VMAT旋轉調強多中心照射技術在全腦全中樞放療中的應用

張懷文 鐘曉鳴 胡海芹 洪 潮

全腦全脊髓放射治療或全腦全中樞放射治療主要適用于惡性程度高、易發生腦脊液播散的中樞神經系統腫瘤的治療[1]。其適應癥主要包括髓母細胞瘤、生殖細胞瘤、分化差的惡性室管膜母細胞瘤、中樞神經系統惡性淋巴瘤、中樞神經系統白血病等[2]。此類病變好發于兒童及青少年，大多對放射線敏感，全腦全脊髓放療常作為其標準治療方案[3]。常規和靜態調強放療技術主要弊端為患者靶區劑量均勻性差、照射野長度不夠且射野銜接處易出現劑量冷、熱點[4]。本研究將VMAT旋轉調強多中心照射技術應用于我院全腦全中樞放療中，從患者的靶區劑量分布適形度和均勻性及心臟、肺、晶體等重要危及器官受量等方面探討其治療計劃優缺點，希望為臨床選擇最佳治療計劃進行推廣提供科學參考依據。現將主要的結果報告如下。

1 資料與方法

1.1 病例選擇

隨機選取2018年1月至2020年12月我院放療中心收治全腦全中樞放療患者10例，其中男性9例，女性1例，年齡6～21歲，中位年齡13歲。所有患者無精神障礙和精神疾病，有較好的自控能力，心肺功能基本正常，均無放療禁忌癥。

1.2 體位固定和CT掃描

患者取仰臥位平躺于科萊瑞迪卡條式放療多功能一體架后確保患者呼吸通暢，首先在瓦里安常規Acuity模擬定位機下進行透視和調整，使兩側外耳孔重合，整個脊髓、頭顱矢狀面保持在同一體中線上。患者頭頸部使用熱塑面罩固定，體部予以熱塑性U型體罩固定，雙手自然垂放身體兩側，下肢伸直自然平放，體中線與床長軸一致。由于照射范圍過長，所以采用多個中心的定位方法，在頭部“十”字及脊髓野各中心貼鉛珠標記。同時，按照仰臥位三個等中心定位方法，確定三組標記點，并貼鉛珠標記。患者平靜呼吸下經西門子SOMATOM Definition AS20排大孔徑螺旋4DCT進行CT定位圖像掃描，掃描范圍從頭頂上方1 cm開始至腰椎S4下緣截止。頭部掃描層厚為3 mm,其余位置掃描層厚為5 mm，掃描層間距設為3 mm，掃描結束后將CT模擬機患者定位圖像資料通過醫院專用放療局域網傳至瓦里安Ecalipse13.5放療計劃系統。

1.3 靶體積與危及器官勾畫

為了保持靶區勾畫的一致性，由同一資深專業放療醫師在放療計劃系統的醫生工作站根據ICRU第50、62號報告勾畫放射治療靶區。靶區范圍包括全顱腔和全椎管，然后立體外放5 mm邊界作為腫瘤計劃靶區體積(PTV)，靶區長度一般約為60～80 cm。危及器官主要包括晶體、性腺、心臟、結腸、雙肺、雙腎、膀胱、肝臟、甲狀腺等。

1.4 計劃的設計和實施

物理師在三維放療計劃系統工作站根據放療醫師確認的總計劃靶區進行不同照射計劃設計。針對每位患者分別設計3套計劃，分別是3DCRT技術(Ⅰ)、3DCRT+IMRT技術(Ⅱ)與VMAT旋轉調強多中心照射技術(Ⅲ)。采用瓦里安TrueBeam直線加速器6MV光子。每位患者3種治療計劃處方劑量為3600 cGy/18次，200 cGy/天，5次/周。3種治療計劃都將患者整個療程分為三段，每段都不改變射野中心位置，只改變射野照射范圍上下界，使得在每一個療程中，上下射野銜接位置發生變化，更好減少患者擺位誤差帶來的劑量影響。

