多发脑转移瘤容积旋转调强立体定向放射外科计划对比
2022-01-07陈知然王晓红李向斌马平平魏伟全红丁轶
陈知然，王晓红，李向斌，马平平，魏伟，全红，丁轶
1.武汉大学物理科学与技术学院，湖北武汉430072；2.华中科技大学同济医学院附属湖北省肿瘤医院放疗科，湖北武汉430070；3.南华大学核科学技术学院，湖南衡阳421001
前 言
容积旋转调强放疗（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）是一种可以在动态旋转弧中精准高效地传递剂量的新型手段［1］，通过同时改变机架的旋转速度、直线加速器的剂量率和多叶准直器的孔径形状，VMAT可以达到一个较好的适形剂量分布。相比于其他手段，在前列腺癌［2］、宫颈癌［3］和良性颅内肿瘤［4］等治疗中，VMAT 可以达到更好的适形度、更短的治疗时间以及较少的控制点和机器跳数。
尽管VMAT 技术在某些部位的肿瘤治疗上有着较好的前景，但在其他部位的肿瘤，仍然需要对VMAT 治疗方案进行更多的调研［2-4］。已有的VMAT报道仅针对单个或非共面弧进行了讨论，对此Jutzy等［3］和Slagowski 等［4］特别强调了未来评估非共面弧的作用以及实现不同肿瘤部位“理想”剂量分布所需的旋转弧数的必要性。根据调研，大约30%的癌症患者会发生脑转移［5-6］，且这些病变发生的概率正在上升，大多数患者表现为低转移性疾病，也就是颅内转移受限，通常定义为1～3 个病灶［7］。最近，两项随机临床试验评估了立体定向放射外科（Stereotactic Radiosurgery, SRS）和SRS+全脑放射治疗（Whole-Brain Radiotherapy, WBRT）在初治脑转移瘤中的作用［8-9］。Andrews 等［10］发表的数据表明，在接受SRS治疗作为初试治疗的一部分患者在6 个月后表现出更好的功能稳定性，随着SRS 的使用，患者1年的局部控制率从71%提高到了82%。许多临床医生已经利用这些研究成果来证明SRS 在1～3 个脑转移瘤患者的初始治疗中的应用［11］。然而，对于更多的脑转移瘤（例如20 个），目前还没有研究来表明VMATSRS计划是否可以满足临床需求，且不清楚设置不同VMAT 计划弧数或等中心点数是否会对计划执行有着明显的剂量影响。因此，本次研究的目的在于比较单中心和多中心、单个旋转弧和多个旋转弧以及不同靶区外扩体积对于5、10、15、20个脑转移瘤病例的剂量分布结果，通过比较12 和5 Gy 的剂量体积来选择合适的计划方案。
1 材料与方法
1.1 模拟患者
1 例由计算机断层扫描和核磁共振确定的20 个脑转移瘤患者，模拟病例分别选取其中5、10、15和20个病灶作为治疗靶区，并对每个模拟病例分别外扩0、1、2、3、4、5 和6 mm 当作计划肿瘤区（Planning Gross Target Volume,PGTV）。
1.2 VMAT治疗计划
对于每个模拟患者方案，使用Varian Eclipse13.6治疗计划系统制作VMAT计划，这些计划利用6 MVFFF 光子束、最大剂量率为1 400 MU/min，在配备有Varian 高分辨率120 多叶准直器（Multi-Leaf Collimator,MLC）的EDGE直线加速器上进行。所有的患者计划都是标准化的，所有PTV 的95%体积都覆盖处方剂量（24 Gy/3次）。
对模拟病例设计了3 种治疗计划：1 个等中心4个非共面弧（Single-Isocenter/Four non-Coplanar Arcs, SIFNA）计划、5 个等中心5 个共面弧（Five-Isocenter/Five Coplanar Arcs, FIFA）计划和5 个等中心5 个非共面弧（Five-Isocenter/Five non-Coplanar Arcs,FIFNA）。
