胸椎转移癌的碳离子放射治疗与光子放射 治疗的剂量学对比
胸椎转移癌的碳离子放射治疗与光子放射 治疗的剂量学对比
Dosimetric Comparison of Carbon Ion Radiotherapy with Photon Radiotherapy for Thoracic Vertebral Metastatic Carcinoma
JIN Xue-ling， MA Xiao-yun， ZHANG Meng-ling， ZHANG Yan-shan， SHI Zi-ke， QIN Tian-yan
金雪玲，马霄云，张梦灵，张雁山，史子柯，秦天燕
（甘肃省武威肿瘤医院，甘肃 武威 733000）
摘要：
[目的] 在椎体转移癌中，比较碳离子放射治疗（carbon ion radiotherapy，CIRT）与光子的三维适形放疗（three-dimensional conformal radiotherapy，3DCRT）、调强放射治疗（intensity modulated radiotherapy，IMRT）、容积旋转调强放疗（volumetric modulated arc therapy，VMAT）计划的剂量学优势。
[方法] 对10例胸椎转移癌患者分别设计CIRT、3DCRT、IMRT、VMAT四种放疗计划。靶区勾画遵循国际辐射单位和测量委员会（ICRU）第50、62、83号报告建议。光子治疗计划使用Eclipse计划系统设计，碳离子治疗计划由ciPlan计划系统完成，均为二维适形碳离子计划。两种计划的优化约束条件基本相同，要求处方剂量覆盖95%的计划靶区（planning target volume，PTV）体积。采用适形度指数（conformity index，CI）、均匀性指数（homogeneity index，HI）评价靶区剂量分布及适形性；采用梯度指数（gradient index，GI）和5 Gy等剂量线包绕体积与靶区体积比值（V5/VPTV）评估靶区外剂量跌落；采用平均剂量（Dmean）、最大剂量（Dmax）、5 Gy等剂量线包绕体积（V5）等参数评估危及器官受量。
[结果] CIRT、3DCRT、IMRT和VMAT计划均满足临床剂量处方要求，四组计划的处方剂量覆盖率分别为：CIRT为95.30%±0.57%，3DCRT、IMRT、VMAT均为95%。在四组计划中，3DCRT的HI与其他三组相比差异具有统计学意义（P<0.001）。CI方面，3DCRT和CIRT组分别与VMAT和IMRT组相比差异具有统计学意义（P<0.001）。CIRT计划的GI和V5/VPTV显著低于任意一种光子放疗计划（P<0.001）。危及器官如肝脏、小肠、心脏、胃的受照剂量较小，但差异无统计学意义；脊髓剂量随靶区最大剂量变化，差异亦无统计学意义。CIRT不仅降低了肺的平均照射剂量，还显著减少了肺的低剂量照射体积。
[结论] 与光子的3DCRT、IMRT、VMAT计划相比，CIRT在治疗胸椎转移癌时能够有效降低双肺的辐射剂量，同时保证靶区的处方剂量覆盖率和剂量均匀性。
主题词： 胸椎转移癌；碳离子放射治疗；光子放疗；剂量学
中图分类号： R730.55
文献标识码： B
文章编号： 1671-170X（2022）05-0424-04
doi： 10.11735/j.issn.1671-170X.2022.05.B014
椎体转移癌是继肺转移癌和肝转移癌之后的第三大常见转移癌。 椎体转移癌可破坏正常骨组织，引起疼痛、高钙血症、病理性骨折及神经压迫等症状。这类患者大多接受以姑息治疗为主的放射治疗。放射治疗不仅可以缓解疼痛、预防病理性骨折、阻止局部病变进展，还有可能促进神经功能恢复，是椎体转移瘤的首选治疗方法［1-10］。