3D-CRT計劃：全腦及上頸第六椎體以上部分采用等中心近水平對穿射野并旋轉小機頭方式消除高量設計計劃，而第六頸椎以下所有脊髓射野采用等中心1前2后野方式進行計劃設計。照射全腦的射野與照射脊髓上段射野利用照射半野鎖野技術進行交接位置銜接，為更好的消除射野銜接處劑量冷熱點的出現，在脊髓上段射野和脊髓中段射野、脊髓中段射野和脊髓下端射野的射野銜接處利用正向設置小子野方式來防止銜接處劑量過高或過低。

3D-CRT+IMRT調強計劃：患者全腦靶區的照射野仍采用和3D-CRT計劃相近的平行對穿照射野設計，上脊髓段射野與全腦靶區照射野共用一個等中心，脊髓上段靶區射野長度設置為不超過15 cm，其余所有脊髓靶區根據靶區長度分2段，每段靶區射野長度設為35 cm以內，兩段脊髓段射野都采用4個野調強，機架角度分別設為0°、210°、150°和180°。各調強射野間交疊區范圍設為5 cm，且所有射野都不需旋轉治療床和準直器角度。

VMAT旋轉調強多中心照射計劃：整個多中心VMAT旋轉調強計劃共運用6個全弧進行計劃設計，頭部全腦靶區和兩段脊髓，三個部位各采用等中心設計兩道全弧，均采用Jaw跟隨模式，其中逆時針方向機架角度為179°～181°，準直器角度設置為0°～10°；順時針方向機架角度為181°～179°，準直器角度設置為0°～350°。射野交疊區范圍大小仍設置為5 cm左右。

1.5 劑量參數的獲取

利用3D劑量體積直方圖的相關劑量學數據，評估三種計劃在靶區總PTV及各危及器官的劑量參數值。

1.6 觀察指標及計劃評估

根據體積劑量直方圖DVH比較3種照射計劃均勻性指數、適形度指數、靶區和相關正常組織體積劑量差異。頭部腫瘤靶區+全脊髓總計劃靶區的評價參數：①靶區平均劑量Dmean、最大劑量Dmax、最小劑量Dmin；②均勻性指數(HI)為最大劑量與處方劑量的比值，HI反應靶區內劑量的均勻性。計算公式為[5]：HI=D95%/D95%，其中、，分別表示5%、95%體積的腫瘤靶區所接受照射的最低劑量，其值越大表明PTV內部劑量分布越不均勻。③適形度指數(CI)用來評價靶區與參考等劑量曲面的適形程度，計算公式為[6]：CI=(Vt,ref/Vt) ×(Vt,ref/Vref)，Vt,ref為95%的處方劑量所覆蓋計劃靶體積，Vt為總計劃靶體積，Vref為95%的劑量所覆蓋的所有體積，CI值為0～1，值越接近1，適形度越好。危及器官評價參數：串行危及器官主要分析最大劑量Dmax，并行危及器官比較其平均劑量及受到特定劑量水平照射的體積VD。[VX表示接受XGy照射的體積占整個體積的比例(%)]。

1.7 統計學方法

2 結果

2.1 靶區內劑量分布、HI、CI的比較

三種治療計劃的靶區平均劑量Dmean、最大劑量Dmax、最小劑量Dmin、靶區的均勻性指數(HI)和適形度指數(CI)見表l。從表1中可見，在滿足95%等劑量曲線對PTV的劑量覆蓋的前提下，常規CRT計劃靶區的最大劑量、最小劑量及平均劑量都顯著高于CRT+IMRT與VMAT計劃。VMAT計劃的靶區的均勻性指數HI(1.04±0.02)和適形度指數CI(0.89±0.03)最優，而常規CRT計劃和CRT+IMRT兩者基本相當，差別無統計學意義。

表1 3種計劃總靶區的劑量參數、均勻性指數和適形度指數情況

2.2 危及器官受照劑量和體積比較

晶體、視神經、小腸等串行危及器官受照劑量對比：3種治療計劃的晶體、視神經、小腸等串行危及器官的最大劑量受量見表2。VMAT計劃組晶體受量略高于3DCRT和CRT+IMRT組，差異具有統計學意義(P<0.05)。計劃Ⅰ的小腸所受照射的最大劑量要顯著高于計劃Ⅱ和Ⅲ。其余照射處三者間差異無統計學意義。

