Auto Flash Margin功能在左乳腺癌术后放疗中的应用研究

2024-04-26华小龙徐文静张倜然葛迅邹辉朱磊包凯刘庆文

中国医疗设备 2024年4期

华小龙，徐文静，张倜然，葛迅，邹辉，朱磊，包凯，刘庆文

兴化市人民医院 a. 肿瘤科；b. 甲乳外科，江苏泰州 225700

引言

乳腺癌已成为我国最常见的女性恶性肿瘤之一，发病率不断上升且呈年轻化趋势，是近年来增长幅度最大的恶性肿瘤之一。放射治疗是乳腺癌治疗的重要组成部分，目前已被广泛应用于临床，保乳术后患者和部分根治术后患者均需进行放疗[1-3]。容积旋转调强放疗（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）是一种先进的放疗技术，特点是快速高效，可改善相对生物效应，被广泛应用于各类肿瘤治疗。VMAT 通过逆向优化算法可有效提高肿瘤控制率，最大限度地减少周围正常组织的损伤[4-7]。根治术后患者胸壁厚度薄，靶区呈弧形靠近皮肤表面。由于X射线的建成效应，因此临床治疗中大多选择在皮肤表面敷贴硅胶组织补偿物（Bolus）以提高皮肤表面的靶区剂量，降低肿瘤局部复发的风险[8-9]。然而，近年来多有研究发现，Bolus 提高了放射性皮炎毒副反应的发生率，且由于胸廓不平整，与皮肤之间不可避免地形成了空腔，从而造成了剂量的不确定性[10-12]，因此有必要探讨其他提高皮肤剂量的技术方法。本研究通过Monaco 放射治疗计划系统（Treatment Planning System，TPS）的Auto Flash Margin（AFM）功能在乳腺癌根治术后容积调强计划中的应用，分析使用AFM 后对乳腺癌放射治疗计划浅表组织的剂量影响，并以皮肤和靶区剂量学参数为依据，探讨最优的AFM 数值，为临床治疗提供决策参考。

1 资料和方法

1.1 临床资料

选取我院肿瘤科2021 年5 月至2022 年5 月确诊为乳腺癌，且行根治术及Ⅰ、Ⅱ级腋窝淋巴结清扫术后需行辅助放疗的女性患者16 例为研究对象，年龄27～69 岁，中位年龄53 岁。

患者采取仰卧位，用热塑模和仰卧位碳纤维板固定，选取合适头枕，双手上举交叉握住手柄，在CT 模拟定位机下扫描。CT 扫描参数为层厚5 mm，电压120 kV，电流350 mAs。扫描范围为颈部至第2 腰椎。获得CT 影像后通过专用网络上传至Elekta Monaco 5.11 计划系统。

1.2 靶区和危及器官的勾画

放疗科医师依据美国国立综合癌症网络（National Comprehensive Cancer Network，NCCN）（2021 中国版）乳腺癌指南进行靶区勾画，并由工作经验为10 年以上的放疗科主任医师进行勾画复核，包括临床靶区和计划靶区（Planning Target Volume，PTV）以及心脏、双侧肺、脊髓等，选取靶区附近体表轮廓下2 mm 作为皮肤结构进行研究。

1.3 计划设计与优化

计划采用瑞典医科达公司Monaco5.11 临床计划设计系统，实施治疗加速器采用瑞典医科达公司Infinity 临床直线加速器，光栅采用瑞典医科达Agility™（80 对叶片）。病例使用容积调强6 MV 光子能量，单次剂量为2 Gy，分25 次治疗，总剂量为50 Gy。危及器官及靶区参考国际放疗肿瘤学协作组（RTOG）1304 号报告进行剂量约束。应用2 个弧的射野设计，网格间距为3 mm，光栅钨门位置控制为5 mm，最大控制点数量为145，最小子野面积为5 mm，剂量沉积计算采用基于介质方式进行计划设计，对每例患者分别制作3 组VMAT 计划。由于常见Bolus 的厚度为0.5 cm 和1 cm，且通过观测取样，患者最大动度不超过2 cm，因此本文选取的AFM 数值分别为0.5、1、2 cm，以下记作AFM0.5、AFM1.0、AFM2.0，其余参数均相同。由于VMAT 计划的逆向求解并不唯一，为了尽量减少这种随机性带来的影响，本文在同一患者的3 套计划优化过程中选择了相同的优化方式，且为了参考比对分析，3 套计划均使用V95%（95%处方剂量等剂量曲线所覆盖PTV 的百分体积）的处方剂量。计划示意图如图1 所示。

图1 计划示意图

1.4 计划评估分析方法

比较5 种计划方案靶区PTV 的D95和D5、V95%、V107%、V110%、剂量均匀性指数（Heterogeneity Index，HI）和适形指数（Conformity Index，CI）[13]。3 种计划方案中分别比较肺组织的V5、V20、V30、平均剂量Dmean以及心脏Dmean、V20、V30。此外，评价皮肤结构Dmean。

