肺体积分段优化技术对乳腺癌根治术后VMAT 的剂量学影响研究

罗 佳，肖 何，刘岩海，耿明英，周 鹏

（陆军军医大学大坪医院肿瘤科，重庆 400042）

0 引言

乳腺癌是全球新发病例第一的癌症[1]，其主要治疗方法包括手术治疗、放射治疗和化学药物治疗。其中，放射治疗是乳腺癌根治术后辅助治疗的主要手段，乳腺癌根治术后分期达T3、N2 和N1 伴高危因素的患者均建议行胸壁和区域淋巴结放射治疗，可显著降低肿瘤局部复发率，从而提高患者的无疾病生存期和总生存期[2-3]。

乳腺癌根治术后常用的放射治疗方式主要包括三维适形放射治疗（3-dimensional conformal radiotherapy，3DCRT）、调强放射治疗（intensity-modulated radiation therapy，IMRT）、容积旋转调强放射治疗（volumetric modulated arc therapy，VMAT）以及3DCRT 和IMRT 的联合治疗。VMAT 技术能提供更好的剂量分布、缩短治疗时间，应用广泛[4-6]。乳腺癌根治术后放射治疗照射范围包括患侧胸壁及锁骨上淋巴结区域，靶区呈弯曲状态，射线穿过靶区的同时不可避免地会穿过肺、心脏等危及器官（organ at risk，OAR）。而肺受照射剂量和体积过高时，会增加放射性肺炎发生的风险，心脏受量的大小也与心脏疾病发生风险呈正相关。乳腺癌根治术后放射治疗的患者生存期较长，肺和心脏受量过高引发的放射治疗晚期毒性反应会严重影响患者的生活质量[7-9]。目前的研究中，VMAT 技术虽然具备剂量分布均匀和治疗时间短的优点，但对OAR 的保护能力较差，所以降低OAR受照射体积和剂量是目前乳腺癌根治术后行VMAT需解决的难题[10-11]。

在临床工作中，乳腺癌根治术后行VMAT 无法很好地控制患者肺和心脏的受量。故本研究通过比较在乳腺癌根治术后VMAT 计划设计时采用肺体积分段技术与不采用肺体积分段技术的剂量学差异，探索一种适用于VMAT 的肺体积分段优化技术以降低肺的受照射体积和剂量。

1 资料和方法

1.1 一般资料

回顾性选取40 例2020 年1 月至2021 年8 月于陆军特色医学中心接受VMAT 的乳腺癌根治术后患者，年龄为29～72 岁，平均年龄（54.2±11.25）岁，其中左侧乳腺癌患者20 例、右侧乳腺癌患者20 例。纳入标准：乳腺癌根治术后，病理分期为Ⅱ、Ⅲ期，放射治疗照射范围均包括患侧胸壁、锁骨上、锁骨下、部分高危腋窝淋巴结和内乳淋巴结的患者。排除标准：（1）接受保留乳房的乳腺癌切除术的患者；（2）有远处转移的患者；（3）未明确组织学病理的患者；（4）既往接受过乳腺放射治疗的患者。采用Monaco 治疗计划系统（版本号：5.11）为每例入组患者设计2 个VMAT计划，使用肺体积分段技术进行限制的记为试验组，未采用肺体积分段技术的记为对照组。

本研究已通过本院伦理委员会审批（审批号：医研伦审2021 第159 号），由于本研究是基于患者治疗结束后的研究，不影响治疗过程，已申请免除患者知情同意。

1.2 CT 模拟定位、靶区及OAR 勾画

所有患者均头朝机架，仰卧于碳纤维一体板，双手举过头顶并抓住手柄，在手术区域胸壁上放置1 cm 厚的硅胶作为组织填充物（以提高皮肤表面剂量），由颈胸一体热塑膜固定。使用飞利浦公司16 排螺旋大孔径CT 模拟定位机进行扫描定位，扫描层厚设定为5 mm，扫描范围为舌骨至肺底下5 cm，并将获得的患者模拟定位CT 图像数据传至医科达公司Monaco TPS 5.11。

