重离子二维治疗计划与RapidArc治疗计划在多发脑转移瘤治疗中的剂量学比较

重离子二维治疗计划与RapidArc治疗计划在多发脑转移瘤治疗中的剂量学比较

王紫珩¹ 寇海瑞 马霄云¹ 张雁山² 秦天燕² 郭梅菊² 孟万斌¹ 孟莉¹

(甘肃省武威肿瘤医院，甘肃武威733000 1放射治疗物理室；2放射治疗科)

[摘要] 目的 比较重离子二维治疗计划与基于多叶准直器的RapidArc治疗计划在多发脑转移瘤治疗中的剂量学差异。方法 对2020年5月—2021年5月甘肃武威肿瘤医院收治确诊且已进行RapidArc或重离子二维治疗的多发脑转移瘤患者12例(每例患者脑转移瘤3～5个),再分别设计重离子二维治疗计划与RapidArc治疗计划，分析比较二种治疗计划的剂量学指标。结果 RapidArc治疗计划与重离子二维治疗计划比较，靶区均匀性指数(HI)、剂量梯度指数(GI)差异有显著性(t=6.199,z=-4.100,P<0.05),而适形度指数(CI)差异无显著性(P>0.05)。在低剂量区(V₅、V₁₀及V₁₅)重离子二维治疗计划正常脑组织受照体积小于RapidArc治疗计划(t=4.285、3.441,z=-2.309,P<0.05),高剂量区(V₃₀)重离子二维计划正常脑组织受照体积大于RapidArc治疗计划(z=-3.233,P<0.05),在中剂量区(V₂₀、V₂₅)二种治疗计划差异无显著性(P>0.05)。两种治疗计划危及器官最大剂量除脑干差异无显著性外(P>0.05),重离子二维治疗计划患者左右视神经、视交叉与左右晶体最大受照剂量均明显低于RapidArc治疗计划(z=-4.315~-2.488,P<0.05)。结论 在保证靶区处方剂量覆盖的前提下，由于重离子特有的剂量学特点，在低剂量区(V₅、V₁₀及V₁₅)使正常脑组织受照体积减少，能够更好地保护正常脑组织，且可以有效地保护危及器官。

[关键词] 重离子放射疗法；光子放射治疗；RapidArc；放射疗法，调强适形；放射治疗剂量；脑肿瘤；肿瘤转移；剂量学比较

[中图分类号] R815;R739.41 [文献标志码] A

DOSIMETRIC COMPARISON OF TWO-DIMENSIONAL HEAVY ION TREATMENT PLAN VERSUS RAPIDARC TREATMENT PLAN IN THE TREATMENT OF MULTIPLE BRAIN METASTASES WANG Ziheng,KOU Hairui,MA Xiaoyun,ZHANG Yanshan,QIN Tianyan,GUO Meiju,MENG Wanbin,MENG Li (Department of Radiation Physics,Gansu Wuwei Tumor Hospital,Wuwei 733000,China)

[ABSTRACT] Objective To compare the dosimetric difference between two-dimensional heavy ion treatment plan and RapidArc treatment plan based on a multi-leaf collimator in the treatment of multiple brain metastases. Methods A total of 12 patients with multiple brain metastases(3-5 brain metastases for each patient)who were admitted to Gansu Wuwei Tumor Hospital from May 2020 to May 2021 and were diagnosed and treated with RapidArc or two-dimensional heavy ion treatment were enrolled,and the two-dimensional heavy ion treatment plan and the RapidArc treatment plan were redesigned for each patient.The two treatment plans were compared in terms of dosimetric parameters. Results There were significant differences between the RapidArc treatment plan and the two-dimensional heavy ion treatment plan in homogeneity index and gradient index(t=6.199,z=-4.100,P<0.05),while there was no significant difference in conformity index between the two treatment plans(P>0.05).In the low-dose region(V₅,V₁₀,and V₁₅),the two-dimensional heavy ion treatment plan had a significantly lower irradiated volume of normal brain tissue than the RapidArc treatment plan(t=4.285,3.441,z=-2.309,P<0.05);in the high-dose region(V₃₀),the two-dimensional heavy ion treatment plan had a significantly higher irradiated volume of normal brain tissue than the RapidArc treatment plan(z=-3.233,P<0.05);there was no significant difference between the two treatment plans in the middle dose region(V₂₀ and V₂₅)(P>0.05).As for the maximum dose of the organs at risk,compared with the RapidArc treatment plan,the two-dimensional heavy ion treatment plan had significantly lower maximum doses of the left and right optic nerves,the optic chiasm,and the left and right lens(z=-4.315~-2.488,P<0.05),while there was no significant difference in the maximum dose of the brainstem between the two treatment plans(P>0.05). Conclusion Under the premise of guaranteeing the dose coverage of target volume,heavy ion treatment has unique dosimetric features and can reduce the irradiated volume of normal brain tissue in the low-dose region(V₅,V₁₀,and V₁₅)and better protect normal brain tissue and the organs at risk.

