食管癌容积弧形调强放射治疗计划剂量学研究

林斌伟，刘芳，谭榜宪

(川北医学院附属医院肿瘤科，四川 南充 637000)



食管癌容积弧形调强放射治疗计划剂量学研究

林斌伟，刘芳，谭榜宪

(川北医学院附属医院肿瘤科，四川 南充 637000)

食管癌是目前国内常见的恶性肿瘤之一。放射治疗是食管癌主要、有效、安全的治疗方法之一。尤其是对于颈段、胸上段以及局部晚期的食管癌，放疗成为其首选的治疗方式。容积旋转调强(volumetric modulated arc therapy，VMAT)作为一种先进的放疗技术，已经被用于治疗食管癌数年。但目前国内外关于食管癌VMAT计划的剂量学方面的研究，还存在着许多争议。本文从VMAT基本原理及食管癌VMAT放疗计划的研究现状和进展这两个方面做一综述。

食管肿瘤；放疗；静态调强放疗；容积调强弧形治疗；剂量学

食管癌是目前最常见的恶性肿瘤之一，据我国最新的流行病学调查报告，其发病率及死亡率居我国癌症的第3位[1]。食管癌的三大治疗方式包括手术、放疗、化疗[2]。放射治疗相比于其他治疗方式，对于局部晚期和颈段及上胸段食管癌有着明显的优势。食管癌的放疗技术包括传统的二维放射治疗、三维适形放射治疗(three-dimensional conformal radiotherapy，3DCRT)、调强放射治疗(intensity modulated radiotherapy，IMRT)。IMRT技术受CT成像逆原理的启发，即当CT的X线球管发出均质的X线通过人体后，由于组织厚度和密度的不同，其强度分布也会有差异。因此我们可以先确定靶区及正常组织的剂量分布，再推算出各个射野需要贡献的束流强度。IMRT包括静态调强和动态调强，静态调强的代表为固定野静态调强放射治疗(static intensity modulated radiotherapy， sIMRT)，其特点是通过逆向调强计划系统根据靶区和正常组织器官的剂量要求，将各个射野的强度分布进行分级，利用多叶准直器(multi leaf collimator，MLC)将每个射野分成若干个固定的子野，而且每个子野的束流强度是均匀的，由此产生期望的剂量分布。而动态调强的特点是调强计划系统根据剂量学要求，利用MLC叶片的相对运动，并形成的不同形状的子野扫过靶区，而且在这个过程中，加速器以动态变化的剂量率出束，从而得到满足临床要求的剂量分布。动态调强的典型代表包括容积弧形旋转调强放射治疗(volumetric modulated arc therapy ，VMAT)、螺旋断层放射治疗(tomo threapy，TOMO)等。

近年来， sIMRT和VMAT的放射治疗计划对比成为了国内外研究的热点。但目前关于食管癌VMAT计划的剂量学方面的研究，还存在着许多争议。本文从VMAT基本原理及食管癌VMAT放疗计划的研究现状和进展这两个方面做一综述。

1 VMAT产生的背景和基本原理

sIMRT在放疗领域已经被广泛运用，sIMRT能够大大提高靶区的剂量分布并有效地避开周围正常组织，从而在提高肿瘤控制率的同时，最大限度地保护了周围正常组织。但由此付出的代价是治疗时间的延长和治疗总机器跳数(monitor units，MU)的增加。治疗时间的延长不但增加了患者在治疗过程中的不适感，而且增加了治疗过程中的移动误差；而MU的增加，可以导致正常组织的辐射剂量相应的增加，将有可能增加辐射引起的第二原发肿瘤的发生率。VMAT作为一种新的调强放射治疗技术，其概念最早在1995年由Yu[3]提出，这项新技术产生的背景是：(1)在保证有效避开肿瘤周围正常组织的前提下，进一步提高肿瘤靶区的剂量；(2)缩短传统调强放疗治疗时间，以及降低加速器治疗的MU，从而提高放射治疗效率。

相比sIMRT，VMAT具有自身的特点，即在机架旋转的同时，加速器射束是开启的，而且，在治疗的过程中，机架的运动速度、MLC的形状以及射束的剂量率在不停的变化。

有文献报道[4]医科达Axesse放射治疗系统运用在VMAT中的原理如下：加速器治疗参数通过步进方式传递给治疗控制系统(treatment control system,TCS)，并通过TCS控制MLC的运动。TCS以步进的形式控制加速器的出束，每步0.1 MU，每个子野可以有多个步进。TCS会检测每个新生成形状的叶片位置，叶片位置通过叶片上的红宝石反光点确定，该值可同计划系统传输计算的值相比较，超出可接受范围即停止出束，从而保证了治疗的安全性。

