.96±6.09 t 值 1.04 -3.08 -2.88 3.12 -12.36 -3.94 -3.87 -3.01 P 值 0.333 0.018 0.024 0.017 ＜0.001 0.006 0.006 0.020

2.2 危及器官劑量體積參數比較

在健側肺受照劑量體積參數比較中：對于左側乳腺癌患者，V2、V3、V5等低劑量區體積參數，VMAT計劃均高于IMRT計劃，差異有統計學意義（P＜0.05），而V10及以上的體積參數VMAT計劃均低于IMRT計劃，但差異無統計學意義；右側乳腺癌患者，VMAT計劃各體積參數Vx均顯著高于IMRT計劃。

對于患側肺組織，VMAT計劃的V2及V3等低劑量區相對于IMRT計劃具有不同程度的增加，尤其是右側乳腺癌患者則具有顯著增加（P＜0.05）；而V10以上的高劑量區體積參數VMAT計劃顯著低于IMRT計劃（P＜0.05）。

心臟的受照劑量體積比較中，左側乳腺癌患者VMAT計劃V5及以上各體積參數均低于IMRT計劃；而右側乳腺癌患者心臟各劑量體積參數：VMAT計劃均高于IMRT計劃。食管的V5～V40等參數VMAT計劃均低于IMRT計劃，而右側乳腺癌患者的食管V2及V3等劑量區參數則呈現相反趨勢。對于健側乳腺各參數：與Dmax及V7及以上的體積參數不同，Dmin、Dmean及V2～V5等參數VMAT計劃均高于IMRT計劃。對于脊髓的Dmax、VMAT計劃均顯著低于IMRT計劃。具體數值如表2～3所示。

表2 左側乳腺癌患者靜態調強和容積旋轉調強計劃中危及器官的劑量學統計評估(±s)

表2 左側乳腺癌患者靜態調強和容積旋轉調強計劃中危及器官的劑量學統計評估(±s)

靶區 組別 Dmax/Gy Dmin/Gy Dmean/Gy V2 V3 V5 V7 V10 V20 V30 V40 V50 0.37 VMAT 55.36±0.54 IMRT 55.70±0.46 1.5 8.51.0 0.50 2±13.78±0.80 93.48±9.23 86.02±12.00 65.05±8.83 - 40.01±3.06 24.81±1.21 16.51±1.521.33 2±9±左側肺1.07.10.7 0.28 t 值 1.23 3.05 5.10 -1.62 -0.80 3.25 - 4.72 7.03 9.87 3.48 2.00 P 值 0.258 0.019 0.001 0.149 0.449 0.014 - 0.002 ＜0.001 ＜0.001 0.010 0.086 0.56 7±12.14±0.80 98.85±1.01 90.05±6.81 55.58±3.43 - 33.42±1.32 20.31±2.29 13.28±2.131.46 4±4±IMRT 27.73±10.88 0.1 0.0 1.75.50.0 0.06 6±0.28 0±25.17±7.12 13.50±4.192.08 - 1.04±5±0.610.14 9±0.03 0 0 1±右側肺VMAT 24.02±11.56 0.4 3±0.19 0±0.59 2.755.55±19.93 33.29±13.61 10.30±3.80 - 0.6 9±0.45 4±0.08 0.0 1±00.0.02 0 0 t 值 1.44 -5.12 -4.07 -3.79 -3.83 -2.75 - 1.33 1.36 0.37 1.00 -P 值 0.194 0.001 0.005 0.007 0.006 0.029 - 0.224 0.216 0.725 0.351 -0.29 VMAT 47.98±9.68 IMRT 49.75±6.34 1.2 5.82.00.1 0.26 1±13.21±2.93 96.63±3.62 91.54±5.40 82.00±8.87 - 56.74±14.03 18.95±12.083.91 6±1.80 3±9±心臟2.43.91.20.0 0.09 t 值 1.15 -3.01 4.15 -0.99 -0.68 1.36 - 4.12 2.88 2.80 3.38 1.17 P 值 0.290 0.020 0.004 0.357 0.520 0.215 - 0.004 0.024 0.027 0.012 0.280 1.15 9±10.30±2.26 98.49±2.52 94.14±7.31 75.08±10.15 - 35.85±15.48 10.49±6.152.96 0±1.32 7±8±IMRT 45.47±4.77 6.5 3.8 4.00 5±16.56±4.45 100.00±0 99.78±0.61 97.31±4.89 - 65.30±25.09 28.15±16.42 15.68±8.163.38 0 2±食管VMAT 44.78±4.45 3.6 8.31.5 1.93 1±13.18±4.07 99.17±1.63 92.95±14.01 85.78±20.05 - 50.50±24.03 20.53±8.657.31 9±1.79 0 2±t 值 0.79 2.37 4.52 1.44 1.44 1.97 - 2.61 2.32 3.92 2.13 -P 值 0.457 0.049 0.003 0.193 0.193 0.089 - 0.035 0.054 0.006 0.071 -IMRT 17.72±4.86 0.0 6±0.03 1.7 3±0.46 30.27±11.94 16.78±8.80 6.7 8±5.27 1.7 9±1.41 0.3 3±0.37 0.0 1±0.02 0 0 0右側乳腺VMAT 11.26±3.25 0.12.47.40.50.0 0.07 4±0.55 9±54.16±14.66 33.08±14.846.71 8±050 5±0.03 0 0 0 0 1±t 值 4.72 -3.75 -3.80 -4.08 -3.12 -0.26 2.70 2.41 1.00 - - -P 值 0.002 0.007 0.007 0.005 0.017 0.803 0.031 0.047 0.351 - - -3.37 - - - - - - - - -VMAT 16.28±6.79 IMRT 32.48±1.82 1.0 0.87 8±10.73±脊髓2.78 - - - - - - - - -t 值 7.44 2.93 13.18 - - - - - - - - -P值 ＜0.001 0.022 ＜0.001 - - - - - - - - -0.4 0.39 5±5.35±