[KEY WORDS] Heavy ion radiotherapy;Photon radiation therapy;RapidArc;Radiotherapy,intensity-modulated;Radiotherapy dosage;Brain neoplasms;Neoplasm metastasis;Dosimetric comparison.

全球每年约有17万癌症患者发生脑转移[1]，成人癌症患者脑转移的发生率约为10%～20%[2]，且发生率在逐年增高[3]，其中70%～80%患者为多发转移[4]。随着放射治疗技术的发展，多发脑转移无法手术的患者也可通过放射治疗达到预期的临床效果[5-6]，从而显著延长患者的生存期。RapidArc是一种基于直线加速器的光子放射治疗技术，该技术利用多叶准直器(MLC)运动结合旋转机架运动，通过改变实时剂量率和调节不同入射角度的剂量通量，实现容积旋转调强(VMAT)，以一个治疗等中心同时对多个脑转移瘤进行治疗，体现出较高的治疗效率和剂量覆盖优势[7]。重离子放射治疗是目前最先进的肿瘤放射治疗技术之一，与光子放疗不同，重离子射线可以形成布拉格峰且具有较高的生物学效应，通过控制粒子在各设备及人体中的精确输运，使能量释放于肿瘤靶区，从而达到更好的物理剂量分布、更强的生物学效应、更高的局部控制率和更低的副作用[8]。本研究针对我院确诊为肿瘤多发脑转移患者，分别设计RapidArc治疗计划与重离子二维治疗计划，并对两种计划的剂量学指标进行比较。

​​1 对象与方法​​

​​1.1 研究对象​​

选取2020年5月—2021年5月甘肃武威肿瘤医院收治确诊的肿瘤多发脑转移患者12例，其中经重离子技术治疗的患者3例，经RapidArc技术治疗的患者9例。在12例患者中男6例，女6例；年龄42～76岁，中位年龄57岁。每例患者脑转移瘤3~5个，总计45个，转移瘤体积1.028～8.860 cm³，平均体积4.139 cm³。

​​1.2 设备与系统​​

RapidArc治疗计划使用的设备为VitalBeam双光子直线加速器(能量6 MV)，采用Eclipse 15.1治疗计划系统(Varian, 美国)进行计划设计，MLC (Varian, 美国)共有60对独立MLC叶片，中心40对叶片的宽度为5 mm，两端各10对叶片宽度均为10 mm。重离子二维治疗计划使用设备为碳离子治疗系统HIMM-01-GS-WW-1(兰州科近泰基新技术有限公司)，采用ciPlan治疗计划系统(上海大图医疗科技有限公司、中国科学院近代物理研究所)进行计划设计，附件(兰州科近泰基新技术有限公司)包括脊形过滤器(30～120 mm)、射程移位器(最小精度0.5 mm)、MLC(50对独立叶片，宽度8 mm)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)治疗用补偿器(纵向分辨率0.1 mm，横向分辨率4.0 mm)。

​​1.3 治疗计划的设计​​

收集患者的影像资料用于计划设计，12例患者影像资料均使用大孔径CT模拟定位机(西门子，德国)进行采集。然后分别进行RapidArc治疗计划与重离子二维治疗计划设计。两种计划设计均参考RTOG(Radiation Therapy Oncology Group)0933报告以及临床要求，对患者进行计划靶区(PTV)勾画，并规定处方剂量应覆盖95% PTV，即PTV的V₃₀≥95%，同时尽量降低正常组织受照剂量。

​​1.3.1  患者影像资料的选择与处理​​ 进行RapidArc治疗计划设计时，选择患者CT影像资料为：患者体位为仰卧位；使用负压袋及热塑膜配合进行了头枕的固定，并配合使用了CIVICO定位板(德国)；薄层1.5 mm扫描。进行重离子二维治疗计划设计时，由于机架角度固定，需在定位前考虑射野入射角度，故选择患者CT影像资料为：根据治疗需要和患者情况选择俯卧位或仰卧位资料，必要时两种体位结合使用；仰卧位时头部定位方法与RapidArc治疗计划的要求相同，俯卧位时定位使用的是可塑发泡胶与热塑膜配合CIVICO定位板；薄层1.5 mm扫描。由于RapidArc治疗技术中，加速器机架可以360°旋转，对于经重离子二维治疗的3例患者的影像资料，进行RapidArc治疗计划设计时，不需做特殊处理；但对已经RapidArc治疗的9例患者的影像资料进行重离子二维治疗计划设计时，则需要充分考虑射野方向，避免射野直接穿过眼球、视神经、脑干等重要危及器官。

