肺部小肿瘤γ刀、静态IMRT及VMAT放疗剂量学比较

唐正中，胡宗涛，吴爱东，牛振洋

(1.解放军第105医院肿瘤三科，安徽 合肥　230022；2.安徽省立医院放疗科，安徽 合肥　230001)



肺部小肿瘤γ刀、静态IMRT及VMAT放疗剂量学比较

唐正中1，胡宗涛1，吴爱东2，牛振洋1

(1.解放军第105医院肿瘤三科，安徽 合肥230022；2.安徽省立医院放疗科，安徽 合肥230001)

摘要：目的比较体部γ刀、静态调强(sIMRT)与容积旋转调强(VMAT)的肺部小肿瘤中放疗计划的剂量学差异。方法选择16例肺部小肿瘤患者，分别设计γ刀、sIMRT(计划2)和VMAT计划，使得95%靶体积(PTV)达到处方剂量要求,比较三种计划的靶区剂量、危及器官剂量、均匀指数(HI)及适形指数(CI)的差异。结果16例患者三种计划的PTV剂量分布及剂量参数都能达到临床治疗要求，处方剂量覆盖95%的PTV，危及器官的剂量限值也能满足要求。γ刀计划的适形性(CI)及均匀性(HI)分别为(1.67±0.13)和(0.70±0.06)，在三种计划中表现为最差(P<0.05)；而sIMRT和VMAT计划的PTV靶区适形性和均匀性相似，差别不明显(t=0.96和1.37，P=0.36和0.19)。在三种计划中，γ刀计划的全肺V5、V10、V15、V20、V25、V30和脊髓Dmax最低，差异显著(P=0.00)，而食管Dmax虽然较低，但并无统计学意义。sIMRT和VMAT相比，肺V10、V30略低，且有统计学意义，而食管及脊髓最大受照剂量、肺V5、V15、V20、V25虽然差异不大(P>0.05)，但VMAT计划均高于sIMRT计划相应参数值。结论与sIMRT和VMAT相比，在肺部小肿瘤的放疗中，γ刀能明显提高靶区剂量且较好保护危及器官，但均匀性及适形性较差。

关键词:肺肿瘤/放射治疗；体部γ刀；静态调强放射治疗；容积旋转调强放疗；剂量学

Comparison of dose distribution in body gamma knife, static intensity

近年来，三维适形调强放射治疗已成为临床有手术禁忌肺部小肿瘤患者另一种治疗选择，虽然疗效较好，但由于肺的放射损伤难以控制，总剂量很难提高。文献报道立体定向体部放射治疗(stereotactic body radiation therapy，SBRT)对治疗肺部小肿瘤有较高的局部控制率[1]，并且正常组织受量较少,部分弥补了上述不足。伽马刀是利用γ射线立体聚焦和旋转照射实施SBRT，可进一步提高治疗增益比，提高治疗疗效。而容积弧形调强放疗(volumetric modulated arc radiotherapy，VMAT)作为一种新型的放射治疗技术，它是加速器在拉弧旋转照射时，其多叶准直器叶片位置随着机架的旋转和靶区形状的不同而改变，使照射束与受照靶体积始终保持一致，进而提高靶区剂量，降低周围正常组织剂量目的，目前也逐渐被用于肺部小肿瘤的精确放疗。为研究上述三种放疗技术的临床应用的差异，本研究通过比较16例肺部小肿瘤患者的剂量学参数，分析这三种放疗技术剂量学分布差异, 以期为临床工作提供剂量学依据。

1资料与方法

1.1一般资料选择2014年7月至2014年10月在解放军第一〇五医院进行γ刀照射的16例不宜或不愿手术切除肺部小肿瘤患者，其中鳞癌4例，腺癌6例，肺部转移癌6例，且无放疗禁忌证。男性11例，女性5例,年龄27～82岁，中位年龄56.5岁，平均年龄57.1岁，卡氏评分≥70分。病灶最大直径1.52～6.23 cm，中位数4.09 cm，平均值4.03 cm。计划靶体积6.8～135.4 cm3，中位数69.35 cm3，平均值76.75 cm3。

