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质子笔形束调强技术在颅脑肿瘤放疗中应用价值

2024-09-12 4 上传者：管理员

摘要：目的比较质子调强放疗（IMPT）、光子调强放疗（IMRT）、光子容积旋转调强放疗（VMAT）计划在颅脑内肿瘤患者放疗中剂量学优势。方法选取山东省肿瘤医院质子中心2022-07-26-2022-11-08收治的10例颅脑内肿瘤患者分别设计IMPT、IMRT、VMAT计划，统计有代表性的剂量学数据：靶区适形度指数（CI）,靶区均匀性指数（HI）,梯度指数（GI）,靶区最大点剂量、平均剂量，颅脑内平均剂量，2 Gy剂量对应体积(V2 Gy), 5 Gy剂量对应体积(V5 Gy),10 Gy剂量对应体积(V10 Gy)以及脑干最大点剂量。结果 IMPT计划靶区平均剂量为（51.57±0.49） GyE,低于IMRT[（52.30±0.31） Gy]和VMAT计划[（52.38±0.35） Gy],Z值分别为-3.161和-3.180,均P=0.001。IMPT计划靶区覆盖率为（99.39±1.53）%,优于IMRT[（99.30±0.76）%]和VMAT计划[（98.75±1.19）%],Z值分别为2.190和2.608,P值分别为0.029和0.009。VMAT计划CI为0.88±0.03,高于IMRT（0.85±0.07）和IMPT计划（0.47±0.18）,Z值分别为-3.515和-3.742,均P<0.001。IMPT计划V2 Gy为（492.16±172.51） cm3,优于IMRT[（1 052.14±349.8） cm3]和VMAT计划[（1 165.9±320.12） cm3],Z值分别为-3.213和-3.515,P值分别为0.001和<0.001;V5 Gy为（391.53±156.04）cm3,优于IMRT[（826.00±318.16） cm3]和VMAT计划[（802.19±341.54） cm3],Z值分别为-2.986和-2.910,P值分别为0.003和0.004;V10 Gy为（286.98±150.47） cm3,优于IMRT计划[（520.42±281.48） cm3],Z=-2.079,P=0.038。结论光子IMRT、VMAT和质子IMPT技术均能满足临床要求。相比于光子，质子放疗有更少的低剂量区。但对于靠近靶区的危及器官，IMPT相比于IMRT和VMAT在控制最大点剂量方面无明显优势。

关键词：
光子调强放疗
容积旋转调强放疗
质子调强放疗
靶区剂量
靶区覆盖率
颅脑肿瘤
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颅脑肿瘤具有特定的部位分布，比如颅底肿瘤靠近视觉系统和脑干脊髓等神经系统，对于良性或有良好长期预后的颅内肿瘤，放疗可能引起的晚期毒副作用更应值得关注，在保护脑干、海马等器官的同时，还应尽可能的减少正常脑组织受到照射[1-4]。与光子放疗相比，质子放疗布野原则的独特之处在于：射程不确定性决定了脑干、海马等危及器官尽量不落在射束远端布拉格峰剂量跌落区；为提高射程计算精度，入射野角度尽量选择组织密度均匀路径，由此导致更多地使用穿过脑组织的非共面野。虽然质子放疗在保护危及器官方面优于光子治疗，但容易造成对脑组织的额外照射，两种射线带来的剂量学差异需引起关注[5-8]。本研究对比固定野调强治疗(intensity modulated radiation therapy, IMRT)、容积旋转调强治疗(volume modulated arc therapy, VMAT)和质子调强治疗(intensity modulated proton therapy, IMPT)在颅脑肿瘤放疗中的剂量学特点，旨在量化其差异，为质子放疗的适应症选择提供参考。

1、对象与方法

1.1病例选择及一般资料

选取2022-07-26-2022-11-08山东省肿瘤医院质子中心收治的10例颅脑内肿瘤患者为研究对象，其中垂体恶性肿瘤1例、垂体腺瘤2例、垂体生长素瘤1例、听神经恶性肿瘤2例、脊索瘤1例、脑膜瘤2例、星形细胞瘤1例；男2例，女8例；年龄37～60岁，中位年龄47岁。入组患者以临床靶区(clinical target volume, CTV)设计IMPT计划，由CTV外扩为计划靶区(planning target volume, PTV)设计IMRT和VMAT计划。本研究通过山东省肿瘤医院伦理委员会审批，并获得所有患者知情同意。