​​1.3.2  RapidArc治疗计划设计​​ 采用Eclipse计划系统中的RapidArc技术(逆向计划)进行设计，优化算法采用各向异性解析算法(AAA)，计算网格为2.5 mm。治疗等中心设置为多个转移瘤的几何中心，设置4条非共面弧形野(图1A)，准直器角度设置为5°~15°(依据弧形野路径上需要规避的危及器官或各转移灶之间位置关系调整弧范围、床角度与准直器角度，尽量保护危及器官，减少对正常脑组织的照射)[9]，铅门X方向设置为≤15 cm。最大治疗剂量率为500 cGy/min[5][6]。所有转移灶均予以处方剂量30 Gy，远离危及器官的靶区规定98%等剂量线包绕100%靶体积，距离危及器官较近的靶区规定95%等剂量线包绕100%靶体积。

​​1.3.3 重离子二维治疗计划设计​​

采用ciPlan重离子治疗计划系统中2D治疗技术进行设计，计划计算网格为2 mm，使用50对MLC进行靶区束流向横截面适形，100 mm PMMA补偿器对靶区后缘作剂量适形。由于目前我院使用的重离子机架角度固定为0°与90°(二维治疗模式)，布野采用就近布野方式，通过改变床角与改变治疗头尽量避开射束路径上的危及器官，同时也尽量避免单野照射，每例患者使用1～4个射野，每射野包含1～3个病灶，所有转移灶均予以处方剂量30 Gy，计划设计方式见图1B。

A:RapidArc治疗计划,B:重离子二维治疗计划

图1 两种治疗计划的布野方式

Fig.1 Distribution patterns of the two treatment plans

1.4 剂量学参数

分别计算每个靶区的剂量适形度指数(CI)、剂量均匀性指数(HI)以及靶区周围剂量梯度指数(GI)。CI值越接近1,适形性越好；HI值越接近0,均匀性越好；GI值越小，剂量梯度越陡。各项指数的计算方法如下：CI=(TVpv)²/(TV×PV),HI=(D₂%一D98%)/Dmean,GI=PV50%/PV[10-12]。其中TV为靶体积，PV为处方剂量等剂量线包绕的体积，TVpv为处方剂量线包绕的靶体积，D₂%为2%靶体积的受照剂量，D_98%则为98%靶体积的受照剂量，D_mean为靶区的平均剂量，PV_50%为50%处方剂量的等剂量线体积。比较危及器官与正常脑组织受照剂量情况，包括正常脑组织V₅、V₁₀、V₁₅、V₂₀、V₂₅、V₃₀,左视神经最大受照剂量D_OLmax,右视神经最大受照剂量D_ORmax,视交叉最大受照剂量D_OCmax,脑干最大受照剂量D_BSmax,左晶体最大受照剂量D_LLmax及右晶体最大受照剂量D_LRmax。

2.结 果

2.1 两种治疗计划的靶区剂量学各项指标比较

两种治疗计划的CI比较，差异无显著性(P>0.05),HI和GI比较，差异具有显著性(t=6.199,t=-4.100,P<0.05)。见表1。

表1 两种治疗计划的CI、HI与GI比较(n=12)

Tab.1 Comparison of CI, HI, and GI between two treatment plans (n=12)

2.2 两种治疗计划的正常脑组织受照体积比较

在低剂量区(V₅、V10及V15)重离子二维治疗计划正常脑组织受照体积显著小于RapidArc治疗计划(t=4.285、3.441,t=-2.309,P<0.05),高剂量区(V30)重离子二维计划正常脑组织受照体积显著大于RapidArc治疗计划(t=-3.233,P<0.05),在中剂量区(V20、V25)二种治疗计划差异无显著性(P>0.05)。见表2。

表2 两种治疗计划正常脑组织受照体积比较(V/cm³,n=12)

Tab.2 Comparison of irradiated volumes of normal brain tissue between the two treatment plans(V/cm³,n=12)

2.3 两种治疗计划各危及器官最大受照剂量比较

重离子二维治疗计划的DOLmax、DORmax、DOCmax、DLLmax、DLRmax均明显低于RapidArc治疗计划(t=-4.315～-2.488,P<0.05),而两种治疗计划的DBSmax比较差异无显著性(P>0.05)。见表3。

表3两种治疗计划各危及器官最大受照剂量比较(D/Gy,n=12)

Tab.3 Comparison of the maximum dose of each organ at risk between the two treatment plans(D/Gy,n=12)

2.4 两种治疗计划的剂量云图及等剂量线图比较

两种治疗计划均能满足临床处方要求，剂量分布云图及等剂量线图显示，两种治疗计划处方剂量能有效覆盖靶区，无热点。重离子二维治疗计划低剂量区显著减少，剂量梯度大，脊髓、延髓几乎零受量(图2A、2B);而RapidArc治疗计划剂量梯度小，整个CT断面基本被10%等剂量线覆盖，大部分被25%等剂量线覆盖，脊髓、延髓被50%剂量区域覆盖(图2C、2D)。重离子二维治疗计划在射野交角处产生小体积高受量区，导致靶外V₃₀升高(图3)。