2 食管癌VMAT放疗计划的研究现状和进展

食管癌VMAT放疗计划评估的指标主要有靶区相关参数和危及器官受量、治疗时间、MU。

2.1 靶区参数指标

根据ICRU 83报告的内容，靶区的评价工具为剂量-体积直方图(DVH)。靶区参数指标包括近似最大剂量D2%、近似最小剂量D98%、平均剂量Dmean、均匀指数(homogeneity index，HI)，适形指数(conformal index，CI)。HI定义为治疗靶区内吸收剂量的均匀性，计算公式为：HI=( D2%～D98%)/Dmean。HI值越接近0，说明靶区吸收剂量的分布越好。CI定义为治疗体积与PTV的比值。治疗体积是指接受处方剂量的组织体积，CI值越接近1，说明该计划的适形度越高。

关于食管癌VMAT放疗计划靶区剂量分布是否优于sIMRT放疗计划，目前国内外还存在许多争议。

部分学者认为，相比于sIMRT，VMAT并不能有效改善靶区的CI和HI。Kataria等[5]对10例胸中段食管癌患者进行了VMAT计划和sIMRT计划的对比研究。10例患者的大体肿瘤体积范围为：10.40～100.25 cm3，平均值为45.41 cm3，计划靶体积范围294.6～993.5 cm3,平均值为517.2 cm3。所采用的处方剂量为45 Gy/25F，分割方式为常规分割。结果显示，sIMRT和VMAT计划靶体积的HI和CI均无统计学意义(P>0.05)。VMAT计划的Dmean和D95%均高于sIMRT,但无统计学意义(P>0.05)。

而另一部分学者的研究结果显示，VMAT计划在靶区CI、 HI上优于sIMRT计划。Yin等[6]比较了20例食管癌患者VMAT计划和sIMRT计划靶区剂量分布的差异。处方剂量要求PTV要达到60 Gy/30F,同样采用常规分割，该篇文章并没有给出靶区体积参数。结果认为VMAT计划的CI优于sIMRT计划，VMAT的Dmean高于sIMRT计划，差异有统计学意义(P<0.05)。而两种放疗技术的HI相似。

陈婷婷等[7]也进行了食管癌VMAT放疗计划和sIMRT放疗计划的计量学对比研究，共纳入10例上段食管癌患者，处方剂量要求PTV达到50.4 Gy/28F，GTV达到60 Gy/28F。结果显示，VMAT计划在靶区CI、 HI均优于sIMRT，并且VMAT计划能提高靶区的D2%，差异有统计学意义(P<0.05)。

许多参数可以影响食管癌VMAT放疗计划的质量，如弧的个数、MLC叶片运动速度、控制点间隔大小等。Yang等[8]研究了MLC叶片移动速度对VMAT放疗计划的影响，结果显示，随着速度的增大，HI增大，并且CI降低。Nithya等[9]在关于控制点间隔大小对VMAT放疗计划质量影响的研究结果中显示，控制点间隔越小，计划质量越优。Zhang等[10]对11例胸上段食管癌患者进行了放疗计划质量研究，分别对每例患者设置单弧、双弧、三弧VMAT放疗计划和5野sIMRT放疗计划，得到的结果为：(1)单弧VMAT计划的CI优于sIMRT计划，差异无统计学意义；(2)双弧和三弧VMAT计划的CI优于sIMRT计划，差异有统计学意义；(3)单弧VMAT计划的HI较sIMRT计划差，差异有统计学意义；(4)双弧和三弧VMAT计划的HI和sIMRT计划相似。

因此，如何选择合适的VMAT参数配置，从而进一步提高VMAT靶区剂量分布，需要在今后的研究中进行探讨。

2.2 危及器官评价

食管癌放疗计划中，需要评价的危及器官包括肺、心脏、脊髓。

2.2.1 肺 放射性肺损伤是食管癌放疗常见并发症，多发生在放疗后2～6个月。肺的组织学特点为并联器官，即损伤的数量在不超过其储备能力的前提下，放疗相关的并发症将不会出现。ICRU 83报告中指出肺作为正常组织，需要评价的指标包括平均剂量、接受大于等于某一特定剂量的肺体积VD。许多研究证实当肺平均剂量、VD大于某特定值时，放疗相关性肺损伤的发生率将显著上升。Wang等[11]和Song等[12]认为放射性肺损伤与V5相关，而且Wang等的研究发现，V5是放射性肺炎发生的独立影响因子。Shi等[13]研究结果显示，V10是3级及其以上急性放射性肺炎发生的危险因素，作者进一步分层分析显示，急性放射性肺炎的发生率在V10≤50%组和V10>50%组中差异有明显统计学意义。Graham等[14]发现双肺V20不仅是放射性肺炎发生的危险因素，还与其严重程度明显相关。而Bongers等[15]的研究结果表明肺平均剂量和V30能预测放射性肺炎的发生。