表2 3種治療計劃串行危及器官受照劑量及劑量體積對比

甲狀腺、眼睛、肝臟、腮腺等并行危及器官受照平均劑量對比：3種治療計劃的甲狀腺、眼睛、肝臟、腮腺等并行危及器官的平均劑量受量見表3。計劃Ⅲ中甲狀腺平均劑量僅為(1939.47±778.34)，顯著低于計劃Ⅰ和計劃Ⅱ，腮腺的平均劑量計劃Ⅰ(2385.53±684.51)最大，肝臟的平均劑量計劃Ⅱ(644.01±94.72)最低，眼睛平均受量三者之間差別沒有統計學意義。

表3 3種治療計劃甲狀腺、眼睛、肝臟、腮腺受照劑量及劑量體積對比

腎臟受照劑量體積對比：3種治療計劃腎臟接受照射劑量和受照體積參數如表4所示。計劃Ⅲ的腎臟所受照射的平均劑量略高于計劃Ⅰ和Ⅱ，計劃Ⅰ的腎臟在低劑量處V10接受的受照體積顯著高于計劃Ⅱ和Ⅲ，差異具有統計學意義(P<0.05)。而在V20照射體積處三者間差異則沒有統計學意義。

表4 3種治療計劃腎臟受照劑量及劑量體積對比

肺受照劑量體積對比： 患者的3種治療計劃肺的劑量和受照體積參數見表5。計劃Ⅱ的肺受照平均劑量Dmean(521.96±141.92)較計劃Ⅰ和計劃Ⅲ略高；但肺接受的低劑量照射體積V10計Ⅱ(15.03±8.32)和Ⅲ(21.15±8.53)則明顯小于計劃I，而肺的最大劑量、最小劑量及高劑量照射體積V20、V30處三者之間差異均無統計學意義(P>0.05)。

表5 3種治療計劃肺受照劑量及劑量體積對比

心臟受照劑量體積對比：患者的3種治療計劃肺

的劑量和受照體積參數見表6。計劃Ⅲ的心臟受照最大劑量(2305.01±395.45)和平均劑量(1000.37±364.59)顯著低于計劃Ⅰ和計劃Ⅱ。計劃Ⅲ的心臟高劑量區域V20(1.39±2.51)接受的受照體積也大幅低于計劃Ⅰ和Ⅱ，差異具有統計學意義(Z值分別為：-2.402，-2.046，-2.491；P均<0.05)。而在心臟接受的最小劑量和低劑量照射區域V10處三者差異不明顯，沒有統計學意義(P>0.05)。

表6 3種治療計劃心臟受照劑量及劑量體積對比

3 討論

全腦全中樞的放療技術已從二維放療發展到三維適形放療技術、靜態調強放療技術，直到現在更為先進的容積旋轉調強技術和螺旋斷層放療技術。但放射治療的照射劑量不夠或者照射野范圍不足是造成其復發的主要原因[7]。怎樣設計照射野劑量計算點位置、各個照射野銜接方式及如何大幅減輕全腦全中樞放療遠期不良反應發生風險一直是研究的熱點難點問題。