1.2体位固定和CT扫描所有患者都采用真空负压袋仰卧位固定，双臂上抬交叉置额顶，为减少由于皮肤移动造成定位及治疗摆位的误差，定位时负压袋不应过度包绕。患者保持平静呼吸,行螺旋CT扫描,范围从颈中线到膈肌下3 cm包括全肺组织，层厚3～5 mm，获得定位图像，核准Z线值及患者体表标记点的X、Y、Z坐标参数及重复摆位读数，以不易移动的骨性标志作为体表标记点,将定位扫描所获得的定位图像经网络传输到Luna Plan伽玛刀治疗计划系统(西安一体月亮神)，在计划系统中对患者体表、预选靶点、敏感组织等结构进行三维图像重建显示。靶区勾画完成后将CT图像拷贝至Pinnacle3 10.0治疗计划系统，设计sIMRT及VMAT计划。

1.3靶区和危及器官的勾画靶区勾画由同一位医师在三维重建后的CT图像的肺窗下上逐层勾画大体肿瘤体积(gross target volume,GTV)，鳞癌GTV外放6 mm得到临床靶体积(clinical target volume,CTV)，腺癌、无病理和转移瘤GTV外放8 mm得到CTV，CTV外扩5 mm得到计划靶体积(planning target volume,PTV)。若患者的肺功能较差或CTV较大，则适当手工修改CTV，根据患者的肺功能状况及呼吸幅度。适当加大患者上下PTV的外扩范围，最大至CTV外10～15 mm。OAR主要包括食管、脊髓等。

1.4治疗计划设计由同一名物理师在Luna Plan和Pinnacle310.0 治疗计划系统中分别为每位病例设计一个γ刀、sIMRT和VMAT计划。γ刀计划采用50%等剂量线(处方剂量)覆盖95%PTV，sIMRT及VMAT计划均用6MV-X线、95%PTV接受处方剂量照射，处方剂量为60 Gy。正常组织剂量限值：脊髓Dmax≤45 Gy，食管Dmax≤60 Gy，肺V20≤25%，肺V30≤20%。

1.5治疗计划评估利用剂量体积直方图(Dose Volume Histogram,DVH)对三种计划的靶区、危及器官受照剂量进行统计学分析：

(1)计划靶区剂量及体积参数：PTV最大剂量(PTVDmax)、最小剂量(PTVDmin)和平均剂量(PTVDmean)；5%和95%PTV体积所受的照射剂量(D5%,D95%)。

(2)计划靶区剂量均匀性指数HI[2]：

HI(homogeneity index，HI))值越低，则靶体积剂量均匀性越好,反之，值越高则均匀性越差。

(3)计划靶区剂量适形指数CI[3]：

其中，VT，ref表示参考等剂量线(本文为95%)覆盖的PTV体积；VT为PTV体积；Vref为参考等剂量线包围的所有体积，CI(comfomity index，CI)取值范围为0～1，CI值越大则适形度越好，反之亦然。

(4)主要危及器官受量：双肺受照5 Gy体积(V5)、V10、V15、V20、V25、V30，脊髓最大剂量(Dmax)，食管最大剂量(Dmax)。

2结果

2.1计划靶区剂量分布及剂量参数比较16例患者三种计划的PTV剂量分布及剂量参数都能达到临床治疗要求，处方剂量覆盖95%的PTV。与sIMRT及VMAT计划相比，γ刀计划PTV平均剂量和最大剂量远高于其它两种计划(P<0.05)，sIMRT计划PTV平均剂量和最大剂量也大于VMAT计划相应值，并且差异有统计学意义(t=2.29和3.36，P<0.05)；sIMRT、VMAT及γ刀计划最小PTV剂量比较差异也显著不同，γ刀计划靶区Dmin明显偏低，这在计划评估和临床实际应用中有一定意义。图1为一例患者γ刀、sIMRT及VMAT计划等剂量分布图。

图1　一例患者γ刀 、sIMRT及VMAT计划横

2.2计划靶区适形性及均匀性比较γ刀计划的适形性(CI)及均匀性(HI)分别为(1.67±0.13)和(0.70±0.06)，在三种计划中表现为最差，并且差异具有统计学意义(P<0.05)；而sIMRT和VMAT的PTV靶区适形性和均匀性相似(t=0.96和1.37，P=0.36和0.19)，差别不明显，见表1～3。

