容积旋转调强技术行全脑放疗联合转移灶同期加量治疗脑转移瘤的剂量学研究

王中飞 谭丽娜 孙晓欢 肖锋

作者单位：710032西安第四军医大学西京医院放疗科

容积旋转调强技术行全脑放疗联合转移灶同期加量治疗脑转移瘤的剂量学研究

王中飞 谭丽娜 孙晓欢 肖锋

作者单位：710032西安第四军医大学西京医院放疗科

目的探讨容积旋转调强（volumemodulated arc therapy，VMAT）技术行全脑放疗联合转移灶同期加量治疗脑转移瘤的可行性。方法选取10例行放疗的脑转移瘤患者，每例患者同时设计两种放疗计划：RA计划和Sum计划。RA计划全程采用VMAT技术，全脑照射30 Gy/10 F，同时转移灶同期加量照射45 Gy/10 F；Sum计划全脑适形对穿照射30 Gy/10F后，采用VMAT技术对转移灶局部加量照射15 Gy/5 F。比较两种计划的靶区剂量分布、危及器官及转移灶外脑组织的受照射剂量、机器跳数等。结果两种计划靶区剂量分布均满足临床要求。RA计划靶区适形度指数优于Sum计划（0.99±0.00 vs 0.77±0.05，P<0.001），全脑V35、V40亦显著小于Sum计划（P<0.05），机器跳数较Sum计划减少约12%。结论RA计划的靶区剂量分布可达到或优于Sum计划，能更好地降低转移灶外正常脑组织的受照射剂量，减少机器跳数。应用VMAT技术行全脑放疗联合转移灶同期加量是制定脑转移瘤放疗计划的一种优选方式。

容积旋转调强；脑转移瘤；全脑照射；剂量学

全脑放疗是脑转移瘤患者的常规治疗方式，可延长患者生存时间，改善生存质量［1］。对于选择性脑转移瘤患者，有研究证实全脑放疗联合转移灶局部加量较单纯全脑放疗可显著提高疗效［2］。对于存在3个以下转移瘤的患者，RTOG推荐全脑放疗联合转移灶局部加量为标准治疗方式。全脑放疗联合脑转移灶同期加量作为一种新的治疗方式逐渐受到关注，多个临床研究［3-5］表明全脑放疗联合脑转移灶同期加量是一种治疗脑转移瘤的有效方式，不仅提高了肿瘤局部控制率，且无严重毒副反应。目前容积旋转调强技术（volumemodulated arc therapy，VMAT）在放疗中广泛应用，与传统技术相比，明显减少了治疗时间及机器跳数，且有更优的剂量分布及靶区适形度。本研究比较采用VMAT技术行全脑放疗联合脑转移灶同期加量和全脑适形对穿照射后再用VMAT技术对脑转移灶局部加量两种方式治疗脑转移瘤的剂量学参数，以期为脑转移瘤放射治疗选择最佳模式提供参考。

1 材料与方法

1.1 一般资料

选取2015年于本科室治疗的脑转移瘤患者10例，所有患者均经病理及MRI检查确诊为脑转移瘤且行放疗。其中男性7例，女性3例，年龄37～70岁，中位年龄56岁；存在1个转移灶3例，2个转移灶4例，3个转移灶3例；原发肿瘤为直肠腺癌2例，肺腺癌6例，肺鳞癌2例。所有患者均签署知情同意书。

1.2 CT定位与靶区勾画

所有患者均取仰卧位，头颈肩热塑膜固定，采用荷兰飞利浦公司Big Bore大孔径CT模拟定位机行CT扫描。扫描范围为颅顶至环状软骨，层厚、螺距均为3mm。根据MRI图像勾画肿瘤靶区（gross tumor volume，GTV），临床靶区(clinical target volume，CTV）为全脑部分。将GTV与CTV在三维方向均匀外扩3mm得到全脑计划靶区（planning targetvolume，PTV）和脑转移瘤计划靶区（planning gross target volume，pGTV）。

1.3 计划设计

采用美国瓦里安公司Eclipse 8.9治疗计划系统设计治疗计划，全脑预防照射PTV剂量为30Gy/10 F，转移病灶pGTV剂量为45 Gy/10 F。每例患者设计两种计划：RA计划和Sum计划。RA计划：全程采用VMAT技术，全脑预防照射30 Gy，同时转移灶照射45 Gy；采用两弧照射，机头角度分别为5°和355°，治疗床角度为0°，X方向铅门采用非对称设计，即第一弧机架顺时针旋转时X1＝10（或11）cm、X2＝5（或4）cm，第二弧机架逆时针旋转时X1＝5（或4）cm、X2＝10（或5）cm。Sum计划：全脑适形对穿照射30 Gy/10 F后，采用VMAT技术对转移灶局部加量照射15 Gy/5 F；全脑适形对穿机架角度为90°和270°，VMAT计划顺时针、逆时针各转1圈，两弧的机头角度分别为5°和355°，治疗床角度为0°，VMAT计划在适形对穿计划的基础上进行优化设计。采用美国瓦里安公司带120片MLC的iX加速器6 MV X线治疗。

