3～6个脑转移灶海马保护立体定向放射外科计划的剂量学分析

刘晓男,戚文慧,程秀艳,刘晓,李兵,毛荣虎

(郑州大学附属肿瘤医院/河南省肿瘤医院 放疗科,河南 郑州 450008)

立体定向放射外科(stereotactic radiosurgery,SRS)是治疗脑转移瘤的一项重要手段。由于SRS具有尖锐的剂量梯度和高度适形剂量分布,普遍认为其对神经认知的影响很小。然而,越来越多的颅内靶区同时治疗增加了脑部其他正常部位的整体剂量[1]。脑转移的治疗效果与毒性之间的平衡很重要,影响着患者的神经认知功能。美国放射治疗肿瘤学组(radiation therapy oncology group,RTOG)研究显示:减少海马照射剂量能够改善患者记忆力和生活质量,且不会增加海马周围脑转移的概率[2]。当前海马保护的许多研究集中在全脑放疗(whole-brain radiation therapy,WBRT)。本研究评估了23例直线加速器SRS治疗3～6个脑转移灶患者,通过重新优化SRS治疗计划,旨在分析减少海马剂量的可行性及靶区剂量学的变化,探讨SRS治疗保护海马的可行性。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选取2020年10月至2023年2月医院收治的SRS患者的数据,选择所有患者接收单分次、单等中心,通过非共面容积旋转调强(volumetric modulated arc therapy,VMAT) SRS治疗3～6个脑转移瘤;排除多分次、1～2个或更多转移的病灶,共23例进行剂量分析研究。

1.2 定位CT和核磁共振图像融合

面罩固定患者头颈肩,并接受定位CT(philips brilliance CT Big Bore,荷兰)扫描,管电压为120 kV,管电流为350 mAs,CT连续扫描,层厚为1.25 mm。治疗前2周内进行与CT扫描一致体位的MRI(层厚1.25 mm),包括标准序列、T1和T2加权序列。将MRI影像资料导入至Eclipse治疗计划系统(版本15.0,varian美国),将CT模拟定位图像与MR图像融合,应用Eclipse治疗计划系统勾画靶区及危及器官。

1.3 靶区及海马的勾画

(1)由放射肿瘤医生在T1加权MRI上对病变靶区进行勾画,将肿瘤区均匀外扩2 mm产生计划靶区(planning target volume,PTV),给予16 Gy处方量。(2)根据RTOG 0933对海马勾画做出的详细规定和说明,在增强MRI的T1加权像中勾画海马区,同时勾画危及器官:全脑、晶体、视神经、视交叉、脑干。

1.4 计划设计

采用Eclipse治疗计划系统设计,为获取更好靶区外剂量跌落,放宽靶区最大剂量限制。处方剂量至少覆盖99%的PTV,脑干最大剂量<12 Gy,视神经和视交叉最大剂量<8 Gy,限制低剂量的大脑。海马剂量限制:RTOG 0933剂量限制(处方30 Gy/10 f时海马剂量限制条件D100%≤9 Gy,最大剂量≤16 Gy),接受的剂量转换为单分次生物有效剂量,使用α/β=2,为D100%≤4.21 Gy,最大剂量≤6.65 Gy。TrueBeam加速器,X线能量6 MV非均整,非共面计划,各向异性解析算法,计算网格为1 mm。设计两组计划。计划A:常规非共面VMAT计划,按照上述靶区剂量和常规危及器官(organ-at-risk,OAR)限量要求设计治疗计划,不特定考虑海马受量,5个非共面弧设计,根据靶区的解剖结构调整准直器角度,床角分别为0°、36°、72°、324°、288°,对应弧角度分别为179°～181°、181°～0°、0°～179°、179°～0°、0°～181°,见图1。计划B:重新优化的非共面VMAT计划,目的为保护海马,等中心位置、床角、机架旋转角度、处方剂量、权重等参数与计划A保持一致,额外增加海马剂量限制条件,但在重新优化时PTV覆盖率和正常组织剂量限制优先于海马保护。

图1 非共面VMAT计划射野轨迹

1.5 治疗计划靶区及OAR剂量体积参数评估

(1)通过DVH比较4组计划的靶区及OAR剂量分布,PTV的主要评价指标为:处方剂量99%靶区覆盖率(target coverage,TC)、适形度指数(conformity index,CI)、跌落指数(gradient index,GI)。其中CI为(VTref/VPTV)×(VTref/Vref),式中VTref为处方剂量覆盖的靶区体积,VPTV为靶区体积,Vref为处方剂量包绕的体积;GI为V50%ref/VPTV。危及器官受到特定剂量照射的体积:脑组织V4、V8、V12、V16、Dmean。海马:D100%、最大剂量。(2)比较两组计划的治疗机器跳数(machine unit,MU)。

1.6 统计学方法

2 结果

2.1 一般资料

23例患者中男10例,女13例,年龄44～83岁,中位年龄53.5岁。转移病灶数3～4个18例,5～6个5例,原发灶肺癌11例,乳腺8例,结肠癌3例,肾癌1例。

2.2 重新优化一般情况

23例患者中海马剂量低于限值11例,海马超过限值需要重新优化12例。经过重新优化处理后,海马达到剂量限值8例。图2展示经过重新优化后海马所受剂量下降,实现了海马保护。