目前关于食管癌VMAT放疗计划肺受量指标的研究中认为，相比于sIMRT，VMAT可以降低肺高剂量区体积，但同时增加了肺低剂量区体积。

Ma等[16]选择了10例上段食管癌患者,分别制定sIMRT计划和VMAT计划。研究结果显示，与sIMRT技术相比，VMAT技术可以有效减低肺V20、V30，但增加了V5，差异有统计学意义(P<0.05)，在V10方面，二者无统计学意义(P>0.05)。Lin 等[17]对不同部位的食管癌的sIMRT的计划和VMAT计划进行了分层比较，得到的结果为，VMAT增加了颈段及胸上、中、下段食管癌的肺V5、肺平均剂量，同时降低了胸中段组的V20。Fakhrian等[18]纳入了15例局部晚期的食管癌患者，每例患者分别制定三维适形计划、sIMRT计划、VMAT计划、TOMO计划4个计划。结果显示，与sIMRT相比，VMAT增加了肺V5、降低了肺V20。

分析原因为，传统调强放疗以固定野的方式进行放疗，常常预先设定5野或7野调强，肺被射束照射的的体积较小；而VMAT采用旋转布野形式，将肺组织受量分配到更大的体积中。因此，VMAT放疗计划同sIMRT放疗计划相比低剂量体积较高。

在Zhao等[19]的回顾性研究中，共纳入68例食管癌根治术后行辅助放疗的患者，其中22例患者采用VMAT放射治疗技术，48例采用sIMRT放射治疗技术。计量学参数统计分析显示，与sIMRT相比，VMAT增加了肺的平均剂量、V5，降低了肺的V30，三者的差异有统计学意义(P<0.05)。随访数据显示，急性放射性肺炎的发生率在VMAT组(72.73%)明显高于sIMRT组(36.96%)，差异有统计学意义(P<0.05)；重症放射性肺炎的发生率在两组患者中无统计学意义(P>0.05)。

目前，尚无文献报道肺V5、V10、V20、V30在放射性肺损伤的发生各自所占的权重。虽然Zhao等[19]的研究结果支持VMAT增加了急性放射性肺炎的发生率，但是尚需要质量更高的前瞻性研究进一步论证其结论的正确性。因此与sIMRT相比于，VMAT是否可以降低放射性肺损伤的发生率还有待进一步研究。

2.2.2 心脏 放射性心脏损伤是指胸部肿瘤放疗时由于部分或全部心脏受照后导致的心包炎、心肌纤维化、冠状动脉病变、心脏传导系统损伤等一系列心脏并发症。其中，最常见的心脏损伤是急性放射性心包炎，从而出现心包积液。发生的时间一般在放疗结束后数周[20]。急性放射性心包炎通常为自限性疾病，但是约有10%～20%的患者在治疗结束后5～10年发展为慢性心包炎或者缩窄性心包炎[21]。

许多学者研究结果表明，心脏V30与心包积液的发生显著相关。Wei等[22]纳入了101例接受根治性放化疗的食管癌患者，对放疗后心包积液的影响因素进行分析。结果显示，在101例患者中，心包积液的发生率为27.7%；心包积液发病的中位时间为放疗结束后5.3个月；多因素分析显示，V30与心包积液的发生显著相关。龙书敬等[23]报道了剂量体积参数对放射性心包积液的影响，共纳入49例胸部肿瘤患者。随访数据显示，共有14例患者发生心包积液，其中12例为少量心包积液，2例为中量心包积液。在心包积液组，心脏V30、V35高于无心包积液组，差异有统计学意义；多因素分析显示，心脏V30是放射性心包积液发生的影响因素。

张瑞等[24]对比了7例胸上段局部晚期食管癌患者的sIMRT和单弧VMAT计划，入组病例的PTV的体积范围为304.5～607.7 cm3，平均值为469.0 cm3，处方剂量为60 Gy/ 30F。结果显示，同sIMRT相比，VMAT可以降低心脏的V30，但差异无统计学意义(P=0.596)。