肿瘤区（gross tumor volume，GTV）、临床靶区（clinical target volume，CTV）由医生根据欧洲肿瘤内科学会（European Society for Medical Oncology，ESMO）指南和中国医师协会乳腺癌放射治疗指南勾画。CTV外扩0.5 cm 生成计划靶区（planning target volume，PTV）。皮肤轮廓和OAR 采用厦门Manteia 公司的Accu-Counter 系统自动勾画。靶区、OAR 和皮肤勾画完成后，重建形成三维图像。

1.3 计划设计

在Monaco TPS 5.11 上进行计划设计，采用8 MV X 射线VMAT，处方剂量为50 Gy/25f，选择PTV 几何中心作为计划中心点，采用逆时针共面双弧设计，射野起始角度和弧度根据靶区形状设置，以达到切线野效果，试验组与对照组射野设置保持一致。

试验组计划设计方法如下：使用margin 添加新结构，将距离PTV 0.3～1.2 cm 的患侧肺命名为新结构L3，距离PTV 1.5～2.7 cm 的患侧肺命名为新结构L2，距离PTV 3 cm 以外的患侧肺命名为新结构L1（左侧乳腺癌以L 命名、右侧乳腺癌以R 命名），L1、L2、L3 之间均间隔0.3 cm 的距离。某例左侧乳腺癌患者患侧肺体积分段示意图如图1 所示。L1、L2、L3和健侧肺均使用Serial 函数进行限制。试验组肺部优化参数设置详见表1。

表1 试验组左侧乳腺癌VMAT 计划肺优化参数设置

图1 某例左侧乳腺癌患者患侧肺体积分段示意图

对照组计划设计方法如下：利用Monaco TPS 5.11的shrink 功能，患侧肺使用3 个Serial 函数。对照组肺部优化参数设置详见表2。试验组与对照组其余优化函数配置和参数设置保持一致，进行逆向优化。

表2 对照组左侧乳腺癌VMAT 计划肺优化参数设置

1.4 计划评估

比较2 组靶区覆盖率、D2、D98、Dmean、适形性指数（conformity index，CI）和均匀性指数（homogeneity index，HI）。CI=V2RX/（VT×VRI），其中，VRX表示95%等剂量线覆盖的靶区体积，VT表示靶区体积，VRI表示95%等剂量线包括的所有区域体积，CI 越接近于1 表示靶区适形性越好。HI=D5/D95，HI 越小表示靶区均匀性越好[12-13]。比较2 组患侧肺、健侧肺、全肺的V20、V5、Dmean，心脏的V20、V30、Dmean、Dmax，脊髓的Dmax和健侧乳腺的Dmean、Dmax[14-15]，并比较2 组机器跳数（MU）的差异。

1.5 统计学方法

采用SPSS 24.0 软件进行数据统计分析，计量数据均采用x¯±s表示，采用配对样本t 检验，P＜0.05 表示差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区剂量比较

2 组剂量-体积直方图（dose-volume histogram，DVH）比较结果如图2 所示。结果表明，对照组和试验组计划均满足临床要求。2 组PTV 剂量学参数比较结果详见表3，结果表明，试验组PTV 的D98低于对照组（P＜0.05），2 组PTV 的Dmean、D2无明显差异（P＞0.05）。试验组HI 和CI 均高于对照组（P＜0.05）。

图2 对照组和试验组的DVH 比较结果

表3 对照组和试验组PTV 的剂量学参数比较结果（n=20）

2.2 OAR 剂量比较

对照组和试验组的OAR 受照射剂量均满足临床要求，2 组间OAR 剂量学参数比较结果详见表4～5。结果表明，对于左侧乳腺癌，试验组患侧肺的V20、V5、Dmean和全肺的V20均显著低于对照组（P 均=0.000），2 组全肺的V5和Dmean、健侧肺的V20、V5、Dmean无显著差异（P＞0.05）。对于右侧乳腺癌，试验组患侧肺的V20、V5、Dmean和全肺的V20、Dmean均显著低于对照组（P 均=0.000），2 组全肺的V5和健侧肺的V20、V5、Dmean无显著差异（P＞0.05）。