1.4 计划评估

比较两种计划的靶区剂量分布图、剂量体积直方图（dosevolumehistogram，DVH）、适形度指数（conformity index，CI）、机器跳数（monitor unit，MU）和危及器官受照射剂量，包括双侧视神经、晶体、脑干、视交叉、双侧眼球、全脑V35、全脑V40。靶区适形度指数CI＝（VT,ref/ VT）×（VT,ref/Vref），式中VT为靶体积，VT,ref为参考等剂量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的体积，这里参考等剂量面取95%的处方剂量线。当计算靶区的CI＝1时，靶区适形度最高。

1.5 统计学处理

采用SPSS 20.0统计软件分析数据，数据以均数±标准差（±s）表示，RA计划和Sum计划各参数比较行配对t检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两种计划的剂量分布图比较

观察其中1例患者RA计划和Sum计划在相同CT层面的横断面、矢状面、冠状面的剂量分布图，可见RA计划剂量梯度更陡峭，转移灶靶区周围的剂量跌落更快，转移灶外35 Gy以上范围明显小于Sum计划。DVH图亦可看到RA计划PTV高剂量区小于Sum计划。见图1。

2.2 两种计划的靶区剂量评估

两种计划靶区均可满足临床要求。两种计划PTV和pGTV的最大剂量、最小剂量、平均剂量差异均无统计学意义（P＞0.05），见表1。但RA计划靶区PTV的适形度指数优于Sum计划（0.99±0.00 vs 0.77±0.05，P<0.001）。

表1 Sum计划和RA计划靶区剂量的比较［（±s）Gy］

表1 Sum计划和RA计划靶区剂量的比较［（±s）Gy］

靶区Sum计划RA计划P pGTV Dmax 46.9±0.7 47.1±0.6 0.515 Dmin 45.4±0.3 45.2±0.4 0.053 Dmean 46.0±0.5 46.2±0.2 0.159 PTV Dmax 41.3±4.2 41.0±4.3 0.137 Dmin 29.7±0.4 29.7±0.3 0.727 Dmean 32.3±1.0 31.9±0.6 0.218

图1 RA计划和Sum计划的剂量分布图

2.3 两种计划的危及器官受照射剂量比较

RA计划双侧视神经（左视神经和右视神经）和双侧眼球（左眼球和右眼球）最大剂量均低于Sum计划（P<0.05），双侧晶体最大剂量高于Sum计划（P<0.05）。脑干、视交叉、双侧眼球的平均剂量差异无统计学意义（P＞0.05）。见表2。

2.4 正常脑组织受照射剂量比较

RA计划全脑V35和V40显著小于Sum计划［（206.9± 140.8）cc vs（97.4±46.3）cc，P=0.006）；（61.2±43.2）cc vs（45.8±29.8）cc，P=0.024］，说明RA计划转移灶外正常脑组织受照射剂量显著小于Sum计划。

2.5 机器跳数的比较

RA计划的机器跳数为（594.3±45.7）MU，Sum计划机器跳数为（672.3±63.3）MU，差异有统计学意义（P=0.010），RA计划机器跳数较Sum计划约减少12%。

表2 Sum计划和RA计划危及器官受照射剂量比较［（±s）Gy］

表2 Sum计划和RA计划危及器官受照射剂量比较［（±s）Gy］

器官Sum计划RA计划P脑干Dmax 35.0±5.1 35.5±5.7 0.429左眼球Dmax 29.3±4.6 23.6±2.9 0.011 Dmean 9.9±1.8 9.7±0.9 0.756右眼球Dmax 28.1±3.6 22.8±4.2 0.011 Dmean 8.7±1.8 9.2±1.2 0.115左晶体Dmax 4.4±0.7 5.2±0.6 0.007右晶体Dmax 4.1±0.7 5.2±0.6 0.001视交叉Dmean 32.4±2.9 31.6±0.7 0.374左视神经Dmax 31.9±1.9 27.9±0.9<0.001右视神经Dmax 32.1±1.8 28.4±1.0<0.001