碳离子放射治疗具有显著的物理学优势，可更有效地保护正常组织。射线进入人体后，在极短时间窗内于肿瘤区域沉积大量能量，形成狭窄而陡峭的布拉格峰，随后能量迅速衰减。射线的能量决定了布拉格峰的深度。此外，碳离子属于高线性能量传递（linear energy transfer，LET）射线，其高LET特性可直接破坏DNA双链，从而提高临床疗效，尤其对于具有抗光子特性的肿瘤细胞更具优势。
碳离子还具有有限的射程、效应放大至少5~6倍、对肿瘤细胞的杀伤不依赖于细胞周期和氧环境等特点。临床可根据肿瘤周围正常组织情况，灵活选择单次或多次分割照射方案。此外，碳离子还具备免疫增强效应、远隔效应和旁观者效应等优势，因此在全球范围内正被越来越广泛地接受和推荐［11-12］。
1 资料与方法
1.1 患者与图像获取
2020 年 8 月至 2021 年 4 月甘肃省武威肿瘤医院重离子中心 10 例胸椎转移癌患者接受三维适形(three-dimensional conformal radiotherapy，3DCRT)、调强放射治疗(intensity modulated radiotherapy，IMRT)、容积旋转调强放疗(volumetric modulated arc therapy，VMAT)、碳离子放射治疗(carbon ion radiothera-py，CIRT)中一种放疗。 患者 CT 定位采用仰卧位或俯卧位，定位前 4 h 禁食，层厚 3 mm 扫描。 CT 扫描被传到治疗计划系统，并与核磁 MRI 扫描图像融合以勾画靶区。 靶区勾画原则遵循国际辐射单位和测量委员会(ICRU)第 50、62、83 号报告的建议。
1.2 靶区定义
肿瘤靶区(gross target volume，GTV)勾画主要通过 CT、增强 MRI、PET-CT 检查的信息来确定。 临床靶区(clinical target volume，CTV)为 GTV 外扩 5 mm 以覆盖亚临床病灶， 在危及器官处限制为外放最小 1 mm。 为消除摆位误差和剂量分布的不确定性，计划靶区(planning target volume，PTV)的勾画为 CTV 外放 3~6 mm 边界。
1.3 治疗方案
CIRT 计划使用 ciPlan 重离子治疗计划系统，3DCRT、IMRT、VMAT 计划使用 Eclipse 15.6 治疗计划系统。 本研究中 CIRT 的处方剂量为 30 Gy /10 F，3DCRT、IMRT、VMAT 的 处 方 剂 量 为 30 Gy/10 F。95%等剂量线应覆盖 PTV， 计划都是由至少两名医生、一名剂量学家和一名资深物理学家共同完成。
1.4 研究指标
研究指标主要包括对靶区的剂量覆盖、 适形度指数(conformity index，CI)、均匀性指数(homogeneity index，HI)、梯度指数（gradient index，GI）及低贡献率等参数。
根据确定 PTV 适形性的标准公式计算，靶区 CI 表达式如下(1)式，其中 PTVref 表示处方剂量线包绕的靶区体积，VPTV 为靶区体积，Vref 为处方剂量线所包绕的总体积。 CI 数值越接近 1，说明适形度越好。
靶区 HI 表达式如下(2)式，其中 D2 为 2%靶体积所接受的剂量，D98 为 98%靶体积所接受的剂量，D50 为 50%靶体积所接受的剂量。 HI 指数越接近于 0，均匀性指数越好。
GI 表达式如下(3)式，评估靶体积之外的剂量衰减，其中 PIV1/2 为 50%处方剂量等剂量线包绕的体积，PIV 为处方剂量等剂量线包绕的体积。
低剂量贡献用(4)式计算，式中 V5 为 5 Gy 等剂量线包绕的体积，VPTV 为靶区体积。
对于 PTV 和危及器官，评估剂量分布和剂量 - 体积直方图(dose volume histogram，DVH)。对每个危及器官和每个计划采用平均剂量 Dmean，接受固定剂量的体积（如双肺 V5 为双肺接受 5 Gy 剂量的体积）指标评估。
1.5 统计学处理
统计分析采用 SPSS 22.0 软件包。计量资料用均数±标准差表示，行 t 检验或方差分析；如果不满足 t 检验或方差分析条件，行非参数检验。检验水准α = 0.05。
