中上段食管癌在不同呼吸時相下VMAT技術放療的劑量學研究

陽華東,黎鵬,袁強,周進偉,楊天岳,李賢富

(川北醫學院附屬醫院腫瘤科,四川 南充 637000)

對于腫瘤放射治療來說,放療因其具有電離輻射的性質,如不正確使用會對正常組織造成損傷,所以腫瘤治療需要更加精確,腫瘤放射治療中提出了“三精”原則：精確定位、精確設計和精確治療。呼吸運動是人體正常的生理運動,會影響放射治療精準度,對放療病人需要重視呼吸訓練。

在人體,特別是胸部的放射治療,如乳腺癌、肺癌、食管癌和肝癌是最容易受到呼吸運動影響的癌癥,有專家在放療頂刊文章中闡述了呼吸對于胸部放療的重要性[1]。目前國內腫瘤治療普遍使用的是定位CT圖像,這種方法的劣勢在于獲取圖像為靜態圖像,無法直接獲得患者呼吸動態圖像。對于常規胸部CT檢查來說,需要深吸氣屏氣獲得最大肺組織成像,而在放療中常讓患者自由呼吸進行成像。雖然均勻呼吸有效控制了胸部活動范圍,但自由呼吸時CT掃描定位時呼吸時相與治療時呼吸時相不一致,這依舊會帶來PTV(planning target volume)脫靶和危及器官(organ-at-risk,OAR)高量的危險[2]。如果靶區劑量的偏差超過5%,會造成腫瘤控制率下降[3]。此外,因為食管周圍的解剖學關系,劑量的偏差落在正常組織也會導致放射性食管炎、放射性肺炎和心臟損傷等[4]。

川東北地區及周邊區域是國內食管癌的高發地區之一[5]。而放射治療作為食管癌治療的一種常用手段,有許多患者在治療過程中都接受過放射治療。研究治療過程中因呼吸運動引起的放射劑量學改變具有重要的意義。因此,本研究對食管癌放療過程中因呼吸運動引起的靶區劑量、危及組織器官劑量和放療物理參數改變進行研究,以明確不同的呼吸時相(自由呼吸、呼氣末屏氣和吸氣末屏氣)引起的劑量學差異。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2023年1月1日至2023年7月31日川北醫學院附屬醫院進行放射治療的20例食管癌患者為研究對象。納入標準：(1)病理證實為鱗狀細胞癌的患者;(2)經過訓練可以接受定位CT三期掃描,分別為自由呼吸、深呼吸屏氣和深呼氣屏氣掃描;(3)患者無語言或精神障礙,具有配合能力;(4)放療處方劑量及次數一致。排除標準：(1)患者掃描圖像質量欠清;(2)患者具有呼吸道慢性病史或病情嚴重;(3)患者未能完成整個治療療程?；颊吣挲g55～74歲,中位年齡69歲;男性14例,女性6例;據AJCC(american joint committee on cancer,美國癌癥聯合委員會)第8版分期,Ⅱ期2例,Ⅲ期8例,ⅣA期10例。本研究已經獲得本院醫學倫理委員會批準(批準號2023ER002-1)。

1.2 方法

1.2.1 定位和掃描 所有患者均由熱塑膜進行體位固定,取仰臥位,兩手上舉握住床柱,在腫瘤中心層面分別于前正中線和左右腋中線放置鉛點。掃描前溝通并訓練患者配合呼吸。西門子16排CT定位機進行定位掃描,管電壓130 kV,管電流200 mAs,重建層厚3 mm,螺距0.8。掃描范圍從頸1椎體到肋膈角下端。在固定位置行自由呼吸(F)、呼吸末屏氣(E)和吸氣末屏氣(I)掃描。獲得圖像傳輸至放射治療計劃系統(treatment planning system,TPS),由高年資同一放療醫師進行靶區勾畫。見圖1。

