肺部肿瘤大分割放疗伽玛刀、IMRT和VMAT计划剂量学分析

吕海鹏，刘晓，康静波，赵焕升，王凯，胡范祥，李翊

1. 中国人民解放军海军第九七一医院 放疗科，山东 青岛 266000；2. 中国人民解放军总医院第六医学中心 放疗科，北京 100048

引言

肺部肿瘤是体部立体定向放射治疗（Stereotactic Body Radiation Therapy，SBRT）的重要适应症，对于早期非小细胞肺癌（Non-small Cell Lung Cancer，NSCLC）因高龄或合并严重内科疾病无法手术或拒绝手术的患者，SBRT已经成为标准的治疗方案，甚至可以与手术相媲美[1-2]。而对于原发于其他部位的肺转移瘤，SBRT也是除靶向治疗、射频消融等之外的重要的治疗手段[3]。众所周知SBRT有多种实现方式，主要是基于伽玛刀和产生高能X线的直线加速器（Linear Accelerator，LA）等。伽玛刀的主要特点是靶区内剂量极不均匀，等剂量曲线分布梯度高，适合较小且形态规则的肿瘤；而基于LA的固定野调强放疗（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）和容积调强（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）治疗计划最大的特点是可以根据处方剂量的要求对靶区进行剂量雕刻，对所有的靶区形态都能达到满意的剂量分布且快速高效。近年来很多学者报道了肺部肿瘤采用IMRT和VMAT实现SBRT的剂量学对比研究[4-5]，但是二者与国产伽玛刀之间的剂量学差异鲜有报道。本研究通过对比20例患者在伽玛刀、IMRT和VMAT治疗计划的剂量学差异，为临床肺部肿瘤的SBRT治疗提供一定的参考依据。

1 材料和方法

1.1 一般临床资料

选取2018年至2020年在本院接受放疗的肺转移瘤患者20例。其中，男性16例，女性4例；年龄41～82岁，中位年龄62岁；双侧肺转移4例，单侧肺转移16例；转移瘤个数1～4个，直径1.1～7.45 cm，详见表1。

表1 20例患者的临床资料

1.2 设备情况

IMRT计划采用美国VARIAN公司Eclipse 13.5计划系统、VARIAN 21EX直线加速器，120片多叶光栅，6 MV X射线。VMAT计划采用VARIAN Eclipse 13.5计划系统、VARIAN Trilogy 直线加速器，120片多叶光栅，6 MV X射线。伽玛刀计划采用国产海博伽玛刀SGS-Ⅰ型伽玛刀计划系统，配备1.5、2.5、4.0和5.5 cm 四组准直器，60Co衰变产生的γ射线的等效能量是1.25 MV。

1.3 体位固定及CT扫描

所有患者均采用仰卧位，负压真空袋固定，双手自然上举，经呼吸训练后，平静呼吸下采用CT（日本东芝Aquilion One）对吸气、呼气、平静多呼吸时相螺旋扫描，扫描层厚3 mm；扫描范围上起下颌骨下缘，下至第2腰椎下部，包括颈部、胸部。

1.4 实验计划设计

将每位患者的CT扫描图像分别导入伽玛刀、Eclipse计划系统中，根据多呼吸时相CT图像勾画GTV，然后融合成代表呼吸动度的ITV，PTV由ITV外放而成，均匀外放5～7 mm。伽玛刀计划采用非共面多弧段进行治疗；IMRT治疗计划为7野等中心照射计划；VMAT计划采用单弧或双弧方案。伽玛刀治疗计划处方要求50%～55%等剂量线包绕95%靶区体积，加速器治疗计划处方要求100%剂量线包绕95%靶区体积。每一例患者的治疗计划采用相同的等效生物剂量60～62.4 Gy，三者均采用大分割方式。

1.5 计划评价参数

1.5.1 计划靶区的评价参数

（1）以平均剂量、最大剂量、适形指数（Conformity Index，CI）评价靶区与参考等剂量曲面的适形程度，公式为CI=VPTV-REF/VPTV×VPTV-REF/VREF。式中VPTV为靶区体积，VPTV-REF为参考等剂量线面所包绕的靶区体积，VREF为参考等剂量面所包绕的所有区域体积。CI值在0～1之间，适形度越高，越接近1。本研究参考国际辐射学单位委员会第62号报告采用95%处方剂量曲面。