左侧为优化前剂量分布,右侧为重新优化后剂量分布。

2.3 重新优化前后海马剂量学分析

重新优化后海马最大剂量低于优化前的海马最大剂量(P<0.05),海马组织最大剂量在重新优化后基本达到预期值。见表1。

表1 重新优化前后海马剂量变化

2.4 重新优化前后靶区及危及器官剂量学分析

重新优化前后靶区CI、GI、靶区覆盖度、MU数、危及器官脑组织相关剂量学指标分析结果见表2,未见明显变化,重新优化后保持了相似的靶区覆盖率和脑组织的受量。

3 讨论

近年来,放射肿瘤学家越来越关注以保护海马为目的的照射,研究表明,海马的辐射损伤会导致记忆和学习能力的下降,保护海马区的全脑放疗可以更好地保护患者的记忆功能和生活质量[3]。然而,目前关于海马辐射和神经认知之间关系的临床研究主要集中在全脑照射所产生的辐射效应上。在当前脑转移患者的SRS计划方案设计中,由于SRS剂量快速跌落的特点,海马照射剂量及其对记忆的影响可能未得到足够的关注。此外,Yamamoto等[1]证实,仅用SRS治疗5～10个脑转移灶患者的存活率并不逊于2～4个脑转移灶患者的存活率,这使得单等中心多靶区SRS成为治疗脑转移瘤的重要手段。然而,随着同时治疗颅内靶区数量的不断增加,多靶区患者正常脑组织的剂量也会大大增加,其对神经认知的影响不应被低估。基于此背景,本研究旨在设计保护海马的脑转移瘤SRS计划,并评估其可行性。

本研究在剂量方面的分析表明,治疗3～6个脑转移瘤的常规非共面SRS-VMAT计划有12例(52%)患者未能达到可接受的海马剂量限值。然而,当将海马作为危及器官并加入约束条件重新优化后,12例中有8例患者的计划达到了理想的海马剂量限制。此外,与常规计划相比,海马保护计划并未降低适形指数或增加治疗MU数,也未增加低剂量正常脑组织体积。这提示,对于接受SRS治疗的所有多发脑转移患者,都应考虑到海马保护。与类似文献的报告结果[4-5]相似,本研究表明,在治疗脑转移瘤的同时减少海马剂量,重新优化治疗计划是可行且有效的。大多数经过重新优化的治疗计划都实现了海马保留的SRS治疗方案,并且达到了足够的靶区CI和PTV覆盖率。在本研究中,重新优化的12例中有4例未达到理想的海马剂量限制,考虑这可能是由于脑转移灶体积较大、与海马距离较近以及常规加速器的剂量跌落限制所致,因此下一步将继续研究SRS计划靶区体积、与海马距离大小、采用剂量跌落更陡峭的射波刀计划等因素,来探讨与海马保护状态之间的关系,以更好地优化治疗计划。

在制订放疗计划时,有时会刻意避开海马区,但海马区及其5～10 mm外扩边界形成的计划危及器官中是否存在可能包含肿瘤病灶的风险,Gondi等[2]对371例患者的1 133个脑转移灶进行了分析,未发现病灶发生在海马区,仅有8.6%的患者的病灶位于海马外扩5 mm的计划危及器官内。其他研究[6-8]也得出了相似的结论。这些研究都表明,在制订放疗计划时避开海马并不会增加转移灶的发生风险。

本研究也存在一些不足之处。首先,在照射计划方面,本研究采用了单中心、多靶区、无框架定位、非共面、VMAT、直线加速器SRS保护海马的方案。选择单个中心是基于研究[9-10]评估比较单个和多个等中心计划方案,这些研究证实了相似的PTV剂量覆盖率,并且单一等中心技术显著缩短了整个治疗时间,对于难以长时间仰卧的患者更加有利。然而,单一等中心技术可能会增加复位误差的不确定性,对治疗计划的执行产生影响[11]。本研究中单次SRS的海马约束选择基于RTOG 0933中使用的剂量约束的等效生物剂量转换,目前尚不存在针对大剂量照射时海马保护的剂量限制标准。虽然将线性二次模型应用于单次大剂量的做法存在争议,且目前对海马的α/β值的设定存在分歧,本研究将其设定为2[4],但本研究的主要目的是评估保护海马SRS计划设计的可行性,而不是验证这些海马剂量限制是否合适。

4 小结

本研究采用临床研究中常用的靶区CI、GI、靶区覆盖度以及海马的D100%、最大剂量等指标对放疗计划进行评估,提示现代放疗新技术已经能在控制多个颅内病变和海马保护之间获得较为满意的平衡。因此,在不牺牲PTV覆盖的情况下,同时保护海马区免受过度照射,在颅脑SRS放疗中是完全可行的,为临床实践提供新的见解,也可以更好地保护患者的记忆功能,并可能带来更高的生存获益。