SIFNA：包括一个标准的0°床角，机架角从181°开始顺时针旋转358°至179°停止；一个45°床角，机架角从181°顺时针旋转到30°；一个90°床角，机架角从181°顺时针旋转至0°；一个315°的床角，机架角从330°顺时针旋转至179°。在整个研究过程中，所有角度和比例都按照国际电工委员会IEC61217号报告的定义使用。Eclipse 自动等中心工具用于设置等中心。
FIFA：该计划的所有弧，床角都设置为0°以实现每个旋转弧的最大圆弧旋转。每个弧的等中心被设置在每个肿瘤区（Gross Tumor Volume,GTV）的几何中心。
FIFNA：该计划的床角设置包括一个0°的全弧、一个40°的半弧、一个80°的半弧、一个120°的半弧和一个160°的半弧。每个弧的等中心被随机设置在每个GTV的几何中心。
1.3 评价工具
使用累积剂量-体积直方图对VMAT计划进行定量评估，记录的数据被用来评估基于GTV 的治疗方案适形度。Paddick 适形度指数（Conformity Index,CI）［12］被用来评价每个方案。此外，每个计划还由一个整体Paddick 梯度指数（Gradient Index, GI）［13］评价。这些指标定义如下：
其中，PV表示处方剂量线所覆盖的总体积，TVPV表示处方剂量所覆盖的靶区体积，TV表示靶区的体积，CI值越接近1，表示靶区适形度越好。
其中，PV50%表示50%等剂量线所覆盖的体积，GI 值越小，表示剂量下降越快，梯度越大。
此外，脑部放射坏死指标（12 Gy 剂量体积,V12）和低剂量区（5 Gy 剂量体积,V5）也被用来评价计划的好坏。
2 结果
对于外扩2 mm 不同转移瘤数量的SIFNA 计划剂量学差异见表1。可以发现，在肿瘤体积小于7 cm3时，VMAT SIFNA 的CI 值随着肿瘤体积的增加而增加；当肿瘤体积大于7 cm3时，CI 值就呈现一种较稳定的趋势。而对于GI 的变化，可以明显地看出GI 值随着肿瘤体积的增加而呈现递减的趋势。
表1 不同转移瘤数量外扩2 mm的1个等中心4个非共面弧计划剂量学比较Tab.1 Dosimetric comparison of single-isocenter with 4 non-coplanar arcs plans for different number of metastases with an external expansion of 2 mm
对于同样外扩2 mm，全脑V12和V5随着不同转移瘤数量以及不同计划方案的变化如图1 所示。从图中可以看出，V12和V5在3 个计划方案中都随着脑转移瘤数量的增加而增加，并且3个计划均是SIFNA计划的V12和V5覆盖体积最小，其次为FIFNA 计划，最大的是FIFA 计划。单独观察V5，可以观察到当肿瘤数目为10～20时，3个计划的剂量覆盖率差异较大，当肿瘤数在0～5个时，3个计划的V5则大致相等。
图1 不同转移瘤数量外扩2 mm在不同计划下5、12 Gy体积覆盖率Fig.1 5 and 12 Gy dose coverages of different plans for different number of metastases with an external expansion of 2 mm
分别选取5 个随机选择的脑转移瘤和5 个距离较近的脑转移瘤，分别外扩0、1、2、3、4、5、6 mm，并对每个模拟病人设置SIFNA、FIFA 和FIFNA 3 种不同的计划，剂量学差异见表2和表3。
表2 5个随机脑转移瘤外扩不同直径的计划对比Tab.2 Comparison of treatment plans for 5 random brain metastases with different external expansions
