多發腦轉移瘤容積旋轉調強立體定向放射外科計劃對比

陳知然，王曉紅，李向斌，馬平平，魏偉，全紅，丁軼

1.武漢大學物理科學與技術學院，湖北武漢430072；2.華中科技大學同濟醫學院附屬湖北省腫瘤醫院放療科，湖北武漢430070；3.南華大學核科學技術學院，湖南衡陽421001

前 言

容積旋轉調強放療（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）是一種可以在動態旋轉弧中精準高效地傳遞劑量的新型手段［1］，通過同時改變機架的旋轉速度、直線加速器的劑量率和多葉準直器的孔徑形狀，VMAT可以達到一個較好的適形劑量分布。相比于其他手段，在前列腺癌［2］、宮頸癌［3］和良性顱內腫瘤［4］等治療中，VMAT 可以達到更好的適形度、更短的治療時間以及較少的控制點和機器跳數。

盡管VMAT 技術在某些部位的腫瘤治療上有著較好的前景，但在其他部位的腫瘤，仍然需要對VMAT 治療方案進行更多的調研［2-4］。已有的VMAT報道僅針對單個或非共面弧進行了討論，對此Jutzy等［3］和Slagowski 等［4］特別強調了未來評估非共面弧的作用以及實現不同腫瘤部位“理想”劑量分布所需的旋轉弧數的必要性。根據調研，大約30%的癌癥患者會發生腦轉移［5-6］，且這些病變發生的概率正在上升，大多數患者表現為低轉移性疾病，也就是顱內轉移受限，通常定義為1～3 個病灶［7］。最近，兩項隨機臨床試驗評估了立體定向放射外科（Stereotactic Radiosurgery, SRS）和SRS+全腦放射治療（Whole-Brain Radiotherapy, WBRT）在初治腦轉移瘤中的作用［8-9］。Andrews 等［10］發表的數據表明，在接受SRS治療作為初試治療的一部分患者在6 個月后表現出更好的功能穩定性，隨著SRS 的使用，患者1年的局部控制率從71%提高到了82%。許多臨床醫生已經利用這些研究成果來證明SRS 在1～3 個腦轉移瘤患者的初始治療中的應用［11］。然而，對于更多的腦轉移瘤（例如20 個），目前還沒有研究來表明VMATSRS計劃是否可以滿足臨床需求，且不清楚設置不同VMAT 計劃弧數或等中心點數是否會對計劃執行有著明顯的劑量影響。因此，本次研究的目的在于比較單中心和多中心、單個旋轉弧和多個旋轉弧以及不同靶區外擴體積對于5、10、15、20個腦轉移瘤病例的劑量分布結果，通過比較12 和5 Gy 的劑量體積來選擇合適的計劃方案。

1 材料與方法

1.1 模擬患者

1 例由計算機斷層掃描和核磁共振確定的20 個腦轉移瘤患者，模擬病例分別選取其中5、10、15和20個病灶作為治療靶區，并對每個模擬病例分別外擴0、1、2、3、4、5 和6 mm 當作計劃腫瘤區（Planning Gross Target Volume,PGTV）。

1.2 VMAT治療計劃

對于每個模擬患者方案，使用Varian Eclipse13.6治療計劃系統制作VMAT計劃，這些計劃利用6 MVFFF 光子束、最大劑量率為1 400 MU/min，在配備有Varian 高分辨率120 多葉準直器（Multi-Leaf Collimator,MLC）的EDGE直線加速器上進行。所有的患者計劃都是標準化的，所有PTV 的95%體積都覆蓋處方劑量（24 Gy/3次）。

對模擬病例設計了3 種治療計劃：1 個等中心4個非共面?。⊿ingle-Isocenter/Four non-Coplanar Arcs, SIFNA）計劃、5 個等中心5 個共面?。‵ive-Isocenter/Five Coplanar Arcs, FIFA）計劃和5 個等中心5 個非共面?。‵ive-Isocenter/Five non-Coplanar Arcs,FIFNA）。