（2）以均匀性指数（Homogeneity Index，HI）评价PTV内剂量分布的均匀性，公式为HI=D5%/D95%。式中D5%和D95%分别为5%和95%PTV所受到的照射剂量，HI越大说明超过处方剂量越大，PTV内剂量分布也越不均匀。

1.5.2 危及器官评价参数

肺组织的 V5、V10、V15、V20、V25、V30、平均剂量Dmean；心脏的V20、V30、V40、平均剂量Dmean；脊髓的最大剂量 Dmax，食管的 Dmax、Dmean。

1.5.3 统计方法

采用SPSS 22.0统计软件对数据进行比较分析，若满足正态分布和方差齐性应用成组t检验，否则采用非参数秩和检验。P＜0.05为差异有统计意义。

2 结果

2.1 靶区及危及器官勾画体积

伽玛刀和加速器分别采用不同的治疗计划系统，两系统所勾画的靶区和危及器官范围是一致的，P＜0.001，详见表2。

表2 20例转移性肺癌靶区及危及器官体积（mL）

2.2 危及器官受照情况

伽玛刀与 IMRT的全肺 V5、V10、V15、V20、V25、V30差异很大（P＜0.001），伽玛刀与 VMAT的全肺V5、V10、V15、V20、V25、V30同样有很大的差异（P＜0.001），IMRT比 VMAT 的 全 肺 V10、V15小（P＜0.05）， 而 V25、V30则VMAT略低于IMRT（P＞0.05）。对于全肺平均剂量Dmean，伽玛刀与IMRT无明显差异（P=0.106），但伽玛刀比VMAT略低（P=0.025）；IMRT与VMAT基本一致。患侧肺 V5、V10、V15、V20、V25、V30三种治疗方式与全肺得到的结果基本一致，唯一的区别在于伽玛刀与IMRT的V5没有统计学差异（P=0.103），尽管从数值上来看伽玛刀略低。三种治疗方式的患肺平均剂量Dmean则基本相同（P＞0.05）。采用伽玛刀治疗，心脏V20、V30、V40整体好于基于加速器的IMRT和VMAT，除了与VMAT相比V40差异较小（P=0.086）外，其他指标均有明显差异（P＜0.05）。伽玛刀平均剂量Dmean低于IMRT（P=0.007），其他各组无明显差别（P＞0.05）。伽玛刀治疗的脊髓最大剂量均明显低于IMRT和VMAT（P值分别为0.003、0.046），而IMRT和VMAT则相差不大（P=0.411）。伽玛刀、IMRT和VMAT三者的食管Dmean依次增高（P＜0.05）；最大剂量Dmax伽玛刀明显低于VMAT（P=0.029），而伽玛刀与IMRT以及IMRT与VMAT则没有明显差别（P＞0.05），详见表3。

表3 20例转移性肺癌患者危及器官剂量参数统计

2.3 靶区受照情况

IMRT的CI好于伽玛刀和VMAT（P＜0.05），而伽玛刀和VMAT则无明显差别（P=0.866）。伽玛刀的HI明显高于IMRT和VMAT（P＜0.05），VMAT略高于IMRT（P=0.008）。采用伽玛刀治疗的靶区Dmax和Dmean明显高于IMRT和VMAT（P＜0.05），VMAT 则略高于 IMRT（P＜0.05），详见表4。

表4 20例转移性肺癌靶区参数

远离胸膜的靶区，由于计划系统充分考虑到侧向电子失衡的问题，VMAT的适形度最差。

3 讨论

目前手术切除仍是Ⅰ期NSCLC的标准治疗[6-7]，然而高龄及伴随严重心肺合并症及不可手术病例逐渐增加。包括2013年美国放射治疗肿瘤学协作组（Radiation Therapy Oncology Group，RTOG） 0618研究在内的多项研究显示，SBRT治疗一期肺癌局部控制（Local Control，LC）和总生存期（Overall Survival，OS）都得到了很大的改善[8]，SBRT治疗肺部肿瘤的安全性也得到了广泛认可，死亡原因多为治疗前的其他合并症[9]。对于肺内孤立转移瘤，在全身治疗的基础上给予SBRT治疗已逐渐被接受，Baschnagel等[10]对32个肺转移瘤行4～10×6 Gy放疗，中位随访时间为27.6个月，1、2、3年LC和OS分别为97%、83%、76%和92%、85%、63%，中位OS为40个月，未观察到≥4级不良反应。董百强等[11]研究的基于加速器的82例肺继发孤立病灶SBRT取得了较好的疗效，初步证明SBRT治疗晚期肺寡转移灶安全有效。

