RapidArc与HybridArc技术在大体积脑转移瘤立体定向放射外科中的剂量学比较

2019-08-31张平邓官华戴鹏罗龙辉黄庆蔡林波王军

中国医学物理学杂志 2019年8期

张平，邓官华，戴鹏，罗龙辉，黄庆，蔡林波，王军

1.广东三九脑科医院肿瘤综合治疗中心，广东广州510510；2.南方医科大学南方医院神经外科，广东广州510515

前言

随着肿瘤患者生存期的延长以及影像诊断敏感性的提高，研究发现20%～40%的恶性肿瘤患者会出现脑转移[1-2]。近年来有研究发现立体定向放射外科（Stereotactic Radiosurgery,SRS）和立体定向放射治疗等在延长脑转移瘤患者生存期和改善预后等方面的优势更为显著[3-5]。基于加速器的SRS和基于伽马刀的高分割在脑转移瘤治疗中的疗效已得到证实[6-9]，基于加速器的SRS因多叶准直器的使用而更有效率，在临床中的应用也越来越具有优势[10]。SRS联合化疗或外科手术在大体积脑转移瘤的治疗上也取得了较好的疗效[11-12]。近年来，越来越广泛地采用旋转调强技术或弧形技术进行脑转移瘤治疗[13-15]。本研究对基于加速器治疗的两种计划设计方式进行分析，利用RapidArc和HybridArc技术分别设计大体积脑转移瘤SRS计划，分析两种方式对剂量学参数和机器跳数的影响，为临床治疗提供更有效率的技术参考。

1 资料与方法

1.1 病例资料

选取2017年12月至2018年5月在广东三九脑科医院接受治疗的10例大体积脑转移瘤患者，其中男6例，女4例，年龄32～63岁，中位数56岁，肿瘤体积17.8～97.3 cm3。

1.2 模拟定位

采用博医来无框架定位系统，取仰卧位，三层面膜固定患者头部。CT扫描定位采用20层大孔径螺旋 CT（SOMATOM Definition AS,SIMENSE）扫描，层厚1.5 mm。CT扫描图像经DICOM传输至放射治疗计划系统Brainlab iPlan RT image 4.1.1进行靶区勾画及危及器官勾画，然后再通过DICOM传输至瓦里安Eclipse 11.0治疗计划系统和博医来iPlan RT Dsoe4.5计划系统，分别进行RapidArc和HybridArc计划设计，加速器数据模型为瓦里安Unique直线加速器（配置120叶MLC）。

1.3 容积调强计划

对10例患者分别设计RapidArc和HybridArc计划：准直器角度为10°或350°，为避免叶片引起的凹凸论效应，采用3～4条弧，其中1～2条为共面弧，2条为非共面弧。两个计划中的机架起始角度和终止角度、准直器角度和治疗床角度均一致。RapidArc计划由动态弧组成，机架旋转过程中，形成子野的步长为2°。HbridArc计划由动态适形弧和固定野组成，其中每条弧与2个固定野组合，动态适形弧和固定野组合比例为70%：30%。处方剂量24 Gy/3F，要求95%达到处方剂量。危及器官包括脑干、视神经、视交叉、眼睛和晶体。

1.4 计划对比评价指标

基于剂量-体积直方图对RapidArc和HybridArc计划进行比较，观察各项指标在两个计划中的差别。根据ICRU 83号报告，利用PTV的剂量参数（包括近似最大剂量D2%、中位剂量D50%和近似最小剂量D98%）来评估靶区剂量分布；并引入适形度指数（Conform ity Index,CI）、剂量梯度跌落（Gradient Index,GI）和均匀性指数（Homogeneity Index,HI）来评估计划质量。CI、GI和HI的计算公式如下：

其中，TVPV为接受处方剂量的计划靶区体积（Planning Target Volume,PTV）；TV为靶区体积；PV为处方剂量的体积。CI的值越接近于1，剂量分布的适形度越好。

其中，V50%处方剂量50%的体积；V100%为处方剂量的体积。GI越接近于1，剂量跌落越陡。

其中,Dp为处方剂量（单位为Gy）。HI的值越接近于0，靶区剂量分布越均匀。

危及器官参数包括脑干、左右晶体、左右眼球和左右视神经的最大剂量。同时记录两个计划的机器跳数。

1.5 统计学分析

数据用均数±标准差表示。采用IBM SPSS 21.0软件进行统计学分析，采用Wilcoxon带符号秩检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区剂量分布及参数比较

靶区剂量分布及CI、GI和HI如表1所示，RapidRrc和HybridArc计划均能较好地满足95%等剂量曲线对计划靶区的覆盖。与RapidArc计划相比，HybridArc计划的PTV的D2%、D98%和D50%比较无统计学意义（P＞0.05），HI不受影响（P＞0.05），但CI和GI都有降低趋势，差异有统计学意义（P＜0.05）。图1为CI、GI和HI分布的箱线图。

表1 靶区剂量参数比较（n=10± s）Tab.1 Com parison of target dosimetric parameters(n=10,Mean±SD)

CI：适形度指数；GI：梯度跌落指数；HI：均匀性指数

images/BZ_29_217_909_383_984.pngimages/BZ_29_383_909_666_984.pngimages/BZ_29_961_909_1080_984.pngimages/BZ_29_666_909_961_984.pngP值D2%/cGy D98%/cGy D50%/cGy CI GI HI 2 503.38±50.75 2 383.16±24.85 2 464.11±38.50 0.85±0.11 3.30±0.48 4.96±2.88 2 555.09±31.64 2 390.77±8.95 2 468.68±13.68 0.94±0.12 3.57±0.55 6.85±1.48-1.680-0.980-0.280-2.521-2.240-1.400 0.093 0.327 0.779 0.012 0.025 0.161