SIFNA：包括一個標準的0°床角，機架角從181°開始順時針旋轉358°至179°停止；一個45°床角，機架角從181°順時針旋轉到30°；一個90°床角，機架角從181°順時針旋轉至0°；一個315°的床角，機架角從330°順時針旋轉至179°。在整個研究過程中，所有角度和比例都按照國際電工委員會IEC61217號報告的定義使用。Eclipse 自動等中心工具用于設置等中心。

FIFA：該計劃的所有弧，床角都設置為0°以實現每個旋轉弧的最大圓弧旋轉。每個弧的等中心被設置在每個腫瘤區（Gross Tumor Volume,GTV）的幾何中心。

FIFNA：該計劃的床角設置包括一個0°的全弧、一個40°的半弧、一個80°的半弧、一個120°的半弧和一個160°的半弧。每個弧的等中心被隨機設置在每個GTV的幾何中心。

1.3 評價工具

使用累積劑量-體積直方圖對VMAT計劃進行定量評估，記錄的數據被用來評估基于GTV 的治療方案適形度。Paddick 適形度指數（Conformity Index,CI）［12］被用來評價每個方案。此外，每個計劃還由一個整體Paddick 梯度指數（Gradient Index, GI）［13］評價。這些指標定義如下：

其中，PV表示處方劑量線所覆蓋的總體積，TVPV表示處方劑量所覆蓋的靶區體積，TV表示靶區的體積，CI值越接近1，表示靶區適形度越好。

其中，PV50%表示50%等劑量線所覆蓋的體積，GI 值越小，表示劑量下降越快，梯度越大。

此外，腦部放射壞死指標（12 Gy 劑量體積,V12）和低劑量區（5 Gy 劑量體積,V5）也被用來評價計劃的好壞。

2 結果

對于外擴2 mm 不同轉移瘤數量的SIFNA 計劃劑量學差異見表1?？梢园l現，在腫瘤體積小于7 cm3時，VMAT SIFNA 的CI 值隨著腫瘤體積的增加而增加；當腫瘤體積大于7 cm3時，CI 值就呈現一種較穩定的趨勢。而對于GI 的變化，可以明顯地看出GI 值隨著腫瘤體積的增加而呈現遞減的趨勢。

表1 不同轉移瘤數量外擴2 mm的1個等中心4個非共面弧計劃劑量學比較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

對于同樣外擴2 mm，全腦V12和V5隨著不同轉移瘤數量以及不同計劃方案的變化如圖1 所示。從圖中可以看出，V12和V5在3 個計劃方案中都隨著腦轉移瘤數量的增加而增加，并且3個計劃均是SIFNA計劃的V12和V5覆蓋體積最小，其次為FIFNA 計劃，最大的是FIFA 計劃。單獨觀察V5，可以觀察到當腫瘤數目為10～20時，3個計劃的劑量覆蓋率差異較大，當腫瘤數在0～5個時，3個計劃的V5則大致相等。

圖1 不同轉移瘤數量外擴2 mm在不同計劃下5、12 Gy體積覆蓋率Fig.1 5 and 12 Gy dose coverages of different plans for different number of metastases with an external expansion of 2 mm

分別選取5 個隨機選擇的腦轉移瘤和5 個距離較近的腦轉移瘤，分別外擴0、1、2、3、4、5、6 mm，并對每個模擬病人設置SIFNA、FIFA 和FIFNA 3 種不同的計劃，劑量學差異見表2和表3。

表2 5個隨機腦轉移瘤外擴不同直徑的計劃對比Tab.2 Comparison of treatment plans for 5 random brain metastases with different external expansions

表3 5個鄰近腦轉移瘤外擴不同直徑的計劃對比Tab.3 Comparison of treatment plans for 5 adjacent brain metastases with different external expansions