1.2.2 計劃設計 由10年以上計劃制作經驗的同一高級物理師在MONACO(版本6.00.11)治療計劃系統進行計劃設計。依據處方劑量要求,靶區PTV為50.4 Gy/28Fx,110%處方劑量的體積<5%。危及器官中兩肺平均劑量<15 Gy,V20<30%,V30<20%;心臟劑量V30<40%,V40<30%;脊髓最大劑量<45 Gy;肝受照劑量V30<30%;胃和小腸受照劑量V40<40%。其中Vx表示接受劑量超過x的百分體積。采用容積弧形旋轉調強放療技術(volumetric modulated arc therapy,VMAT),所有計劃設計均采用3個段弧(順時針)分別是：1 800-2 350、3 150-450、1 300-1 800。實驗計劃設計時以平靜呼吸時相的計劃設計參數為標準,在其他兩個呼吸時相執行劑量計算,并對計劃參數進行微調,當PTV D95、危及器官劑量限制滿足處方劑量要求時保存計算結果。對平靜呼吸時相的計劃進行驗證,驗證通過后傳輸至Elekta Infinity加速器進行治療。

1.2.3 劑量學資料 收集每位患者在F、E和I的呼吸時相下的劑量學數據。包括PTV體積、PTV 最大劑量和PTV 平均劑量、HI和CI;lung體積、lung最大劑量、lung V5、lung V20和lung V30;heart 最大劑量、heart平均劑量、heart V20和heart V30;spinal cord dmax;機器跳數(monitor unit,MU)和子野個數。HI和CI的計算方式如下：

1.3 統計學分析

2 結果

20例患者在自由呼吸(F)、深呼氣屏氣(E)和深吸氣屏氣(I)的呼吸時相下經Shapiro-Wilk檢驗可得,劑量數據中heart 最大劑量、HI、CI、heart V20、heart V30和子野數為非正態分布數據,其余數據均為正態分布。所有符合正態分布的數據經單因素方差分析(ANOVA)得到以下結果。見表1。

表1 呼氣末(E)、吸氣末(I)和平靜呼吸(F)時相下劑量學參數(符合正態分布)結果比較

PTV的最大受照劑量均值在自由呼吸時相下小于呼氣末屏氣時相和深吸氣屏氣時相,差距分別為100.95和82.35 cGy。lung受照最大劑量和平均劑量均值在深吸氣屏氣相下分別小于自由呼吸相和呼氣末屏氣相123.82、111.41和127.23、152.18 cGy。lungV20和lungV30均值在深吸氣屏氣相下分別小于呼氣末屏氣相和自由呼吸相2.89%、2.90%和3.12%、3.35%。呼氣末屏氣相和深吸氣屏氣相分別高于自由呼吸相達到327個MU和318個MU,差異均有統計學意義(P<0.05)。見表2。

表2 呼氣末(E)、吸氣末(I)和平靜呼吸(F)時相下劑量學參數(非正態分布)結果比較

對于非正態分布的數據,采用K-W H檢驗得到以下結果,見表2。呼氣末屏氣相和深吸氣屏氣相的靶區HI和CI較自由呼吸時相均值增加了0.02和0.04。呼氣末屏氣相和深吸氣屏氣相的子野數的均值相較于自由呼吸時相增加了55和59,差異有統計學意義(P<0.05)。見圖2。

3 討論

所有的胸部放療都會受到呼吸運動的影響,這種呼吸運動對于接受治療的患者來說,可能會造成靶區偏移、劑量偏差的影響。解剖學上,呼吸運動引起食管周圍的危及器官變化包括雙側肺組織、心臟和脊髓。這種呼吸運動下造成任何劑量傳遞的不確定,都會影響患者的治療結果,如腫瘤局部控制率、危及器官的副反應、患者生存期和生活質量等[6]。本研究主要從放射物理學角度來分析不同呼吸時相引起的劑量學變化。