2 结 果
2.1 靶区剂量覆盖
CIRT 计划的靶区覆盖率为 95.30% ± 0.57%，3DCRT、IMRT、VMAT 计划的覆盖率均为 95%。CIRT 计划靶区的 CI 与 3DCRT 无统计学差异；但 IMRT、VMAT 的 CI 优于其他两组（P ＜ 0.001）。CIRT、IMRT、VMAT 三组靶区 HI 无统计学差异，但与 3DCRT 相比有统计学差异（P ＜ 0.001）（Table 1）。
2.2 靶外剂量梯度
剂量分布截图（Figure 1）最外层蓝色曲线代表 5 Gy 等剂量曲线，中间层粉红色曲线代表处方剂量的一半，即 15 Gy 等剂量曲线，图 a 中红色区域及图 b、c、d 中实心剂量显示区域均代表处方剂量 30 Gy 覆盖的区域。可以看出，三组光子计划的低剂量区体积分布相似，而重离子计划靶区外正常组织的低剂量区体积明显小于光子计划。10 组计划的 GI 和放疗计划低剂量贡献的数据（Table 2 ）可以看出，重离子计划的 GI 和 V5/VPTV 的数值均明显低于光子计划（P < 0.001）。
2.3 危及器官受量
4 组计划中危及器官肾脏、胃、小肠等受照量小且无统计学差异。CIRT 与 IMRT 计划脊髓的最大量无统计学差异；但与 3DCRT、VMAT 计划相比，脊髓受照量少，且具有统计学差异。脊髓受照量虽有统计学差异，但无临床意义，且其与靶区最大量的趋势相同（Table 3）。
CIRT 计划的左肺和右肺 V5 及 Dmean 明显优于 3DCRT、IMRT、VMAT 计划(P 均 < 0.001)。直方图分析肺 Dmean 和 V5(Figure 2~3)，可以很明显地看出，3 种光子计划中，肺的低剂量区体积和平均剂量均与靶区所在层面所占肺层面的比例呈正相关，但重离子计划可明显降低双肺低剂量区体积以及肺的平均剂量，尤其在靶区占据肺更多层面的病例中差距更为显著。在 CIRT 计划中，肺部平均剂量和低剂量的体积均远低于 3DCRT、IMRT 和 VMAT 光子计划，且呈现出光子计划肺部剂量越高，差异越明显的趋势。
3 讨 论
根据靶区的对比结果，IMRT 与 VMAT 计划的适形度指数明显优于 CIRT 与 3DCRT；CIRT、IMRT、VMAT 3 组靶区均匀性指数无统计学差异，但与 3DCRT 相比有明显优势。因此 CIRT 计划比 3DCRT 计划对靶区剂量分布是存在优势的。
重离子计划的 GI 指数以及 V5/VPTV 均远低于 3 种光子计划，均匀性指数优于同为适形计划的 3DCRT 计划，这就是重离子束独特的物理学优势的体现。重离子计划的 CI 劣于 IMRT 与 VMAT 计划，这是由于我们选取均匀扫描，计划系统并未加入对靶区全方位适形的优化，说明重离子计划有很大的提升空间。重离子还有生物学优势，可直接造成 DNA 双链断裂，无视乏氧细胞对放射线的低敏感度，也可无视细胞再修复所带来的剂量分次的影响，更利于患者的治疗。
重离子明显的剂量学优势就是降低受照体积，正常组织的体积量均可低于光子计划，尤其是低剂量区体积。本文选取的胸椎转移癌计划中，肺的低剂量区体积 V5 和平均剂量 Dmean 直接决定放射性肺炎发生概率［13］。
对于光子计划，如受照椎体较多，且均在肺所在的层面，则低剂量区体积可能会非常大；重离子计划对肺的低剂量贡献很小，几乎与靶区所占肺的层面比例无关。本文所选 1 例病例中光子计划双肺 V5 最大可达到 65.03%，而该病例重离子计划双肺 V5 仅为 8.25%。由此可见，对于椎体转移患者，尤其是对累及多段胸椎的患者，靶区较长，重离子治疗可大幅度地减少放射性肺炎发生的概率。由于重离子降低受照体积的特点，重离子对保护周围器官有很大的优势。未来将更好地研究重离子放射治疗技术，造福更多肿瘤患者。
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