3 讨论

全脑放疗是治疗脑转移瘤的重要方法之一，联合局部外科手术、立体定向放疗很大程度上改善了脑转移瘤患者的预后［6］。随着脑转移瘤患者生存期延长，学者开始关注放疗对患者相关认知功能造成的损害。严沁等［7］认为50%～90%的患者在颅脑放疗后生存可超过6个月，但易引起认知功能障碍。Warrington等［8］研究发现，全脑放疗导致的认知功能损害广泛存在，临床表现为轻度认知功能障碍甚至严重痴呆。目前常规治疗方式主要采用两程计划，即对全脑适形对穿照射后再用三维适形或调强技术对转移灶进行局部加量，这种方式的两程计划需单独设计，剂量的叠加难以控制，易在转移灶外形成高剂量区，增加正常脑组织的放射损伤。因此，如何提高脑转移灶照射剂量的同时，尽可能地减少正常脑组织的放射损伤是目前临床亟待解决的问题。VMAT技术本质上是调强放疗的一种，不同之处在于出束过程中机架在旋转，MLC在运动，剂量率在变化，能够大幅度减少机器跳数、缩短治疗时间，且有更优的剂量分布及靶区适形度。

VMAT技术是一种高效的调强技术。宁丽华等［9］报道在脑转移瘤患者同步加量治疗中，应用VMAT技术能显著提高肿瘤靶区的剂量分布及适形度、减少周边重要器官受照射剂量及体积，从而降低放疗毒副反应发生率。多位学者［10-11］亦报道了VMAT技术治疗脑转移瘤安全可行，可有效提高靶区剂量分布的均匀性、降低危及器官受照射剂量、缩短治疗时间。周钢等［12］报道在脑胶质瘤术后放疗中同步加量技术比序贯加量技术更能保护肿瘤周围的正常脑组织，同时减少治疗时间。Lagerwaard等［13］在其研究中发现应用Rapid Arc进行全脑照射并同期推量治疗脑转移瘤较常规WBRT+SRT方式有更优的全脑及转移灶靶区剂量分布和适形指数，转移灶以外的正常脑组织受照射剂量下降梯度较SRT陡峭。本研究也得出相似结果，发现RA计划在优化过程中将全脑和转移灶同时进行优化设计，避免了Sum计划中全脑预防照射和转移灶加量计划的剂量直接叠加，显著降低了正常脑组织的受照射剂量，减少了脑组织的放射损伤。在靶区剂量分布方面，两种计划靶区剂量分布差异无统计学意义，均能够满足临床要求。但RA计划在全脑照射PTV适形度方面优于Sum计划，原因可能由于全脑预防照射计划靶区体积较大，在设计RA计划时，X方向铅门根据计划等中心位置和PTV大小采用非对称设计，可较好实现PTV适形覆盖；而Sum计划一方面由于简单适形对穿野照射了其他组织，另一方面为了避免晶体受过多照射，一般用多叶光栅叶片在BEV方向遮挡晶体，但同时也遮挡了部分靶区，造成靶区适形度降低。在危及器官保护方面，由于靶区和危及器官的位置关系，RA计划相对Sum计划能更好保护双侧视神经、双侧眼球，但由于VMAT计划360°旋转，从各个角度出束照射，在危及器官低剂量范围保护中没有优势。RA计划对左右晶体的保护没有优势［14］，特别是晶体距离转移灶较近时，但从数据结果分析，晶体受照射剂量仍能限定在较低的耐受范围内。RA计划的机器跳数较Sum计划约减少了12%。说明RA计划不但可降低加速器的机械损耗，还可降低治疗过程中总体散射水平，减少患者治疗过程中受到不必要散射线照射，降低了二次致癌风险［15］。

综上所述，应用VMAT技术行全脑放疗联合转移灶同期加量治疗脑转移瘤，与常规全脑照射后再对转移灶局部加量比较，前者有相当或更优的全脑及病灶靶区剂量覆盖和适形指数，尤其在保护转移灶外正常脑组织中有显著优势，是制定脑转移瘤放疗计划的一种优选方式。

［1］殷蔚伯，余子豪，徐国镇.肿瘤放射治疗学［M］.北京：中国协和医科大学出版社，2008：1200-1201.

［2］Andrews DW，Scott CB，Sperduto PW，et al.Whole brain radiation therapy with or without stereotactic radiosurgery boost for patients with one to three brain metastases：phaseⅢresults of the RTOG 9508 randomised trial［J］.Lancet，2004，363（9422）：1665-1672.

［3］Edwards AA，Keggin E，Plowman PN.The developing role for intensity-modulated radiation therapy（IMRT）in the non-surgical treatment of brainmetastases［J］.Br JRadiol，2010，83（986）：133-136.

［4］Zhou L，Liu J，Xue J，etal.Wholebrain radiotherapyplussimultaneousinfield boost with image guided intensity-modulated radiotherapy for brainmetastasesofnon-small cell lung cancer［J］.Radiat Oncol，2014，9：117.