1.2治疗计划

在接受质子放疗前对所有患者以相同CT图像、靶区、危及器官分别设计IMPT、IMRT、VMAT计划进行对比。CTV和PTV由经验丰富的主管技师进行勾画，所有计划由经验丰富的物理师在Eclipse计划系统(treatment planning system, TPS)中设计完成。

质子IMPT计划设计在Eclipse 16.0(美国Varian公司)上以PCS算法完成，加速器为Varian ProBeam(美国Varian公司),该机器使用调制式笔形束扫描方式，最大射野面积为40 cm×30 cm,能量范围为70～240 MeV,水等效布拉格峰深度4～35 cm。不使用射程移位器(ringe shift, RS)的情况下，70～240 MeV能量对应的束斑尺寸为3.5～6.0 mm。束斑能量层间距为2个布拉格峰，束斑横向间距为1个束斑。由于质子治疗的不确定性，生成鲁棒性靶区(robust treatment volume, RTV)、使用鲁棒优化生成计划。RTV在临床医生勾画的CTV下，设置摆位不确定性误差为3 mm,射程不确定性为3.5%,额外射程不确定性前端和末端均为1 mm, RTV范围为束斑范围，计划优化条件中使用CTV。物理师手动修改身体轮廓结构，将热塑膜、床板等射野入射路径穿过的所有结构均勾画为身体外轮廓结构，参与剂量计算。CTV距离身体表面的水等效厚度小于4 cm的计划，需要加射程移位器。共设置2～3个射野，根据靶区位置和入射路径考虑是否添加非共面射野，8例有非共面射野，2例无非共面射野。有2例患者因为靶区靠近皮肤表面，使用了RS 57 mm(水等效厚度57 mm)。入射角度选择原则如前所述包括：均匀路径和后缘无敏感危及器官，IMPT计划射野角度见图1。计划均使用多野优化，计划优化、剂量计算完成后，将处方剂量全部归一至50 GyE进行统计分析，质子相对生物效应为光子的1.1倍，在TPS中完成转换。

图1同一患者各放疗技术布野方向示意图

光子IMRT、VMAT计划设计在Eclipse 15.5(美国Varian公司)完成，加速器为TrueBeam(美国Varian公司),该直线加速器拥有60对多叶准直器(multi-leaf collimator, MLC),中间40对等中心投影宽度为5 mm,其余20对为1 cm。临床医生勾画CTV,均匀外扩3 mm生成PTV。若PTV与脑干有重叠则由医生适当修改PTV。物理师根据PTV位置与危及器官的相对关系，按照就近原则，对IMRT设置5～7个共面射野、VMAT设置2～4个部分弧射野。IMRT、VMAT典型计划射野分布见图1。IMRT、VMAT在进行计划优化时使用二级准直器跟随的方式，使用靶区外环带、正常脑组织等辅助结构，以提高靶区适形度、降低危及器官受量。为方便数据统计及分析，将处方剂量归一到50 Gy进行统计。

1.3剂量对比方法

所有计划设计满足临床要求，统计有代表性的剂量数据。IMPT计划优化使用的RTV体积为每个射野对应的RTV交集，与IMRT、VMAT计划优化使用的PTV体积相似。统计靶区适形度指数(conformity index, CI)定义为处方包绕靶区(质子CTV,光子PTV)体积的平方比上靶区体积和处方剂量线体积的乘积，即CI=V处方包绕靶2/(V靶区×V处方剂量线),结果越趋近于1说明该计划适形度越高。靶区均匀性指数(homogeneity index, HI)定义为靶区2%体积对应的剂量减去靶区98%体积对应的剂量的值再比上靶区平均剂量，即HI=(D靶区2%体积-D靶区98%)/D靶区平均,结果越趋近于0说明该计划的均匀性越好。梯度指数(gradient index, GI)定义为50%处方剂量所占体积比上处方剂量体积，即GI=V50%处方剂量/V处方剂量,该指标为大于1的数值，越接近于1说明剂量梯度越陡峭。其他剂量包括靶区内最大点剂量、平均剂量，颅脑内平均剂量，V2 Gy,V5 Gy,V10 Gy,以及颅脑内重要串型危及器官脑干受到的最大剂量[9-10]。

1.4统计学方法

采用Matlab(版本R2023b, The MathWorks Inc., Natick, MA 01760, USA)统计和机器学习工具箱(Statistics and Machine Learning Toolbox,版本23.2)进行数据分析。剂量学数据为连续数据，采用X¯±S表示，符合正态分布的不同计划类型剂量学数据使用t检验，不符合正态分布的数据使用Wilcoxon秩和检验。检验水准α=0.05(双尾)。