作为SBRT的实现方式，无论是伽玛刀还是基于LA的其他SBRT方式，近年来都有不错疗效的报道[11-12]。而对于国产伽玛刀和基于LA的SBRT方式在剂量学方面的差异国内报道较少。各种品牌的国产伽玛刀没有统一的剂量学标准，使用放射源的总活度、放射源的颗数、各厂家放射源的运转方式也各不相同[13]。虽然有以上差别，但是伽玛刀靶区外较快的剂量跌落以及靶区剂量极度不均匀是所有伽玛刀共有的特性。靶区外剂量快速跌落是伽玛刀的主要优势之一，本研究显示无论是患侧肺还是全肺的伽玛刀靶区外正常肺组织的剂量-体积指标（V5、V10、V15、V20、V25、V30），都明显低于 IMRT 和 VMAT。其中V5、V20的降低可以更大程度上的避免放射性肺炎的发生几率[14]。对于食管、脊髓心脏等危及器官的保护也优于基于LA的SBRT，这些数据可以说明伽玛刀治疗的毒副作用更小。吴齐兵等[15]报道的陀螺刀与VMAT剂量学对比研究的结果与本研究基本一致，但患侧肺的剂量-体积指标不同，陀螺刀患肺剂量-体积指标高于VMAT，分析其原因可能是陀螺刀的放射源排列方式与海博产SGS-Ⅰ型伽玛刀不同，海博产SGS-Ⅰ型伽玛刀源排列旋转方式使其聚焦性更强。靶区剂量极度不均匀是伽玛刀的另一特点，在本研究中体现在靶区HI、Dmax和Dmean明显高于IMRT和VMAT。对于肺内实体肿瘤，肿瘤个体较大或生长迅速导致其内部血供差，部分肿瘤乏氧，伽玛刀靶区剂量分布高、不均匀性使乏氧组织得到更高剂量，从而增加其放射敏感性，提高LC[16]。而对于某些空腔靶区或其内部有重要器官，如被肿瘤包绕的神经，基于LA的SBRT更加均匀的靶区剂量则使治疗更加安全有效。

本研究靶区主要以小的类圆形靶区为主，在靠近胸壁或肺门的病变，VMAT的靶区CI能保持在正常水平。而在肺野中间的靶区，尤其是小肿瘤的CI最差（图1）。出现这一现象的原因是加速器计划系统采用了更先进的类似蒙特卡罗（Monte Carlo，MC）算法的AcurosXB算法，这种算法能够充分考虑到侧向电子失衡现象，尤其是胸腔这种空气密度与软组织密度频繁更替的结构[17]。对于肺内肿瘤，为了尽量避免侧向电子失衡的问题，RTOG早在第91-05号协议推荐使用射线能量的范围是4～12 MV。有研究报道，当所使用的计划系统不能提供侧向电子失衡修正的算法时应选择较低的6 MV[18]。而另一项研究则表明，基于MC算法，相对于4、6和8 MV的X线，更低能量的60Co射线其剂量分布受气腔的影响更小[19]。这样看来，对于肺内小肿瘤国产伽玛刀相比于加速器更有优势。

图1 肺野内肿瘤伽玛刀、IMRT和VMAT剂量分布情况

本研究发现部分伽玛刀全肺平均剂量高于基于LA的两种SBRT，主要因为靶区形态不规则，伽玛刀计划需要多个靶点拼凑从而达到更好的CI，从而导致全肺平均剂量抬高，也导致治疗时间延长。对于VMAT和IMRT的比较，本研究结果与蔡俊涛等[20]研究的结果基本一致：与IMRT技术相比，VMAT降低了肺中高剂量区的照射体积，但是却增加了肺低剂量区的照射体积，而对其他正常组织的照射范围则基本一致。

4 结论

无论是伽玛刀还是基于LA的VMAT和IMRT都能满足SBRT的需求，在使用中各有优势，伽玛刀对肺内较小孤立肿瘤剂量学优势明显，并且能更好的保护正常肺组织。但是随着伽玛刀放射源的衰减，治疗时长会逐渐增加。相比于IMRT和VMAT的快速治疗，伽玛刀在治疗过程中的位置精度增加了更多的不确定性。而对形态不规则的肿瘤，VMAT和IMRT在计划设计的精细程度是伽玛刀无法比拟的。