2.3危及器官剂量比较相对于sIMRT和VMAT，γ刀计划的全肺V5、V10、V15、V20、V25、V30和脊髓Dmax最低，差异显著(所有P=0.00)，显示了较大的优越性；而食管Dmax虽然较低，但并无统计学意义。sIMRT和VMAT相比，肺V10、V30略低，且有统计学意义，而食管及脊髓最大受照剂量、肺V5、V15、V20、V25虽然差异不大，但VMAT计划均高于sIMRT计划相应参数值，即低剂量照射区域较大，见表1～3。

参数sIMRTVMATtPV541.70±9.2743.31±10.07-1.410.18V1024.45±6.9626.62±7.49-2.440.03V1518.58±4.9819.07±4.65-0.990.34V2015.32±4.3115.58±3.93-0.760.46V2513.19±4.3713.53±3.98-1.150.27V3011.36±4.3011.89±3.93-2.290.04食管Dmax32.66±18.0634.86±18.23-1.380.19脊髓Dmax22.48±12.0925.45±11.83-1.830.09PTVDmin52.56±8.0553.29±8.29-1.750.10PTVDmax67.04±2.3166.21±1.833.360.00PTVDmean62.32±4.4161.89±4.752.290.04CI0.78±0.060.77±0.090.960.36HI1.09±0.031.08±0.031.370.19

注：Dmax、Dmin、Dmean单位为Gy ，HI、CI 无单位(下同)。

参数sIMRTγ刀tPV541.70±9.2725.00±6.07-17.970.00V1024.45±6.9619.50±6.02-14.050.00V1518.58±4.9815.75±6.39-14.980.00V2015.32±4.3113.10±6.01-14.260.00V2513.19±4.3710.94±5.2612.100.00V3011.36±4.309.25±4.7010.580.00食管Dmax32.65±8.1031.95±24.010.360.72脊髓Dmax22.47±12.0918.68±12.693.080.01PTVDmin52.56±8.0537.98±17.613.660.00PTVDmax67.04±2.32120.00±0.0091.390.00PTVDmean62.32±4.4285.20±6.0212.400.00CI0.78±0.060.70±0.063.880.00HI1.09±0.031.67±0.13-17.610.00

注：γ刀计划50%等剂量曲线覆盖95%PTV,处方剂量为60 Gy，PTVDmax为120 Gy。

参数VMATγ刀tPV543.31±10.0725.00±6.07-17.180.00V1026.62±7.4919.50±6.02-14.180.00V1519.70±4.6515.75±6.39-16.460.00V2015.58±3.9313.10±6.01-15.930.00V2513.53±3.9810.94±5.2613.620.00V3011.89±3.939.25±4.7012.120.00食管Dmax34.87±18.2331.95±24.011.190.25脊髓Dmax25.45±11.8318.68±12.694.770.00PTVDmin53.29±8.2937.98±17.623.910.00PTVDmax66.21±1.83120.00±0.00117.440.00PTVDmean61.89±4.7585.20±6.0212.120.00CI0.77±0.090.70±0.062.740.02HI1.08±0.031.67±0.13-18.380.00

3讨论

在所有恶性肿瘤中，肺癌的发病率与死亡率均居首位[4]，放射治疗作为肺部小肿瘤(本研究定义为病灶最大直径小于6.3 cm、可接受伽马刀治疗的病灶)局部治疗手段之一，可提高肿瘤局控率和控制远地转移。临床实践证明，提高靶区剂量可提高肿瘤局控率，进而提高生存率，因此放疗一方面要尽量提高肺部肿瘤靶区的受照剂量，但同时也应尽量保护肿瘤周围正常组织，最大限度地提高治疗增益比，使得靶体积内剂量达到足够的肿瘤致死剂量，同时保护周围正常组织和器官少受或者免受不必要的照射。尽可能根除肺部病灶可明显改善患者预后[5]。目前，临床中已广泛应用γ刀、调强放疗等技术治疗有手术禁忌的肺部小肿瘤，并取得较好的疗效。