莊小勇等對65例中樞神經系統腫瘤患者應用三維適形計劃進行全腦全中樞計劃設計，研究發現與傳統二維照射模式相比三維計劃可在一定程度上降低患者的劑量冷熱點[8]。楊海芳等采用全身定位體架配合頭頸肩模和體膜固定的IMRT技術設計全腦全脊髓放療計劃顯示可明顯改善射野銜接處的劑量分布[9]。徐韜等將全腦野與胸脊髓野以半束野與全束野進行銜接，避免了冷熱點問題[10]。楊波等對12例全腦全脊髓照射患者采用腰骶射野轉床90°+全腦野半野照射技術進行患者計劃設計[11]。張偉等應用3DCRT與3野、5野sIMRT計劃進行比較研究，結果顯示調強計劃腫瘤靶區劑量分布均勻性、危及器官保護等方面均好于3DCRT計劃[12]。褚俊峰等比較固定野調強放療與三維適形放療在全中樞神經系統放療中的劑量學差異發現IMRT 計劃明顯提高了靶區的劑量學指標，正常組織和危及器官的高劑量受照體積大大減少[13]。楊玉剛等研究發現3DCRT+IMRT射野銜接技術的計劃設計可以很好地應用于兒童CSI，并在正常組織的保護上有獨特的優點[14]。謝秋英等研究顯示采用調強射野疊加優化技術可明顯改善靶區劑量適形度和均勻性，并能有效減小擺位誤差對銜接區域劑量的影響[15]。向東華等對兒童顱內高分級室管膜瘤的術后患者進行全中樞神經系統放療研究發現可顯著提高患兒生存率[16]。YOM等通過手工設置多個“野中野”正向調強方式羽化銜接線法，有效地降低銜接區域脊髓的分次高量[17]。Lee等比較容積旋轉調強技術與傳統放射治療在全腦全中樞放射治療中的劑量一致性和計劃靶體積均勻性、危及器官劑量發現VMAT計劃具有顯著優勢，但同時也會相應增加患者低劑量照射區域范圍[18]。Fogliata等報道了多個治療中心運用VMAT旋轉調強技術治療全腦全中樞患者的情況，總結分析后發現VMAT計劃適形度更好，患者總治療時間更短，且對危及器官保護更理想[19]。

本研究將VMAT旋轉調強多中心照射技術與傳統3D-CRT、3D-CRT+靜態調強照射技術相比較，確定VMAT計劃的臨床劑量學優勢。研究結果表明：在滿足95%等劑量曲線對患者整個PTV靶區劑量覆蓋的前提下，三種治療計劃均能夠很好的滿足臨床治療計劃的需要。但常規CRT計劃靶區的最大劑量、最小劑量及平均劑量都顯著高于CRT+IMRT與VMAT計劃，常規三維適形計劃由于射野銜接困難，雖解決部分劑量冷熱點問題，但整體靶區劑量均勻性及適形度仍較差，尤其是眼球中間篩竇區劑量欠量嚴重。VMAT計劃的靶區均勻性指數和適形度指數顯著優于常規CRT計劃和CRT+IMRT計劃。對危及器官受照劑量保護上來說：VMAT計劃組晶體受量略高于3DCRT和CRT+IMRT組，但總體劑量完全滿足臨床需要，而這可能是由于旋轉照射射野角度相對較多造成一定散射、漏射導致。3DCRT計劃小腸所受照射最大劑量顯著高于計劃Ⅱ和Ⅲ。VMAT計劃甲狀腺平均劑量(1939.47±778.34)顯著低于計劃Ⅰ和計劃Ⅱ，因為是左右對穿照射，故CRT計劃對患者腮腺保護不夠理想。VMAT計劃腎臟所受照射平均劑量(619.36±181.40)略高于計劃Ⅰ(595.39±112.20)和Ⅱ(355.57±87.80)。計劃Ⅱ肺受照平均劑量Dmean(521.96±141.92)較計劃Ⅰ和計劃Ⅲ略高；但肺接受低劑量照射體積V10計劃Ⅱ(15.03±8.32)和Ⅲ(21.15±8.53)則明顯小于計劃Ⅰ。計劃Ⅲ心臟受照最大劑量(2305.01±395.45)、平均劑量(1000.37±364.59)及高劑量區域V20(1.39±2.51)都顯著低于計劃Ⅰ和計劃Ⅱ。

綜上，容積旋轉調強多中心全腦全脊髓放療技術

可完美解決靶區劑量冷熱點問題，大幅提高整個靶區內劑量分布均勻性和適形度，并可有效解決常規3D-CRT或者靜態IMRT計劃危及器官超量、劑量驗證通過率低、機器執行時間漫長等導致劑量不精確問題。但VMAT技術也相對更加復雜相關研究仍比較欠缺，同時如何更好降低周圍正常組織低劑量受照劑量和體積，避免由于低劑量照射引起的二次致癌，還需要臨床放療進一步研究[20]。