本研究中,不同呼吸時相PTV的體積雖然沒有得到統計學差異,但是在I和E時相PTV的平均體積大于F時相的平均體積,不僅表明了呼吸過程中靶區的變化,還反映了不同呼吸時相變化影響了放療醫師對靶區的判斷。陳健鈴等[7]分析了20例食管癌患者在呼氣末到吸氣末過程中GTV(gross tumor volume)的變化,各呼吸時相GTV變化范圍最小的為0.52 cm3,最大達到12.81 cm3,平均增加9.58%或減少11.24%。李毅等[8]一項關于呼吸運動對肺癌患者靶區體積變化的研究發現,自由呼吸下整個胸段的GTV較吸氣末平均減少了4.03%。謝生智等[9]研究了23例食管癌患者,呼吸運動過程中GTV的位移為上側0.74 cm,下側1.62 cm,左側0.91 cm,右側0.66 cm,前側0.87 cm,后側0.59 cm,這說明了GTV的位移,但該研究并未從劑量學上進行探討。在本研究中,發現PTV的最大劑量在E時相和I時相大于F時相,這是由于呼吸運動過程中靶區體積變化和靶區與肺等正常組織相對位置關系變化和劑量跌落共同影響[10]。

在胸部放療中,肺部的體積變化引起的位置變化最大,Huang等[11]對4名行SBRT肺癌患者的腫瘤位置進行了監測,平均移動距離達到2.3 cm,最小的位置移動1.4 cm,與本研究相似。呂海鵬等[12]對21例食管癌患者的肺部體積和劑量進行研究,得出在EBH和IBH的期相下,肺部體積、V5、V10、V20和Dmean改變均具有統計學意義,這與本研究相似。在本研究中,在肺部V5和V10沒有觀察到相同的結論,這可能是因為呂海鵬等分析的患者采用的是固定野5野非均分照射的調強技術,而本文采用的是容積旋轉調強技術,這種技術在帶來治療劑量優化和縮短治療時間的同時,會帶來弧內低劑量的分布增加[13-14],且不受呼吸運動影響,這也是本研究在V10以下劑量未見差異的原因。另外,Tanaka等[15]得出,PTV越大,PTV外鄰近健康組織受到的輻射劑量越大,本研究因呼吸運動影響的食管PTV增大也帶來了食管附近肺組織受照劑量的變大,也是肺V20及以上劑量數據具有差異的原因。靶區的CI和HI在呼氣末和吸氣末狀態下大于平靜呼吸,差異具有統計學意義。本研究中,在呼氣末和吸氣末屏氣狀態下的VR-T和VT增大,但VR-T增大的二次方大于VT,CI的值必然增大。靶區最大劑量(D2%)的均值增大,靶區最小劑量(D98)均值減小,帶來HI的增大。

此外,食管癌放療過程中呼吸運動容易導致心臟毒性[16],最常見的心臟毒性包括心包積液和房性快速性心律失常[17]。雖然在本研究中沒有觀察到心臟劑量學上的差異,這是因為我們的入組標準未包括胸下段的食管癌患者,且在計劃過程中,我們重點關注并限制了心臟劑量。Tamari等[18]和Wei[19]等研究了關于接受放化療的食管癌患者心包積液危險因素的研究,多因素結果得出心臟V30≥41.6%和V30≥46.0%是心包積液的獨立危險因素。而本研究中,心臟V30的范圍4.2%～26.2%,未超過劑量限值。

在本研究中,呼氣末屏氣和吸氣末屏氣的MU、子野數量均大于自由呼吸的MU和子野數量,這是由于呼氣末屏氣時正常組織離靶區更近,計劃時為了控制肺等正常組織的受照劑量,計劃調制度提高,增加了子野數,進而增加了MU數;吸氣末屏氣時靶區的受照深度隨著深吸氣而增加,計劃時為了達到靶區劑量要求增加了加速器出束總MU數。與李闊等[20]研究得出的靶區和危及器官的計劃權重增加使MU數量增加相似。本文還存在以下的不足,首先樣本量較少,在未來我們會納入更多的樣本量得到更詳實的結果;其次少數患者呼氣或吸氣狀態不能保持,可能會存在微小的影響。

綜上,自由呼吸下的CT掃描無法確定時相,呼氣末屏氣和吸氣末屏氣會影響到PTV體積、最大劑量和肺部最大劑量、平均劑量、V20、V30等物理參數改變,這會帶來潛在的脫靶和正常組織受照劑量變化的風險,可能導致臨床治療失敗或毒性反應變化。放療醫師在勾畫靶區時應注意考慮呼吸對靶區的影響,對于中上段食管癌患者,在放射治療過程中應重視呼吸控制。