由于肺的毒性反应发生概率与受照体积相关，而脊髓损伤决定于受照射的最大剂量。本研究显示，与静态调强(sIMRT)和容积弧形调强放疗(VMAT)相比，γ刀计划的PTV平均剂量和最大剂量远高于其它两种计划，全肺V5、V10、V15、V20、V25、V30和脊髓Dmax也最低，即对肺和脊髓等正常组织起到很好的保护，但γ刀计划的靶区剂量适形性、均匀性比都差于其它两种计划，且有统计学意义。申戈等[6]报道γ刀与调强放疗计划的CI值相似，γ刀计划的HI值大于调强放疗计划相应值，即均匀性较差；γ刀计划的肺V5、V10、V20、V30小于调强放疗计划，这与本研究结果相似。

γ刀与容积旋转调强放疗关于肺部小肿瘤放疗的剂量学比较文献报道较少，本研究结果表明γ刀与VMAT的计划结果同γ刀与sIMRT计划结果相似。Rao等[7]研究比较6例肺癌患者(病人数据共18个)VMAT和静态子野调强计划，两计划PTV覆盖率和危及器官保护方面非常相似，与VMAT相比, sIMRT计划的肺V20略低,但无统计学意义。Zhang等[8]将125例非小细胞肺癌患者随机分组并分别设计一个IMRT和VMAT放疗计划，VMAT计划的肺V5、V10要显著高于IMRT计划，而肺V20，V30要显著低于IMRT计划(均有统计学意义)，且认为肺功能较差的患者选择IMRT较好，肺功能正常患者推荐使用VMAT治疗。蒋军等[9]认为VMAT计划可以提高靶区的适形性，同时有降低危及器官剂量的潜力，但因为其旋转治疗的特点，正常组织接受低剂量照射的体积增加，是否增加放射性肺损伤的风险及发生不利的远期影响还有待临床进一步观察与研究。本研究结果显示，sIMRT和VMAT计划相比，sIMRT计划的肺V10、肺V30略低，且差异显著；而肺V5、V15、V20、V25虽然差异不大，但VMAT计划均高于sIMRT计划相应参数值，即低剂量照射区域较大，会对肺功能较差的患者产生比较严重影响。

在放射治疗过程中，患者可能出现全身、呼吸系统、消化系统及血液学毒副反应[10]。有研究报道显示，伽马刀治疗早期肺癌发生反射性肺炎在Ⅱ级以下，未出现严重的Ⅲ级和Ⅳ级放射性肺炎[11]。而有关常规分割sIMRT的研究显示，出现Ⅲ级放射性肺炎的概率约为7.9%[12]。这可能因为体部伽马刀的放大镜原理，伽马射线完全填充靶病灶，导致肿瘤组织高剂量照射，周围组织逐层减弱，周围正常组织受量较小，最大可能地保护了正常组织[13]，与sIMRT及VMAT计划相比，减少了患者的不良反应。

此外,在我们当前的医疗环境中，治疗成本也越来越受关注，选择不同治疗技术也应考虑其成本效益，γ刀比IMRT和VMAT相比，其治疗费用相对较为便宜。当然，不是所有SBRT案例都是最好的治疗方案，这要取决于肺癌不同位置、大小、运动和病期，有一些患者可能使用特定的治疗更为有效[14]。

总之，在满足靶区临床剂量学需求前提下，与sIMRT及VMAT相比，γ刀能明显提高在肺部小肿瘤靶区剂量且能较好保护周围重要器官，但靶区均匀性及适形性较差。

参考文献：

[1]Xia T,Li H,Sun Q,et al.Promising clinical outcome of stereotactic body radiation therapy for patients with inoperable stage I/II non-small-cell lung cancer[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2006,66(1):117-125.

[2]Weiss E,Siebers JV,Keall PJ.An analysis of 6-MV versus 18-MV photon energy plans for intensity-modulated radiation therapy (IMRT) of lung cancer[J].Radiother Oncol,2007,82(1):55-62．

[3]Feuvret L,No⊇l G,Mazeron JJ,et al.Conformity index: a review[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2006,64(2):333-342.

[4]张丹,杨光,张曙光.吉非替尼对肺鳞癌患者免疫功能的影响及其近期临床疗效[J].安徽医药,2015,19(7):1367-1369.

[5]Yuan ZY,Meng MB,Liu CL,et al.Stereotactic body radiation therapy using the CyberKnife(R)system for patients with liver metastases[J]．Onco Targets Ther，2014,12(7):915-923.