A、B分别为重离子二维治疗计划的剂量云图和等剂量线图，C、D分别为RapidArc治疗计划的剂量云图和等剂量线图

图2 两种治疗计划剂量云图及等剂量线图差异

Fig.2 Dose cloud and isodose map differences between the two treatment plans

图3 重离子二维治疗计划在两射野相交处产生小体积高剂量区

Fig.3 The 2D treatment plan for heavy ions generates a small volume of high-dose region at the intersection of the two fields

3. 讨 论

大脑是人体最复杂的器官，在放射治疗脑部肿瘤过程中导致的神经系统放射性损伤大多数不可逆，轻则导致患者嗜睡、视力影响、记忆力下降，重则脑组织神经功能减退甚至出现放射性脑坏死[13-15]。有研究指出，即使脑部较低剂量的辐射，也有可能产生放射治疗毒性[16-17]。

RapidArc是一种VMAT治疗方式，区别于固定野调强技术，实现了MLC、剂量率及机架在治疗过程中的协同变化，以获得更强大的剂量调制能力，是调强技术的巨大飞跃，也是目前直线加速器所能达到的最优治疗方式之一[18],可以在一个等中心位置对多个脑转移瘤进行治疗[19]。也有研究报道该技术在脑部转移肿瘤治疗中有着较高的治疗效率和剂量覆盖优势[20]。

随着现代放疗技术的不断进步，全球涌现出了一批使用质子重离子技术的医疗机构，中国科学院近代物理研究所是我国最早开始采用重离子治疗肿瘤的研究机构，目前在国内建设有重离子治疗癌症中心，使用的是该研究所开发的治疗计划系统。重离子治疗系统是本世纪最先进的放射治疗装置之一。由于重离子束特殊的物理特性，重离子治疗系统与常规直线加速器治疗系统在物理及生物剂量分布上有显著差异。

本研究结果显示，两种治疗计划的CI无显著差异，即处方剂量覆盖率两者相同。重离子二维治疗技术所设计的治疗计划HI相比技术成熟的RapidArc技术所设计的治疗计划较差，这是由于重离子二维治疗计划调制能力有限，且采用点剂量归一的方式进行处方剂量的计算，为保证靶区覆盖足够处方剂量，导致剂量均匀性较差；正常脑组织低剂量区(V₅、V₁₀及V₁₅)重离子二维治疗计划受照体积明显减少，GI更佳，由于其独特的物理特性，能够更好地减少低剂量照射范围，减少晶体、视神经、视交叉的最大受照剂量；在正常脑组织的中剂量区(V₂₀及V₂₅),两种治疗计划差异无显著性；正常脑组织高剂量区(V₃₀)重离子二维治疗计划劣于RapidArc治疗计划，这主要是由于重离子二维治疗计划不具有调制能力，仅能在靶区后缘使用补偿器进行适形，为达到较好的靶区适形度，会存在一部分较小的高剂量区，在将来可能实现的笔形束扫描(3DSS)技术中或许可得到改善。

目前质子重离子技术仍处于发展推广阶段，国内使用的重离子设备也仍在优化建设中，还存在部分难题未解决[21-22]。如：①由于设备庞杂导致治疗头角度固定，较难提供非共面射野；②剂量调制方式较少。目前重离子治疗系统使用的方式主要有二维治疗方式(2D)、二维逐层扫描(2DLS)、3DSS,其中3DSS已基本能达到剂量调制的要求，计划系统使用蒙特卡罗算法(Monte Carlo method),使得剂量计算更为准确[23],但由于治疗头角度的固定使得其在空间三维方向调制能力上具有一定的局限性。也有研究表明，即使采用固定治疗头角度，重离子治疗在剂量分布上仍具有一定的优势，如降低危及器官的最大受照剂量与平均剂量，并且可以有效减少放射治疗过程中可能发生的不良反应[24]。

综上所述，重离子治疗作为先进的肿瘤放射治疗手段，在剂量学方面具有不可否认的优势，本研究结果提示在脑转移瘤患者的治疗中，仅使用重离子二维技术进行治疗无法调制其剂量分布，无法在部分剂量学指标(CI、靶区外V30)上与技术已相对成熟的RapidArc技术相比，但由于其优越的物理特性，比如低剂量辐射区减少，在靶区后缘剂量跌落迅速，不在射野入射角度内的危及器官几乎不受辐射等特点，可有效地保护正常器官，使脑部肿瘤的放射治疗拥有更广泛的适应证，从而使患者从中受益。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。

Conflicts of Interest: All authors disclose no relevant conflicts of interest.

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初审：张莉红     复审：张洁