［5］Giaj LevraN，SicignanoG，Fiorentino A，etal.Wholebrain radiotherapy with hippocampal avoidance and simultaneous integrated boost for brain metastases：a dosimetric volumetric-modulated arc therapy study［J］.Radiol Med，2016，121（1）：60-69.

［6］Hsieh J，Elson P，Otvos B，etal.Tumor progression in patient receiving adjuvant whole-brain radiotherapy vs localized radiotherapy after surgical resection of brain metastases［J］.Neurosurgery，2015，76（4）：411-420.

［7］严沁，陈晓品.颅脑放疗引起认知功能障碍的研究现状［J］.中华肿瘤防治杂志，2014，21（23）：1925-1928.

［8］Warrington JP，Ashpole N，Csiszar A，et al.Whole brain radiationinduced vascular cognitive impairment：mechanisms and implications［J］.JVasc Res，2013，50（6）：.445-447.

［9］宁丽华，赵桂芝，张磊，等.全脑放疗伴随1～4个脑转移瘤同期加量不同调强技术的剂量学研究［J］.中国医学物理学杂志，2016，33（2）：128-133.

［10］Hsu F，Carolan H，Nichol A，et al.Whole brain radiotherapy with hippocampal avoidance and simultaneous integrated boost for 1-3 brain metastases：a feasibility study using volumetric modulated arc therapy［J］.Int JRadiat Oncol Biol Phys，2010，76（5）：1480-1485.

［11］Oehlke O，Wucherpfennig D，Fels F，et al.Whole brain irradiation with hippocampal sparing and doseescalation on multiple brain metastases［J］.Strahlenther Onkol，2015，191（6）：461-469.

［12］周钢，田野，陆雪官，等.同步加量技术应用于脑胶质瘤术后调强放疗的剂量学研究［J］.中国医学物理学杂志，2014，31（2）：4727-4729.

［13］Lagerwaard FJ，van der Hoorn EA，Verbakel WF，et al.Whole-brain radiotherapy with simultaneous integrated boost to multiple brain metastases using volumetric modulated arc therapy［J］.Int Radiat Oncol Biol Phys，2009，75（1）：253-259.

［14］林秀桐，孙涛，尹勇，等.旋转调强与固定野逆向调强放疗在颅脑多发转移瘤中的剂量学比较研究［J］.中华医学放射与防护杂志，2010，30（5）：585-590.

［15］Zwahlen DR，Ruben JD，Jones P，et al.Effect of intensity-modulated pelvic radiotherapy on second cancer risk in the postoperative treatment of endometrial and cervical cancer［J］.Int JRadiat Oncol Biol Phys，2009，74（2）：539-545.

［2017-03-03收稿］［2017-04-12修回］［编辑罗惠予］

W hole-brain radiotherapy involving a simultaneous integrated boost to brain metastases using volumetricmodulated arc therapy：a dosimetric study

Wang Zhongfei，Tan Lina，Sun Xiaohuan，Xiao Feng（Department of Radiation Oncology，Xijing Hospital，The Fourth Military Medical University，Xi'an 710032，P.R.China）

Xiao Feng.E-mail：xiaofeng@fmmu.edu.cn

Objective To perform a dosimetry study of the RapidArc technique for whole-brain radiotherapy involving simultaneous integrated boost（SIB）to brainmetastases（BM）using volumetric modulated arc therapy（VMAT）.M ethods Ten patients diagnosed with brain metastases were randomly selected and two treatment plans were designed for each patient.The RA plan involved wholebrain VMAT（30 Gy）and SIB to BM（45 Gy）delivered in 10 fractions.The Sum plan involved whole-brain 3DCRT（30 Gy）and SIB with VMAT to BM（15 Gy）delivered in 5 fractions.Resultswere compared using dose-volume histogram analysis.Results Both plansmet the clinical requirements.Target conformity was better for the RA plan（0.99±0.00）than for theSum plan（0.77±0.05；P<0.001）. V35and V40to brain were significantly lower in the RA plan than in the Sum plan（P<0.05）.Averagemonitor unitswere 12%smaller with the RA plan than with the Sum plan.Conclusions The RA plan was similar to the Sum plan or better in terms of target dose distribution，monitor units and irradiation of some organs at risk，especially the normal brain tissue beside the metastases.These results suggest thatwhole-brain radiotherapy with SIB to BM using VMAT is superior for treating brain metastases.

Volumetricmodulated arc therapy；Brainmetastases；Whole brain radiotherapy；Dosimetry

R739.91，R730.55

A

1674-5671（2017）03-05

10.3969/j.issn.1674-5671.2017.03.09

国家自然科学基金资助项目（81372422）

肖锋。E-mail：xiaofeng@fmmu.edu.cn