表3 5个邻近脑转移瘤外扩不同直径的计划对比Tab.3 Comparison of treatment plans for 5 adjacent brain metastases with different external expansions
从表2 可以看出，对于随机选择的转移瘤靶区，随着靶区外扩程度加大，每个计划的V12和V5也随之增加，观察V12可以得出SIFNA 计划的12 Gy 覆盖体积 记录肿瘤外扩不同体积与不同计划所对应的12 Gy的覆盖体积，12 Gy 覆盖的体积与外扩肿瘤体积大体上呈现正相关的趋势。图2 为3 个计划的差异比较。当外扩肿瘤体积<10 cm3时，3 种计划的V12有着明显的差别，且SIFNA 计划 图2 不同外扩体积下3个计划12 Gy体积覆盖率差异比较Fig.2 Comparison of 12 Gy volume coverage among 3 different plans under different external expansions 本研究结果显示，对于SIFNA 计划来说，当肿瘤数控制在10 个以下，或者肿瘤体积小于7 cm3时，计划的适形度指数基本达到一个阈值，此后无论肿瘤数如何增加，CI 值基本都保持不变。与之相反，随着肿瘤体积的增加，此类计划的GI值则随之下降，这也意味着随着肿瘤体积的增加，该类计划的剂量跌落越来越好。因此，结合CI 值与GI 值，对于多发脑转移瘤，靶区的扩大并不会对SIFNA 计划造成过多的影响，且随着体积的增加，计划的剂量跌落反而会更好。 从图1 可以看出，随着脑转移瘤的数目增加，不论是SIFNA 计划还是FIFNA 计划或FIFA 计划，全脑V12和V5的体积覆盖率都随之升高，但是均以FIFNA计划的12 和5 Gy 剂量覆盖体积最低，这与Stanhope等［14］和Liu 等［15］的结论相一致。此外从图中还可以发现，对于12 Gy 的剂量体积覆盖率，SIFNA 计划与多等中心的计划一直保持着较大的差异值，但是5 Gy的剂量体积覆盖率则与其他两种计划较为相近。参考弗洛里达大学发表的研究结果［16］，SRS治疗中超低剂量对比正常人群并无恶性肿瘤增加的风险，因此我们可以认为3 种治疗计划在低剂量分布上并无显著优劣之分。所以只考虑脑部放射坏死指标（12 Gy）的情况下，SIFNA 计划对比FIFNA 计划和FIFA 计划表现出了更低的剂量分布，可以更好地保护放疗中非目标组织，减少了放疗并发症的出现。结合图2的结果，在肿瘤体积<10 cm3时，SIFNA与其他两种计划V12差异值最为显著，而当肿瘤体积>10 cm3后，三者计划的差异值则渐渐减小。因此基于笔者的研究，笔者更推荐针对小体积（<10 cm3）的靶区使用SIFNA计划。 本研究还选取了5 个位置相近的脑转移瘤与随机选择的转移瘤进行了比较，从表2 和表3 中可以看出，对于SIFNA 计划，无论靶区外扩多少，随机组和邻近组的12 Gy 体积覆盖率并没有较大的差别；对于FIFA 计划，当靶区外扩≤3 mm 时，随机组的12 Gy 体积覆盖率要小于邻近组，但差异值并不显著，当靶区外扩>3 mm 后，则会出现邻近组优于随机组的情况；对于FIFNA计划，邻近组的12 Gy剂量体积覆盖率基本都小于随机组。对于这些现象，笔者的解释是对于邻近组的靶区，由于各个病变区域的靠近，使得在外扩靶区时，PTV 整体的体积会小于随机选择的靶区外扩的体积，且随着外扩直径的增加，体积差异会越来越大。因此对于本就表现优异的SIFNA 计划，两者的差异值并不显著，而随着体积差异的增加，FIFA 计划就会出现体积小的邻近组12 Gy 剂量体积覆盖率好于随机组的现象。 总之，VMAT SIFNA 计划在面对多发性脑转移瘤（肿瘤数>3）的病例时仍然表现出更好的靶区适形度，且V12要好于多等中心共面与非共面弧计划。
3 讨论