1.5 统计学分析

采用SPSS 22.0 进行统计学分析，剂量资料以±s表示，采用Friedman 检验方法进行非参数方差统计分析，以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 剂量体积直方图结果

图2 为PTV 的剂量体积直方图，3 种计划（V95%=99.64%±0.13%）均有较好的PTV 剂量覆盖。由图可知，PTV 热点区域（拖尾长短）AFM2.0 计划最少，AFM1.0 和AFM0.5 组计划热点较多。

图2 PTV的剂量体积直方图

2.2 剂量学参数比较

3 种计划方案PTV 的D5、D95和HI 等分析结果如表1 所示。临床要求D95达到50 Gy，五者剂量均能满足95%的处方剂量要求。三者中，AFM0.5 和AFM1.0 计划的PTV Dmean较大，数值接近，分别为（5210.400±5.400）cGy 和（5219.600±4.200）cGy；A F M 2 . 0 计划的P T V 靶区Dmean最小，为（5175.650±4.200）cGy，且与另2组差异有统计学意义（P＜0.05）。如图3所示，在满足D95到50 Gy的情况下，AFM0.5和AFM1.0计划的靶区中，红色高量区域明显多于AFM2.0计划的高量部分，即所受照射剂量大。

表1 3种计划的靶区剂量覆盖比较

图3 AFM0.5、AFM1.0和AFM2.0计划剂量对比图

剂量热点区域V110%的表现中，AFM0.5 计划最大，为0.420%±0.020%，AFM1.0 计划为0.310%±0.040%，数值接近，而AFM2.0 计划最小，为0.050%±0.050%，与前两者差异有统计学意义（P＜0.05）。HI 的表现中，AFM0.5组和AFM1.0组计划的HI值分别为1.070±0.012和1.081±0.009，AFM2.0 组计划的HI 值为1.065±0.006，无明显差异。

2.3 其他危及器官组织受量对比

对肺组织V5、V10、V20、Dmean及心脏Dmean等进行分析对比，评估结果如表2 所示。危及器官中的心脏、健侧肺和脊髓方面，3 组计划均无明显差异；患侧肺的V20、Dmean差异有统计学意义（P＜0.05），而V5无明显差异；浅表皮肤结构方面也存在明显差异，AFM0.5 组的剂量最高，为（5245.9±36.1）cGy，其次是AFM1.0组，为（5225.1±40.5）cGy，AFM2.0 组剂量最低，为（5186.1±37.9）cGy。

表2 危及器官组织受量对比

2.4 AFM0.5、AFM1.0和AFM2.0组相同角度下的光栅构型差异

在同组AFM0.5、AFM1.0 和AFM2.0 计划中选取130°、150°及355°为观察角度，在射束方向观界面截取子野构成，见图4。在所取的3 个观察角度上，3 组计划光栅构型均在皮肤外形成了明显的空腔体积，且其随着AFM 数值的提高而变大。

图4 AFM0.5、AFM1.0和AFM2.0组光栅构型差异

2.5 AFM0.5、AFM1.0和AFM2.0组X线蒙特卡罗特征参数对比

通过Monaco TPS Optimization Console 控制台窗口读取X 线蒙特卡罗（X-ray Voxel Monte Carlo，XVMC）子野数量、剂量计算时间、机器跳数、光子利用率进行对比，见图5。其中在机器跳数和剂量计算时间的对比中，AFM0.5 组和AFM1.0 组表现接近，但均明显高于AFM2.0组；在光子利用率的对比中，AFM2.0 组明显优于AFM0.5组和AFM1.0 组；在子野数量的对比中，AFM0.5 组和AFM1.0 组略高于AFM2.0 组，但都趋近于290 个。

图5 AFM0.5、AFM1.0和AFM2.0组XVMC特征参数对比

3 讨论

乳腺癌根治术后辅助放疗采用VMAT 已经较为普遍，相较于传统的动态调强放疗和三维适形放疗，VMAT 可以明显减少高剂量照射，且靶区剂量分布更均匀[14-15]。对于乳腺癌根治术后放射治疗患者来说，胸壁区域是复发最常见的部位，局部复发也表示乳腺癌放疗失败。浅表区域足量照射可有效降低肿瘤原位复发概率。ICRU 62 报告建议将目标体积纳入接受放射治疗时至少接受95%处方剂量的区域[16]，然而由于MV 级X 射线的皮肤建成效应，不能将足够剂量递送到表面，皮肤剂量只有最大剂量的25%左右[11]。对于皮肤浅表区域组织，需要克服X 射线剂量建成效应，尽管放射治疗设备的不断现代化和Bolus 的应用改善了这一问题，但却引入了新的问题和使用上的不确定性，如皮肤受高量照射导致的副反应以及Bolus 与皮肤之间不能完全贴合而形成的空腔影响皮肤次级建成效应且减少了最大表面剂量，从而造成剂量分布的不确定性。因此，有必要探究其他提高浅表靶区剂量的技术方式。近年来，关于该方面的探索研究不多，Wang 等[17]研究使用胶片分析结果证实应用AFM 功能的计划在皮肤外空气空腔中存在大量游离电子，尽管空气空腔的游离电子不能达到剂量沉积的目的，但大量的游离电子有助于提高皮肤表面电子的二次散射剂量，因此AFM 功能的应用可以改善浅表组织剂量。本研究以剂量学结果为依据，分析探讨较优的AFM 数值，为临床提供参考。