2.2 危及器官受量比较

与RapidRrc计划相比，HybridArc计划中主要危及器官脑干、视神经和右眼的最大剂量均明显降低，差异具有统计学意义（P＜0.05）；视交叉、左眼和晶体最大剂量无明显变化，差异无统计学意义（P≥0.05），如表2所示。

2.3 正常脑组织受量体积比较

与RapidRrc技术相比，采用HybridArc技术，靶区周边正常脑组织2 Gy受照体积更小（P＜0.05），4、6、8和12 Gy受照体积差异不明显（P≥0.05），但16和20 Gy受照体积明显增大，差异具有统计学意义（P＜0.05），如表3所示。

2.4 总机器跳数比较

采用RapidRrc技术和HybridArc技术设计计划，单次总机器跳数分别为（2 643.63±538.65）和（1 735.00±245.28）MU。采用HybridArc技术设计的计划平均减少908 MU，差异有统计学意义（P=0.012）；采用HybridArc技术照射时间更短。两种计划的机器跳数的分布见图2。

图1 RapidRrc和HybridArc计划的适形指数、剂量跌落指数和均匀指数的箱线图Fig.1 Box p lots of CI,GI and HI of RapidRrc plan and HybridArc plan

3 讨论

基于加速器的动态适形弧技术已普遍应用于脑转移瘤的治疗[16]，近几年，基于加速器的旋转调强技术在脑转移瘤的应用也越来越广泛。关于不同技术在脑转移瘤放疗中的应用，国内外学者已进行了不同方面的研究。Mori等[17]发现在多发脑转移瘤中，Brainlab单中心智能计划相比传统多中心动态适形弧计划能在每个靶区获得更好的CI和GI，剂量跌落也较伽马刀计划更陡，而且治疗时间更短。Gevaert等[13]研究表明自动单中心或多中心动态适形弧计划较基于加速器的容积调强计划具有更好的GI和正常组织限量。Huss等[18]发现伽马刀在转移瘤体积小于15 cm3时，可获得较好的剂量分布，但对于较大的或不规则的转移瘤，分次容积调强计划可获得更好的靶区CI和较低的正常组织限量。Ohira等[19]研究表明对于1～4个脑转移瘤SRS，HyperArc容积调强计划相比传统容积调强计划可获得显著的高适形度和较快的剂量跌落。

表2 两组危及器官的最大剂量比较（n=10，cGy,±s）Tab.2 Com parison of the m axim um dose of organs-at-risk in two groups(n=10,cGy,M ean±SD)

危及器官脑干左视神经右视神经视交叉左眼右眼左侧晶体右侧晶体HybridArc计划227.35±116.21 57.91±33.45 54.53±33.95 132.40±56.72 40.13±23.72 58.95±51.02 23.35±6.17 35.24±22.14 RapidRrc计划381.61±163.43 78.88±43.71 118.11±124.41 215.70±107.18 63.34±49.07 97.25±70.64 43.20±31.94 47.96±33.16 t值-2.521-2.380-2.380-1.680-1.960-2.383-1.260-1.682 P值0.012 0.017 0.017 0.093 0.050 0.017 0.208 0.092

表3 两组计划正常组织受照体积比较（n=10,cm3,±s）Tab.3 Com parison of the irradiated volum es of normal tissues in two groups(n=10,cm3,Mean±SD)

受照体积V2 Gy V4 Gy V6 Gy V8 Gy V12 Gy V16 Gy V20 Gy HybridArc计划1 003.03±268.46 586.31±205.54 400.09±186.99 292.96±157.13 176.35±96.65 122.54±66.37 91.83±50.81 RapidRrc计划1 061.24±265.80 580.58±216.99 381.30±168.44 274.26±127.42 164.45±79.91 105.35±62.67 78.35±41.09 t值-2.521-5.60-1.96-1.82-1.823-2.521-2.383 P值0.012 0.575 0.050 0.069 0.068 0.012 0.017

图2 RapidRrc计划和HybridArc计划的机器跳数Fig.2 M achine units of RapidRrc plan and HybridArc p lan

近年来，单中心多弧非共面容积调强计划在多发脑转移瘤治疗中的应用越来越广泛[20-22]。对于较大体积脑转移瘤，为获得较好靶区剂量覆盖和剂量跌落以及更好地保护正常脑组织，在非共面HybridArc技术和非共面RapidRrc技术中如何选择是研究热点。本研究中仅比较了HybridArc技术中每条动态适形弧加两个固定野的计划方式（动态适形弧：固定野=70%：30%），未对其它混合方式及比例进行深入研究。改变HybridArc技术中固定野的数量和比例对计划的影响有待进一步研究。本研究中10例患者中有两例病灶分布于脑干旁边，计划设计基于对脑干的保护，靶区适形性和均匀性与其他计划相比较差，这也可能会影响结果。脑转移瘤位置的分布，尤其是与危及器官的关系是否对计划有影响，也需进一步研究。本研究采用P＜0.05具有明显统计学差异，因此左眼最大剂量和靶区周边正常脑组织6 Gy受照体积的P值等于0.05时，在本研究中不具有明显的统计学差异，未来工作中增加样本量可能会使结果具有统计学意义。不同的照射技术对正常脑组织受量有一定影响，与RapidRrc技术相比，采用HybridArc技术，靶区周边正常脑组织2 Gy受照体积更小，4、6、8和12 Gy受照体积差异不明显，但16和20 Gy受照体积明显增大。