從表2 可以看出，對于隨機選擇的轉移瘤靶區，隨著靶區外擴程度加大，每個計劃的V12和V5也隨之增加，觀察V12可以得出SIFNA 計劃的12 Gy 覆蓋體積

記錄腫瘤外擴不同體積與不同計劃所對應的12 Gy的覆蓋體積，12 Gy 覆蓋的體積與外擴腫瘤體積大體上呈現正相關的趨勢。圖2 為3 個計劃的差異比較。當外擴腫瘤體積<10 cm3時，3 種計劃的V12有著明顯的差別，且SIFNA 計劃10 cm3時，三者的差異就變得很小。

圖2 不同外擴體積下3個計劃12 Gy體積覆蓋率差異比較Fig.2 Comparison of 12 Gy volume coverage among 3 different plans under different external expansions

3 討論

本研究結果顯示，對于SIFNA 計劃來說，當腫瘤數控制在10 個以下，或者腫瘤體積小于7 cm3時，計劃的適形度指數基本達到一個閾值，此后無論腫瘤數如何增加，CI 值基本都保持不變。與之相反，隨著腫瘤體積的增加，此類計劃的GI值則隨之下降，這也意味著隨著腫瘤體積的增加，該類計劃的劑量跌落越來越好。因此，結合CI 值與GI 值，對于多發腦轉移瘤，靶區的擴大并不會對SIFNA 計劃造成過多的影響，且隨著體積的增加，計劃的劑量跌落反而會更好。

從圖1 可以看出，隨著腦轉移瘤的數目增加，不論是SIFNA 計劃還是FIFNA 計劃或FIFA 計劃，全腦V12和V5的體積覆蓋率都隨之升高，但是均以FIFNA計劃的12 和5 Gy 劑量覆蓋體積最低，這與Stanhope等［14］和Liu 等［15］的結論相一致。此外從圖中還可以發現，對于12 Gy 的劑量體積覆蓋率，SIFNA 計劃與多等中心的計劃一直保持著較大的差異值，但是5 Gy的劑量體積覆蓋率則與其他兩種計劃較為相近。參考弗洛里達大學發表的研究結果［16］，SRS治療中超低劑量對比正常人群并無惡性腫瘤增加的風險，因此我們可以認為3 種治療計劃在低劑量分布上并無顯著優劣之分。所以只考慮腦部放射壞死指標（12 Gy）的情況下，SIFNA 計劃對比FIFNA 計劃和FIFA 計劃表現出了更低的劑量分布，可以更好地保護放療中非目標組織，減少了放療并發癥的出現。結合圖2的結果，在腫瘤體積<10 cm3時，SIFNA與其他兩種計劃V12差異值最為顯著，而當腫瘤體積>10 cm3后，三者計劃的差異值則漸漸減小。因此基于筆者的研究，筆者更推薦針對小體積（<10 cm3）的靶區使用SIFNA計劃。

本研究還選取了5 個位置相近的腦轉移瘤與隨機選擇的轉移瘤進行了比較，從表2 和表3 中可以看出，對于SIFNA 計劃，無論靶區外擴多少，隨機組和鄰近組的12 Gy 體積覆蓋率并沒有較大的差別；對于FIFA 計劃，當靶區外擴≤3 mm 時，隨機組的12 Gy 體積覆蓋率要小于鄰近組，但差異值并不顯著，當靶區外擴>3 mm 后，則會出現鄰近組優于隨機組的情況；對于FIFNA計劃，鄰近組的12 Gy劑量體積覆蓋率基本都小于隨機組。對于這些現象，筆者的解釋是對于鄰近組的靶區，由于各個病變區域的靠近，使得在外擴靶區時，PTV 整體的體積會小于隨機選擇的靶區外擴的體積，且隨著外擴直徑的增加，體積差異會越來越大。因此對于本就表現優異的SIFNA 計劃，兩者的差異值并不顯著，而隨著體積差異的增加，FIFA 計劃就會出現體積小的鄰近組12 Gy 劑量體積覆蓋率好于隨機組的現象。

總之，VMAT SIFNA 計劃在面對多發性腦轉移瘤（腫瘤數>3）的病例時仍然表現出更好的靶區適形度，且V12要好于多等中心共面與非共面弧計劃。