表3 右側乳腺癌患者靜態調強和容積旋轉調強計劃中危及器官的劑量學統計評估(±s)

表3 右側乳腺癌患者靜態調強和容積旋轉調強計劃中危及器官的劑量學統計評估(±s)

靶區 組別 Dmax/GyDmin/GyDmean/Gy V2 V3 V5 V10 V20 V30 V40 V50 IMRT 11.14±4.55 0.15±0.05 0.84±0.12 7.75±1.88 2.24±1.18 0.36±0.34 - 0.02±0.03 0 0 0 0左側肺VMAT 15.10±3.61 0.49±0.24 2.52±0.55 51.16±24.26 30.12±14.58 8.39±2.74 - 0.46±0.35 0 0 0 0 t 值 -2.19 -4.22 -8.68 -4.93 -5.32 -8.23 - -3.83 - - - -P 值 0.065 0.004 ＜0.001 0.002 0.001 ＜0.001 - 0.006 - - - -1.03±0.52 VMAT 55.00±1.26 IMRT 54.78±0.69 1.22±0.48 13.78±0.55 93.84±5.34 85.08±5.73 61.57±5.02 - 38.57±3.38 24.86±1.62 17.30±1.43 9.87±1.27右側肺0.60±0.45 t 值 -0.45 -0.29 6.45 -2.80 -4.36 2.30 - 4.42 7.91 9.44 5.29 3.42 P 值 0.667 0.779 ＜0.001 0.027 0.003 0.055 - 0.003 ＜0.001 ＜0.001 0.001 0.011 1.27±0.67 12.43±0.55 98.64±1.13 92.44±3.80 58.14±3.81 - 34.09±2.09 21.11±1.59 13.77±1.29 7.16±1.04 IMRT 21.41±6.25 0.39±0.14 4.08±0.90 47.92±10.79 36.47±6.38 30.33±5.83 - 11.94±5.84 1.07±2.96 0.09±0.24 0 0心臟VMAT 28.46±13.17 1.17±0.61 5.72±2.22 82.68±14.03 64.24±21.09 41.35±18.54 - 13.15±11.08 2.83±4.04 0.76±1.12 0.07±0.12 0 t 值 -1.27 -3.63 -1.77 -4.58 -3.09 -1.48 - -0.24 -0.89 -1.58 -1.52 -P 值 0.244 0.008 0.120 0.003 0.018 0.183 - 0.821 0.405 0.158 0.172 -IMRT 44.84±3.14 0.85±0.51 9.43±1.74 78.14±14.93 71.73±15.38 57.64±15.54 - 25.69±11.46 15.11±3.49 8.08±4.27 1.56±1.64 0食管VMAT 40.92±3.26 1.62±1.00 8.28±1.84 92.78±5.43 78.08±19.97 50.47±14.40 - 23.97±6.68 10.36±5.30 3.29±2.62 0.15±0.26 0 t 值 2.40 -2.63 2.10 -2.94 -0.70 1.02 - 0.56 3.26 3.18 2.25 -P 值 0.047 0.034 0.074 0.022 0.508 0.340 - 0.592 0.014 0.016 0.059 -IMRT 16.91±4.55 0.04±0.02 1.16±0.14 17.54±2.95 8.59±3.07 2.99±1.94 0.91±0.97 0.14±0.23 0 0 0 0左側乳腺VMAT 10.39±1.66 0.18±0.10 2.61±0.59 61.99±20.43 35.73±12.64 6.51±3.48 0.43±0.34 0.01±0.01 0 0 0 0 t 值 3.68 -4.73 -6.88 -5.95 -5.79 -2.72 1.67 1.71 1.00 - - -P 值 0.008 0.002 ＜0.001 0.001 0.001 0.030 0.138 0.130 0.351 - - -IMRT 31.95±1.43 0.67±0.65 8.15±1.20 - - - - - - - - -脊髓VMAT 17.18±6.15 0.46±0.47 5.30±2.02 - - - - - - - - -t 值 6.60 1.96 4.86 - - - - - - - - -P 值 ＜0.001 0.090 0.002 - - - - - - - - -