2、结果

2.1剂量学体积

入组患者CTV体积为(29.8±48.4) cm3。IMPT计划中RTV体积为(54.06±73.31) cm3,IMRT和VMAT计划中PTV体积均为(46.71±67.84) cm3,RTV体积均值略大于PTV体积，但差异无统计学意义，P=0.427。

IMPT计划低剂量区低于IMRT和VMAT计划，IMPT计划只有在入射路径前端上有低剂量区，而射野的出射端没有剂量，使得正常的脑组织得到了更好的保护。IMRT计划和VMAT计划相比，低剂量区无明显差异。见图2。

2.2靶区剂量学参数

IMPT计划的靶区平均剂量、覆盖率优于IMRT和VMAT计划，P<0.05;靶区的最大点剂量差异无统计学意义。VMAT计划的CI最高，其次是IMRT计划，IMPT计划CI最低。IMPT计划的HI与IMRT计划相当，VMAT计划HI略高。IMPT计划的GI最低，其次是VMAT计划，IMRT计划GI最高。见表1。

2.3危及器官剂量学参数

IMPT计划V2、V5,V10优于IMRT和VMAT计划(P<0.05);脑干最大点剂量差异无统计学意义；IMPT计划中脑组织平均剂量最低，但与IMRT和VMAT计划相比无统计学意义，P>0.05。见表2。

图2同一患者同一靶区相同层面IMPT和IMRT及VMAT计划剂量分布图

表13种放疗计划靶区剂量学参数

表23种放疗计划危及器官剂量学参数

2.4剂量跌落

以其中1例靶区靠近脑干的计划为例，在同样满足靶区处方剂量的条件下，靠近脑干一侧的剂量从50 GyE衰减至30 GyE,IMPT计划衰减最快所需距离为0.60 cm, IMRT计划为1.18 cm, VMAT计划为0.96 cm(图3)。脑干的最大点剂量在3种治疗方式之间差异无统计学意义，IMPTvsIMRT,P=0.678;IMRTvsVMAT,P=0.473;IMPTvsVMAT,P=0.791。

3、讨论

本研究对比以IMRT、VMAT技术为代表的光子放疗计划和以IMPT技术为代表的质子放疗计划在颅脑肿瘤中的剂量学差异。由于质子对于射程不确定性的要求非常高，需要物理师手动修改身体外轮廓结构，将射野入射路径上的所有结构均勾画至身体外轮廓内，还需要考虑射束路径上穿过的组织，尽量缩小入射路径，同时避免入射路径上存在位置或体积有较大变化的组织或物质，避免极重要的危及器官处在布拉格峰后(远端),也可根据靶区与脑干等重要危及器官的位置关系，考虑设置一个非共面射野。有学者研究表明，质子能量主要沉积在射程末端的布拉格峰位置，所以在质子布拉格峰末端，可能会有一个热区域[11-14]。对于靶区在颅脑中间位置的患者，由于质子射野少，其布野角度选择要考虑患者是否左利手，对于左利手患者，建议从左侧入射，可减少对右侧大脑的照射剂量，从而对右侧大脑所控制运动功能(左侧)的影响降低，以最大可能减少对其行动功能损伤的风险。

Fuss等[15]对视路胶质瘤进行了剂量学比较，其中质子治疗可以将对侧视神经的最大点剂量减少近50%,使用质子照射也减少视交叉和脑下垂体的剂量。质子放疗可以更好地保护颅脑内血管，从而促进抗肿瘤免疫的治疗，对颅脑肿瘤治疗有积极意义[16]。在儿童中枢神经系统肿瘤中照射颅脑后窝时，引起视觉和听觉异常的风险也在≥30 Gy剂量范围内出现显著提高，儿童患者颞叶最大点剂量>30 Gy, 5年后患复视或眼盲的风险均增加5.7倍，患白内障风险增加9.4倍[17]。美国儿童低级别胶质瘤适形放疗远期疗效研究表明，患儿年龄因素比颅骨照射剂量更重要，射线暴露年龄在5岁以下儿童的认知能力下降幅度最大。质子在形成靶区高剂量，周围组织低剂量方面存在不可争议的优势，只有射束路径上有剂量，其他的正常脑组织没有受量。因为质子特有的布拉格峰特性，使得质子在特定深度上释放能量，然后迅速衰减。颅脑内质子放疗剂量远远低于IMRT和VMAT计划，可以减少正常脑组织损伤，降低放射性毒性。有效降低脑组织受照剂量可以降低潜在的放疗晚期并发症，特别是在治疗儿童肿瘤患者中，有利于降低继发肿瘤发生[18-23]。

