肺部腫瘤大分割放療伽瑪刀、IMRT和VMAT計劃劑量學分析

呂海鵬，劉曉，康靜波，趙煥升，王凱，胡范祥，李翊

1. 中國人民解放軍海軍第九七一醫院 放療科，山東 青島 266000；2. 中國人民解放軍總醫院第六醫學中心 放療科，北京 100048

引言

肺部腫瘤是體部立體定向放射治療（Stereotactic Body Radiation Therapy，SBRT）的重要適應癥，對于早期非小細胞肺癌（Non-small Cell Lung Cancer，NSCLC）因高齡或合并嚴重內科疾病無法手術或拒絕手術的患者，SBRT已經成為標準的治療方案，甚至可以與手術相媲美[1-2]。而對于原發于其他部位的肺轉移瘤，SBRT也是除靶向治療、射頻消融等之外的重要的治療手段[3]。眾所周知SBRT有多種實現方式，主要是基于伽瑪刀和產生高能X線的直線加速器（Linear Accelerator，LA）等。伽瑪刀的主要特點是靶區內劑量極不均勻，等劑量曲線分布梯度高，適合較小且形態規則的腫瘤；而基于LA的固定野調強放療（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）和容積調強（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）治療計劃最大的特點是可以根據處方劑量的要求對靶區進行劑量雕刻，對所有的靶區形態都能達到滿意的劑量分布且快速高效。近年來很多學者報道了肺部腫瘤采用IMRT和VMAT實現SBRT的劑量學對比研究[4-5]，但是二者與國產伽瑪刀之間的劑量學差異鮮有報道。本研究通過對比20例患者在伽瑪刀、IMRT和VMAT治療計劃的劑量學差異，為臨床肺部腫瘤的SBRT治療提供一定的參考依據。

1 材料和方法

1.1 一般臨床資料

選取2018年至2020年在本院接受放療的肺轉移瘤患者20例。其中，男性16例，女性4例；年齡41～82歲，中位年齡62歲；雙側肺轉移4例，單側肺轉移16例；轉移瘤個數1～4個，直徑1.1～7.45 cm，詳見表1。

表1 20例患者的臨床資料

1.2 設備情況

IMRT計劃采用美國VARIAN公司Eclipse 13.5計劃系統、VARIAN 21EX直線加速器，120片多葉光柵，6 MV X射線。VMAT計劃采用VARIAN Eclipse 13.5計劃系統、VARIAN Trilogy 直線加速器，120片多葉光柵，6 MV X射線。伽瑪刀計劃采用國產海博伽瑪刀SGS-Ⅰ型伽瑪刀計劃系統，配備1.5、2.5、4.0和5.5 cm 四組準直器，60Co衰變產生的γ射線的等效能量是1.25 MV。

1.3 體位固定及CT掃描

所有患者均采用仰臥位，負壓真空袋固定，雙手自然上舉，經呼吸訓練后，平靜呼吸下采用CT（日本東芝Aquilion One）對吸氣、呼氣、平靜多呼吸時相螺旋掃描，掃描層厚3 mm；掃描范圍上起下頜骨下緣，下至第2腰椎下部，包括頸部、胸部。

1.4 實驗計劃設計

將每位患者的CT掃描圖像分別導入伽瑪刀、Eclipse計劃系統中，根據多呼吸時相CT圖像勾畫GTV，然后融合成代表呼吸動度的ITV，PTV由ITV外放而成，均勻外放5～7 mm。伽瑪刀計劃采用非共面多弧段進行治療；IMRT治療計劃為7野等中心照射計劃；VMAT計劃采用單弧或雙弧方案。伽瑪刀治療計劃處方要求50%～55%等劑量線包繞95%靶區體積，加速器治療計劃處方要求100%劑量線包繞95%靶區體積。每一例患者的治療計劃采用相同的等效生物劑量60～62.4 Gy，三者均采用大分割方式。

1.5 計劃評價參數

1.5.1 計劃靶區的評價參數

（1）以平均劑量、最大劑量、適形指數（Conformity Index，CI）評價靶區與參考等劑量曲面的適形程度，公式為CI=VPTV-REF/VPTV×VPTV-REF/VREF。式中VPTV為靶區體積，VPTV-REF為參考等劑量線面所包繞的靶區體積，VREF為參考等劑量面所包繞的所有區域體積。CI值在0～1之間，適形度越高，越接近1。本研究參考國際輻射學單位委員會第62號報告采用95%處方劑量曲面。