本文采用VMAT 放疗技术设计了3 种方案。3 组计划PTV 的D95接近，且3 组计划PTV剂量均能达到95% 的处方剂量，可满足临床要求。AFM0.5 组Dmean为（5210.400±5.400）cGy，AFM1.0 组Dmean为（5219.600±4.200）cGy，AFM2.0组Dmean为（5175.600±4.200）cGy ；AFM0.5 组的V107%为10.090%±1.720%，AFM1.0 组的V107%为11.020%±0.150%，AFM2.0 组的V107%为2.570%±1.520%，差异有统计学意义（P＜0.05）；AFM0.5 组HI 为1.070±0.012，AFM1.0 组HI 为1.081±0.009，AFM2.0组HI 为1.065±0.006，差异无统计学意义（P＞0.05）。在靶区各项指标的比较中，AFM2.0 组对比AFM0.5 和AFM1.0 组有明显优势。由于乳腺癌浅表区域位于空气和皮肤组织的交界面，剂量沉积的主要方式是电子污染和电子的散射累积。尽管剂量沉积差异同射野大小、源皮距（Source Skin Distance，SSD）、源瘤距（Source Tumor Distance，STD）及组织密度密切相关[18-22]，但本研究已排除SSD、STD 及组织密度的影响，通过对多个相同角度下3 组计划射野构型的观察，得出射野大小差异很小，可忽略不计。

同样，对比3 组计划的患侧肺组织V20、Dmean和浅表皮肤组织Dmean以及心脏Dmean，患侧肺V20依次为（16.3±1.8）、（16.0±1.7）、（15.2±1.9）cGy；患侧肺Dmean依次为（1125.6±55.4）、（1115.3±47.9）、（1106.4±51.4）cGy；浅表皮肤组织Dmean依次为（5245.9±36.1）、（5225.1±40.5）、（5186.1±37.9）cGy，差异有统计学意义（P＜0.05），体表皮肤的受量降低也减少了皮肤溃烂等副损伤程度，特别是心脏受量对乳腺癌放疗后缺血性心脏风险控制有重要意义[23]；心脏Dmean依次为（748.1±118.6）、（787.8±104.2）、（753.5±114.8）cGy。研究分析发现，AFM2.0 组计划的各项危及器官指标数值均小幅优于AFM0.5 组和AFM1.0组，且浅表皮肤组织的高量较少，3 组计划均在皮肤与铅门之间建立了0.5～2 cm 的空气空腔区；而在常规的VMAT 计划中，由于受调强计划的电动多叶光栅静态编码器主导，以靶区为目标进行构型，从而使皮肤与铅门间只有很小的空气空腔区；尽管空气中的电子并不会产生剂量沉积，但因为处于开野照射中，空气空腔仍会充满电子；当电子从低密度空气到达相对高密度的人体组织表面并发生碰撞，从而进行散射时，3 组计划电子会和空腔内电子再次发生康普顿效应和电子对等效应，有部分电子能量会再次在乳腺浅表区域沉积，因此使用AFM功能计划组的乳腺浅表区域比常规VMAT 计划组会获得更高的剂量沉积。在相同的XVMC 优化函数及参数的计算条件下，由于AFM2.0 组比另外2 组乳腺浅表区域获得了更高的剂量沉积，因此浅表区域的剂量优化压力更小，需要更少的靶内剂量散射补偿；而AFM0.5 组和AFM1.0 组由于乳腺浅表区域的剂量沉积相对低，因此为满足靶区处方剂量覆盖体积目标，需要靶区内部形成相对更高的剂量，从而对乳腺浅表区域进行剂量散射补偿。

本研究也存在一定的局限性，如没有考虑其他更细的AFM 数值档位，不排除有其他更适合的AFM 数值；其次，Monaco 计划系统的AFM 函数功能较新、面世较晚，相关研究较少，更多使用细节还须进一步探索。文中研究的角度也只是纯粹从放疗计划本身而言，但在实际临床治疗中会受呼吸胸廓运动的影响。由于实际治疗中体表剂量尚未可知，因此后续研究可加入体表胶片剂量进行测量验证。