图3剂量跌落示意图

本研究结果显示，IMPT计划只有2～3个方向的射野，相比于IMRT和VMAT计划射野数量更少，且角度单一，这导致了IMPT计划的CI最差，而VMAT计划有更多且更灵活的入射角度，使得VMAT计划的CI最高。IMPT计划的HI与IMRT、VMAT计划相比，并无明显的区别。IMPT计划GI最好，因为质子的布拉格峰特性，使得质子在特定深度释放能量后迅速跌落，剂量的跌落远远优于IMRT和VMAT计划。VMAT计划剂量衰减略优于IMRT计划，因为VMAT计划的入射角度比IMRT计划的入射角度更多更灵活，所以靠近脑干处剂量衰减也比IMRT计划更快。有学者研究在前列腺癌中质子点扫描计划HI优于光子螺旋断层放疗，且膀胱、直肠等危及器官IMPT平均值均低于光子螺旋断层放疗[24-26],这与本研究结果一致。

本研究中脑干最大点剂量方面三种治疗方式之间差异无统计学意义，这是因为IMPT计划生成的RTV体积比PTV体积更大，距离脑干的位置更近，且鲁棒性优化过程中，为降低不确定性和保证靶区在不确定性最高的情况下也满足处方剂量，导致了脑干的最大点剂量更高，在IMRT和VMAT计划中，因为颅脑肿瘤摆位误差小而且肿瘤在颅脑内没有明显的运动，临床医生在外扩PTV后，会手动修改PTV与脑干保证足够安全的距离，这也可以有效降低脑干的最大点剂量。有学者研究发现，在胰腺癌放疗时VMAT和IMPT计划都能满足临床要求，二者均能保护毗邻胰腺靶区的胃肠道组织[27-29]。

质子相对于光子，在肿瘤控制率方面具有优势，可以更好地降低正常组织并发症发生率，并保证靶区剂量[30]。因为质子的低剂量区更低、部分危及器官受量更低，有足够的空间提高靶区处方总剂量，对于乏氧肿瘤，提高靶区剂量是有一定意义的，提高有效的生物剂量意味着更好地保证肿瘤控制率，同时又减少了正常组织并发症发生率[31]。

综上所述，光子IMRT、VMAT和质子IMPT技术均能满足临床要求。相比于光子，质子放疗有更少的低剂量区，在保证靶区覆盖处方剂量前提下，能更有效地降低正常脑组织剂量，降低并发症风险。但对于靠近甚至与靶区部分重叠的危及器官，IMPT相比于IMRT和VMAT在控制最大点剂量方面无明显优势。但本研究纳入样本量过少，尚需进一步研究。

利益冲突无

参考文献:

[1]冯建华,郑林林,李益民,等.脑转移瘤放射治疗时机的研究进展[J].中华放射肿瘤学杂志,2024,33(4):360-364.

[2]陈宇,谭惠文,刘肖珩,等.难治性垂体腺瘤的诊治进展[J].成都医学院学报,2023,18(2):265-272.

[3]王建波,薛建新,王艳阳,等.国内肿瘤放射治疗领域基础研究的现状与展望[J].中国肿瘤临床,2024,51(7):354.

[4]李伶,李淑慧,徐祖敏,等.两种不同调强放射治疗中全脑放射治疗的海马和下丘脑-垂体轴剂量学比较研究[J].中国医学装备,2023,20(5):6-11.

[9]邵琰,王昊,陈华,等.适形指数和均匀性指数的临床应用[J].中华放射医学与防护杂志,2017,37(9):717-721.

[10]陈杰添,程涛,陈科权,等.容积调强和射波刀在颅内肿瘤不规则病灶立体定向放疗中对剂量跌落梯度和适形指数的影响[J].医药前沿,2023,13(8):53-55.

基金资助:国家自然科学基金(82172072);山东省自然科学基金(ZR2020LZL001,ZR2022QH188);山东省泰山学者青年专家项目(tsqn201909140);

文章来源:吴仕章,陶城,陈进琥,等.质子笔形束调强技术在颅脑肿瘤放疗中应用价值[J].中华肿瘤防治杂志,2024,31(18):1124-1130.