（2）以均勻性指數（Homogeneity Index，HI）評價PTV內劑量分布的均勻性，公式為HI=D5%/D95%。式中D5%和D95%分別為5%和95%PTV所受到的照射劑量，HI越大說明超過處方劑量越大，PTV內劑量分布也越不均勻。

1.5.2 危及器官評價參數

肺組織的 V5、V10、V15、V20、V25、V30、平均劑量Dmean；心臟的V20、V30、V40、平均劑量Dmean；脊髓的最大劑量 Dmax，食管的 Dmax、Dmean。

1.5.3 統計方法

采用SPSS 22.0統計軟件對數據進行比較分析，若滿足正態分布和方差齊性應用成組t檢驗，否則采用非參數秩和檢驗。P＜0.05為差異有統計意義。

2 結果

2.1 靶區及危及器官勾畫體積

伽瑪刀和加速器分別采用不同的治療計劃系統，兩系統所勾畫的靶區和危及器官范圍是一致的，P＜0.001，詳見表2。

表2 20例轉移性肺癌靶區及危及器官體積（mL）

2.2 危及器官受照情況

伽瑪刀與 IMRT的全肺 V5、V10、V15、V20、V25、V30差異很大（P＜0.001），伽瑪刀與 VMAT的全肺V5、V10、V15、V20、V25、V30同樣有很大的差異（P＜0.001），IMRT比 VMAT 的 全 肺 V10、V15小（P＜0.05）， 而 V25、V30則VMAT略低于IMRT（P＞0.05）。對于全肺平均劑量Dmean，伽瑪刀與IMRT無明顯差異（P=0.106），但伽瑪刀比VMAT略低（P=0.025）；IMRT與VMAT基本一致?；紓确?V5、V10、V15、V20、V25、V30三種治療方式與全肺得到的結果基本一致，唯一的區別在于伽瑪刀與IMRT的V5沒有統計學差異（P=0.103），盡管從數值上來看伽瑪刀略低。三種治療方式的患肺平均劑量Dmean則基本相同（P＞0.05）。采用伽瑪刀治療，心臟V20、V30、V40整體好于基于加速器的IMRT和VMAT，除了與VMAT相比V40差異較?。≒=0.086）外，其他指標均有明顯差異（P＜0.05）。伽瑪刀平均劑量Dmean低于IMRT（P=0.007），其他各組無明顯差別（P＞0.05）。伽瑪刀治療的脊髓最大劑量均明顯低于IMRT和VMAT（P值分別為0.003、0.046），而IMRT和VMAT則相差不大（P=0.411）。伽瑪刀、IMRT和VMAT三者的食管Dmean依次增高（P＜0.05）；最大劑量Dmax伽瑪刀明顯低于VMAT（P=0.029），而伽瑪刀與IMRT以及IMRT與VMAT則沒有明顯差別（P＞0.05），詳見表3。

表3 20例轉移性肺癌患者危及器官劑量參數統計

2.3 靶區受照情況

IMRT的CI好于伽瑪刀和VMAT（P＜0.05），而伽瑪刀和VMAT則無明顯差別（P=0.866）。伽瑪刀的HI明顯高于IMRT和VMAT（P＜0.05），VMAT略高于IMRT（P=0.008）。采用伽瑪刀治療的靶區Dmax和Dmean明顯高于IMRT和VMAT（P＜0.05），VMAT 則略高于 IMRT（P＜0.05），詳見表4。

表4 20例轉移性肺癌靶區參數

遠離胸膜的靶區，由于計劃系統充分考慮到側向電子失衡的問題，VMAT的適形度最差。

3 討論

目前手術切除仍是Ⅰ期NSCLC的標準治療[6-7]，然而高齡及伴隨嚴重心肺合并癥及不可手術病例逐漸增加。包括2013年美國放射治療腫瘤學協作組（Radiation Therapy Oncology Group，RTOG） 0618研究在內的多項研究顯示，SBRT治療一期肺癌局部控制（Local Control，LC）和總生存期（Overall Survival，OS）都得到了很大的改善[8]，SBRT治療肺部腫瘤的安全性也得到了廣泛認可，死亡原因多為治療前的其他合并癥[9]。對于肺內孤立轉移瘤，在全身治療的基礎上給予SBRT治療已逐漸被接受，Baschnagel等[10]對32個肺轉移瘤行4～10×6 Gy放療，中位隨訪時間為27.6個月，1、2、3年LC和OS分別為97%、83%、76%和92%、85%、63%，中位OS為40個月，未觀察到≥4級不良反應。董百強等[11]研究的基于加速器的82例肺繼發孤立病灶SBRT取得了較好的療效，初步證明SBRT治療晚期肺寡轉移灶安全有效。