[6]申戈,张伟京,周振山,等.肺部小肿瘤γ刀照射与三维适形及调强放疗计划的剂量学比较[J].中华放射肿瘤学杂志,2011,20(1):60-63.

[7]Rao M,Yang W,Chen F,et al.Comparison of Elekta VMAT with helical tomotherapy and fixed field IMRT:plan quality,delivery efficiency and accuracy[J].Med Phys,2010,37(3):1350-1359.

[8]Zhang J,Yu XL,Zheng GF,et al.Intensity-modulated radiotherapy and volumetric-modulated arc therapy have distinct clinical advantages in non-small cell lung cancer treatment[J]. Med Oncol ,2015,32(4):94.

[9]蒋军,涂彧,张利文,等.容积弧形调强放疗与三维适形放疗计划在局部晚期非小细胞肺癌中的剂量学对比研究[J].中华临床医师杂志,2014,8(19):3566-3568.

[10] 李妍,刘虎,胡宗涛.体部伽马刀治疗结肠癌患者肝肺转移灶临床疗效观察[J].南京医科大学学报,2015,35(6):833-836.

[11] 王兴,陈绍水.体部伽马刀治疗早期周围型非小细胞肺癌的临床疗效观察[J].滨州医学院学报,2015,38(1):26-29.

[12] 刘兆华,兰胜民.同步加量调强放疗治疗局部晚期非小细胞肺癌的预后及不良反应分析[J].中国医刊,2014,49(11):31-33.

[13] Davis JN,Medbery C,Sharma S,et al.Stereotactic body radiotheraphy for early-stage non-small cell lung cancer: clinical outcomes from a national patient registry [J].J Radiat Oncol,2015,4(1):55-63.

[14] Cai J, Harish K，Alhotra M, et al. A 3D-conformal technique is better than IMRT or VMAT for lung SBRT[J]. Medical Physics，2014, 41(4): 601-604.

modulated radiotherapy and volumetric modulated arc radiotherapy

for small mass in lung

TANG Zheng-zhong1,HU Zong-tao1,WU Ai-dong2,et al

(1.105HospitalofPLA,Hefei,Anhui230022,China;

2.AnhuiProvincialHospital,Hefei,Anhui230001,China)

Abstract:Objective To explore dose distribution difference in body gamma knife,static intensity modulated radiotherapy and volumetric modulated arc radiotherapy for small mass in lung. Methods Sixteen patients with small mass in lung were enrolled in the study, gamma knife radiotherapy plan, sIMRT plan and VMAT plan made respectively for each mass. All plans were optimized to meet the requirement of 95% target volume (PTV) covered by prescribed dose. We compared multiple parameters such as dosimetric parameters of PTV, organ at risk(OAR), homogeneity index(HI) and comfomity index(CI) of three radiotherapy plans.ResultsSixteen cases with three plans of PTV dose distribution and dose parameters could meet the requirements of clinical treatment, and prescription dose to cover 95% of the PTV, OAR dose limit could also meet the requirements. The Homogeneity index (CI) and conformity index (HI) of Gamma knife plan were 1.67±0.13 and 0.70±0.06，respectively, which had the worst performance among three plans(P<0.05)；the homogeneity index(HI) and conformity index(CI) of PTV in sIMRT and VMAT plan were similar, without obvious difference (t=0.96 and 1.37，P=0.36 and 0.19, respectively). The whole lung V5, V10, V15, V20, V25，V30and spinal cord Dmax were the lowest in gamma knife plan withsignificant difference (P=0.00). Although the esophagus Dmax was lower, it had no statistical significance. Compared with VMAT, lung V10, V30 of sIMRT were slightly lower with statistical significance. All the parameters of VMAT plan were higher than those of sIMRT although the Dmax of esophagus and spinal cord, lung V5, V15, V20, V25were not significantly different (P>0.05). ConclusionsCompared with sIMRT and VMAT, gamma knife radiotherapy for the treatment of small mass in lung can obviously increase the target dose and better protect OAR, but is poor in homogeneity and conformity.

Key words:lung cancer/radiotherapy;body gamma knife;static intensity modulated radiotherapy;volumetric modulated arc radiotherapy;dosimetry

收稿日期：(2015-08-19，修回日期：2015-10-21)

doi:10.3969/j.issn.1009-6469.2016.01.020