而在Yin等[6]的研究中，统计结果显示，VMAT同sIMRT相比，可以有效降低心脏的V30，进一步分层分析，在胸上段、胸中段、胸下段食管癌组中，心脏的V30分别降低33.5%，10.7%以及 21.6%，差异均有统计学意义(P<0.05)。

与sIMRT相比，VMAT在保护心脏方面具有潜在优势，因此对于年龄较大、有心脏疾病及心功能差的患者，VMAT可得到更多的获益。

2.2.3 脊髓 放射性脊髓损伤在放射治疗并发症中较为少见，但却十分严重。其发生率约0.8%～3.15%[25]。为脊髓的组织学特点是串联器官，与放射性脊髓损伤相关性最强的指标是最大剂量，ICRU 83报告推荐的评价指标为近似最大剂量D2%。有学者[26]研究显示采用常规分割，脊髓照射最大剂量达 45～50 Gy时，放射性脊髓炎发生的危险小于5%。

VMAT在保护脊髓方面，与sIMRT相比有着相似甚至更好的作用，二者均能够满足临床剂量学要求，即最大剂量小于45 Gy。Abbas等[27]选择了10例胸段食管癌患者，得到的结果是，VMAT与sIMRT相比，可以降低脊髓的最大剂量，但无统计学意义(P>0.05).

刘丽虹等[28]共入组30例食管癌患者，结果认为，VMAT与sIMRT相比，能够有效降低脊髓的最大剂量(P<0.05)。在以上研究结果的基础上，作者进一步将肿瘤部位作为分层分析的的依据，结果显示，VMAT在胸上段组，脊髓最大剂量降低的最多。

2.3 治疗时间、MU

VMAT的最大优势在于缩短治疗时间和减低MU。治疗时间的缩短，一方面，很大程度上减轻了病人治疗过程中的不适感，从而极大程度增加了患者对放疗的依从性；另一方面，减少了治疗过程中患者的体位移动、器官运动，从而增加了放射治疗的精确度。而且，治疗时间的缩短使得单位时间内，可治疗的患者数量增加，提高了放疗设备的资源利用率。而MU的降低，将有可能降低辐射导致的第二源发肿瘤的发生率[29]。Van等[30]对比了下段食管癌的VMAT和sIMRT计划，结果显示，VMAT可以降低患者的治疗时间，并且，在MU方面，VMAT比sIMRT降低45%。

综上所述，关于VMAT与sIMRT放疗计划对比的研究，目前尚存在许多争议，主要表现在靶区参数方面。许多参数可以影响VMAT放疗计划的靶区计量分布，如弧的个数、MLC叶片运动速度、控制点间隔大小等，如何选择合适的VMAT参数配置，值得我们进一步研究。相比于sIMRT，VMAT可以降低肺高剂量区体积，同时也增加了肺低剂量区体积，但VMAT是否可以进一步降低放射性肺损伤的发生率尚需进一步研究。VMAT的潜在优势体现在对心脏和脊髓的保护方面，而VMAT的最大优势在于极大地缩短了治疗时间以及大大地降低了MU，既进一步提高了放射治疗的精度、提高患者治疗过程中的体位舒适度，又提高了设备在单位时间内的利用率，并有可能降低因放疗诱发第二原发肿瘤的发生率。

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(学术编辑：杜小波)

The progress of planning studies in esophageal cancer treat with VMAT

LIN Bin-wei，LIU Fang，TAN Bang-xian

(DepartmentofOncology,AffiliatedHospitalofNorthSichuanMedicalCollege,Nanchong637000,Sichuan,China)

Esophageal cancer is one of the most common malignancies in China.Radiotherapy is a main，effective and safe treatment of esophageal cancer.Radiotherapy has become the preferred treatment for cervical,upper thoracic and locally advanced esophageal carcinoma.Volumetric modulated arc therapy (VMAT) has been used to treat esophageal cancer for several years as a novel radiation technique.However,there still exist a lot of arguments on VMAT’s Radiation Biological Dosimetry about esophageal cancer at home and abroad.The main point of this review is to discuss the principle of VMAT and VMAT’s present research situation and prospect on esophageal cancer.

Esophageal cancer；Radiotherapy；Static intensity modulate radiotherapy；Volumetric modulated arc therapy；Dosimetry

10.3969/j.issn.1005-3697.2016.06.047

川北医学院科研发展计划项目(CBY14-ZD07)

2016-03-10

林斌伟(1990-)，男，硕士研究生。E-mail：lin_binwei@foxmail.com

谭榜宪，E-mail：tbx_nsmc@126.com

时间：2017-1-3 22∶01

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1254.R.20170103.2201.094.html

1005-3697(2016)06-0943-05

R735.1

A