作為SBRT的實現方式，無論是伽瑪刀還是基于LA的其他SBRT方式，近年來都有不錯療效的報道[11-12]。而對于國產伽瑪刀和基于LA的SBRT方式在劑量學方面的差異國內報道較少。各種品牌的國產伽瑪刀沒有統一的劑量學標準，使用放射源的總活度、放射源的顆數、各廠家放射源的運轉方式也各不相同[13]。雖然有以上差別，但是伽瑪刀靶區外較快的劑量跌落以及靶區劑量極度不均勻是所有伽瑪刀共有的特性。靶區外劑量快速跌落是伽瑪刀的主要優勢之一，本研究顯示無論是患側肺還是全肺的伽瑪刀靶區外正常肺組織的劑量-體積指標（V5、V10、V15、V20、V25、V30），都明顯低于 IMRT 和 VMAT。其中V5、V20的降低可以更大程度上的避免放射性肺炎的發生幾率[14]。對于食管、脊髓心臟等危及器官的保護也優于基于LA的SBRT，這些數據可以說明伽瑪刀治療的毒副作用更小。吳齊兵等[15]報道的陀螺刀與VMAT劑量學對比研究的結果與本研究基本一致，但患側肺的劑量-體積指標不同，陀螺刀患肺劑量-體積指標高于VMAT，分析其原因可能是陀螺刀的放射源排列方式與海博產SGS-Ⅰ型伽瑪刀不同，海博產SGS-Ⅰ型伽瑪刀源排列旋轉方式使其聚焦性更強。靶區劑量極度不均勻是伽瑪刀的另一特點，在本研究中體現在靶區HI、Dmax和Dmean明顯高于IMRT和VMAT。對于肺內實體腫瘤，腫瘤個體較大或生長迅速導致其內部血供差，部分腫瘤乏氧，伽瑪刀靶區劑量分布高、不均勻性使乏氧組織得到更高劑量，從而增加其放射敏感性，提高LC[16]。而對于某些空腔靶區或其內部有重要器官，如被腫瘤包繞的神經，基于LA的SBRT更加均勻的靶區劑量則使治療更加安全有效。

本研究靶區主要以小的類圓形靶區為主，在靠近胸壁或肺門的病變，VMAT的靶區CI能保持在正常水平。而在肺野中間的靶區，尤其是小腫瘤的CI最差（圖1）。出現這一現象的原因是加速器計劃系統采用了更先進的類似蒙特卡羅（Monte Carlo，MC）算法的AcurosXB算法，這種算法能夠充分考慮到側向電子失衡現象，尤其是胸腔這種空氣密度與軟組織密度頻繁更替的結構[17]。對于肺內腫瘤，為了盡量避免側向電子失衡的問題，RTOG早在第91-05號協議推薦使用射線能量的范圍是4～12 MV。有研究報道，當所使用的計劃系統不能提供側向電子失衡修正的算法時應選擇較低的6 MV[18]。而另一項研究則表明，基于MC算法，相對于4、6和8 MV的X線，更低能量的60Co射線其劑量分布受氣腔的影響更小[19]。這樣看來，對于肺內小腫瘤國產伽瑪刀相比于加速器更有優勢。

圖1 肺野內腫瘤伽瑪刀、IMRT和VMAT劑量分布情況

本研究發現部分伽瑪刀全肺平均劑量高于基于LA的兩種SBRT，主要因為靶區形態不規則，伽瑪刀計劃需要多個靶點拼湊從而達到更好的CI，從而導致全肺平均劑量抬高，也導致治療時間延長。對于VMAT和IMRT的比較，本研究結果與蔡俊濤等[20]研究的結果基本一致：與IMRT技術相比，VMAT降低了肺中高劑量區的照射體積，但是卻增加了肺低劑量區的照射體積，而對其他正常組織的照射范圍則基本一致。

4 結論

無論是伽瑪刀還是基于LA的VMAT和IMRT都能滿足SBRT的需求，在使用中各有優勢，伽瑪刀對肺內較小孤立腫瘤劑量學優勢明顯，并且能更好的保護正常肺組織。但是隨著伽瑪刀放射源的衰減，治療時長會逐漸增加。相比于IMRT和VMAT的快速治療，伽瑪刀在治療過程中的位置精度增加了更多的不確定性。而對形態不規則的腫瘤，VMAT和IMRT在計劃設計的精細程度是伽瑪刀無法比擬的。