表4 左侧乳腺癌患者2 组的OAR 剂量学参数比较结果（n=20）

对于左侧乳腺癌，试验组心脏的V30、V20、Dmean和Dmax均显著低于对照组（P＜0.05）。对于右侧乳腺癌，2组心脏V30、V20、Dmean和Dmax无明显差异（P＞0.05）。因左侧乳腺癌靶区靠近心脏，对患侧肺进行限制的同时对心脏剂量也产生了影响，故对于左侧乳腺癌2组V30、V20、Dmean和Dmax有显著差异，而在右侧乳腺癌中无此效果。

无论是左侧乳腺癌还是右侧乳腺癌，2 组健侧乳腺的Dmean、Dmax和脊髓的Dmax均无明显差异（P＞0.05）。

表5 右侧乳腺癌患者2 组的OAR 剂量学参数比较结果（n=20）

2.3 机器跳数比较

2 组VMAT 计划的机器跳数比较结果详见表6。结果表明，无论是左侧乳腺癌还是右侧乳腺癌，试验组的机器跳数均高于对照组（P<0.05）。

表6 2 组的机器跳数比较结果（n=20） 单位：MU

3 讨论

乳腺癌放射治疗患者可能会在放射治疗结束后出现严重且不可逆的晚期毒性反应，这直接影响患者的生活质量和生存时间，例如放射性肺炎和心脏损伤[16-18]。放射性肺炎在乳腺癌放射治疗中较常见且危害较大，轻者无明显症状，重者肺部发生广泛性纤维化，甚至引起死亡。而放射性肺炎的发生率和严重程度与肺部受照射剂量和体积相关[19-20]。因此，在乳腺癌放射治疗计划设计时，应在满足靶区剂量要求的同时，尽量减少肺部的受照射剂量和体积。近年来，控制乳腺癌放射治疗肺受量的手段主要有主动呼吸控制（active breathing coordinator，ABC）技术和深吸气屏气（deep inspiration breath-hold，DIBH）技术[21-22]，但是ABC 和DIBH 技术治疗时间长，且国内大部分医疗机构都不具备这2 种技术。目前只有关于不同放射治疗技术之间肺部受量的相关研究[23]，未见有通过函数优化或其他手段来有效控制肺部受量的相关文献报道，故本研究提出了一种新的肺体积分段优化技术，在不用控制呼吸的情况下，尽可能减少肺部受量。

肺体积分段技术是基于Monaco TPS 5.11 中的Serial 约束函数而进行设计的。Monaco TPS 5.11 操作手册中提出，Serial 函数推荐用于串联器官，其可以作用于整条DVH 曲线，对高量部分作用最强，当并联器官剂量无法控制时，也可使用。Serial 函数可配合shrink 功能使用（shrink 主要用于靶区和OAR 距离较近时，shrink 设置为1，表示OAR 远离靶区1 cm），但Serial 函数结合shrink 在保证靶区剂量的同时无法较好地控制肺部的剂量。本研究提出的肺体积分段技术是根据距离靶区的距离，将患侧肺分为3 个独立的肺体积段，分别使用3 个Serial 函数强制限制不同肺体积段的高剂量，使每个体积肺段的高量分别跌落到设定值以下。因不同肺体积段的剂量限制不同，故每个肺体积段之间间隔0.3 cm，以更好地实现剂量跌落。本研究结果表明，在靶区方面，肺体积分段和未分段的2 种VMAT 计划设计方法的靶区覆盖均符合要求，且2 种计划均能满足临床治疗要求，而肺体积分段优化技术对靶区剂量影响较小。在OAR方面，无论是左侧还是右侧乳腺癌，肺体积分段优化技术均表现出更优的肺保护作用，可以显著降低患侧肺受照射体积和剂量。由于左侧乳腺癌的靶区靠近心脏，故心脏的受量同样值得关注，肺体积分段优化技术也能有效降低心脏受照射体积和剂量，同时对心脏起到一定程度的保护，但是在右侧乳腺癌中，2 组技术对心脏的保护无明显差异。此外，是否使用肺体积分段技术对脊髓和健侧乳腺的剂量无显著影响。

综合比较2 组剂量学参数和机器跳数差异，本研究认为肺体积分段优化技术能有效控制乳腺癌根治术后VMAT 的肺部和心脏受量。该技术适用于所有应用Monaco 治疗计划系统的直线加速器，应用前景较广。但本研究病例数目较少且仅在本院中使用，下一步拟纳入更多病例进行研究，并在其他单位推广使用。