2.3 機器跳數及模體驗證通過率

無論是左側還是右側乳腺癌患者，其VMAT計劃的平均MUs少于IMRT計劃，尤其是對于左側乳腺癌患者，差異有統計學意義（t=4.18，P＜0.05）；模體驗證通過率均具有顯著提升，差異有統計學意義（t=-3.16、-5.00，P＜0.05）。統計結果列于表4。

表4 乳腺癌患者靜態調強和容積旋轉調強計劃的機器跳數及模體驗證通過率的比較(±s)

表4 乳腺癌患者靜態調強和容積旋轉調強計劃的機器跳數及模體驗證通過率的比較(±s)

危及器官 組別 機器跳數 驗證通過率/%左側IMRT 741.00±103.51 95.48±1.34 VMAT 584.38±74.05 97.29±1.45 t 值值 4.18 -3.16 P 0.004 0.016右側IMRT 666.50±58.21 96.35±0.82 VMAT 607.00±47.99 97.28±0.76 t 值 2.30 -5.00 P 值 0.055 0.002

3 討論

乳腺癌治療效果通常較好，絕大多數患者可長期生存，輻射致癌效應越來越引起醫務工作者的重視，低劑量區體積的增加也逐漸引起關注[11]。相對于適形放療，多野調強放射治療在提高靶區適形度和均勻性的同時也增加了危及器官低量區照射體積[12]。本研究中兩種計劃的患側肺和心臟的V5均在40%以上，相對體積均較高。

對于放射治療可能引起的肺損傷主要與肺接受的平均劑量有關[13]，而肺的V5、V10、V20及V30等體積參數是預估放射性肺炎的重要判定指標[14]。Yorke等[15]研究顯示，當肺的V10大于50%時，肺部相關并發癥概率接近20%。本研究中的患側肺V10，VMAT計劃顯著低于固定鎢門IMRT計劃且均低于50%的標準。與靜態調強相比，VMAT計劃的肺、心臟的極低劑量區（V2、V3）的體積存在不同程度的增大，此研究結果與史玉靜等[16]的研究結果一致。Hamo等[17]研究顯示心臟的平均劑量及V30對心臟的放射毒性有重要指導意義；而V30值在10%以下，發生放射性心損傷的幾率明顯降低[18]。表2、3中的數據表明無論IMRT還是VMAT計劃心臟V30均低于6%，均能有效地保護心臟各項機能。本研究中對于左、右側乳腺癌患者分別進行統計研究，結果顯示右側乳腺放療計劃中心臟各指標普遍低于左側乳腺癌計劃，V30平均值甚至低于1%。

乳腺患者治療過程中靶區位置會隨著呼吸運動而發生變化[19]，為了降低由次而造成的靶區漏照風險，本研究中兩種計劃設計方式均采用在PTV（CTV外放1 cm，且不進入肺）的基礎上向胸前及患側方向各外放1 cm以生成PTV-H，并且在優化時設定PTV-H的最小劑量為處方劑量，從而保證計劃優化時各射野鎢門寬度及MLC按照PTV-H的范圍進行展開，保證足夠的射野范圍；與Monaco計劃系統的Auto-Flash[20-21]射野邊界外放功能不同，此種方法只能將 MLC在靶區外的葉片外放，而不能保證所有子野均外放，因此對患者靶區位置精度要求更高。

VMAT計劃的平均MUs值相對較少，可以減少機器出束時間[22-23]，從而有效降低治療過程中的位置誤差；同時提高治療工作效率及加速器的利用率。本研究中無論是左側還是右側乳腺癌，VMAT計劃的模體驗證通過率相對于IMRT計劃均具有顯著提升，IMRT計劃均選自臨床治療計劃，射野中心通常放置在參考中心點，考慮到實際治療過程中機架與患者之間的安全距離，其位置通常靠近體中線，從而造成射野偏中心，降低MLC調制能力；而VMAT計劃的射野中心選擇則是盡量靠近靶區中心，有效地減小射野鎢門最大橫向距離，保證葉片到位精度；并且大大地提高機架旋轉治療過程中MLC調制能力，最終使其驗證通過率有不同程度的提升。

總之，對于乳腺癌根治術后患者，特定射野固定鎢門IMRT計劃與VMAT計劃皆能滿足臨床需求，VMAT計劃比IMRT計劃具有更好靶區的適形度和均勻性；減少了肺組織等危及器官高劑量區的受照體積，但增加了其低劑量區的受照范圍；同時降低了MUs，縮短了治療時間。