动态适形弧技术与容积调强技术在肺转移瘤立体定向放射治疗中的剂量学研究

郑芳，陈洪涛，陈伟思，史亚滨，高艳，梁晓敏，钟鹤立

深圳市人民医院/暨南大学第二临床医学院/南方科技大学第一附属医院肿瘤放疗科，广东深圳 518020

前言

肺转移瘤是最常见的转移性肿瘤之一，25%～30%的肿瘤会发生肺转移，但大部分患者不适合手术治疗。随着精准放疗技术的发展，体部立体定向放射治疗技术（Stereotactic Body Radiation Therapy,SBRT）对于肺转移瘤尤其是局限性转移能取得较好的疗效［1-2］。三维适形（Three-Dimensional Conformal radiation Therapy, 3DCRT）和调强放疗（Intensity-Modulated Radiation Therapy,IMRT）在过去是常用的SBRT 放疗技术，随着容积调强技术（Rapid Arc,RA）的出现，因其能保持良好计划质量同时可以更好地提高治疗效率而成为了SBRT 通用的治疗技术选择［3-6］。动态适形弧技术（Dynamical Conformal Arc,DCA）是一种类似于RA 的弧形照射技术，在机架旋转过程中，多叶准直器（Multileaf Collimator,MLC）始终动态适形于靶区，它不涉及逆向优化过程，在确定好照射弧的起始角度后，可以直接进行剂量计算，提供较好的适形剂量分布［7-9］。

相比于DCA 技术，RA 是一种集子野形状，剂量率、机架速度一体优化的高度调制的复杂计划，计划的复杂性会增加相应的机器跳数，治疗时间也随之增加。Hoogeman 等［10］研究指出当病人的治疗时间超过15 min，病人的体位将会有所改变。另外对于肺这样的运动靶区，运动的叶片与运动靶区间的交互效应会导致靶区出现欠量或者超量的情况，计划越复杂，这种效应会越明显［11］，而DCA计划中叶片是对整个靶区动态适形，治疗速度快，交互效应影响很小。近些年来，DCA 技术开始在放射外科手术（Stereotactic Radiosurgery,SRS）、立体定向放射治疗（Stereotactic Radiotherapy,SRT）中有较好应用，并且该应用已延伸到SBRT治疗中［12-13］。

本文以肺部转移瘤为例，分别比较DCA 计划与RA 计划的剂量学特点及执行效率，希望能为两种技术在临床上的应用提供一些参考。

1 材料与方法

1.1 病例选择

回顾性选择深圳市人民医院2020年1月～9月收治的行SBRT 治疗的肺单发转移瘤患者共20 例。病人详细信息见表1。

表1 病例基本信息资料（n=20）Table 1 General information of enrolled patients(n=20)

1.2 CT模拟定位及靶区勾画

在CT 定位扫描前，提前一周对病人进行呼吸训练，待呼吸平稳性和重复性满足治疗要求后，应用西门子Definition AS大孔径CT给患者做定位扫描。患者平卧于SBRT 定位体架内的真空负压袋上，双手向上举过头顶。待呼吸波形稳定后，进行4DCT 扫描，扫描范围包括全胸廓的所有区域，扫描层厚为3 mm，图像采集完成后重建10个呼吸时相传输至Eclipse计划系统，然后由一名副高以上放疗医师在生成的最大强度投影（Maximum Intensity Projection, MIP）时相进行靶区（Gross Tumor Volume, GTV）勾画，勾画的GTV 再均匀外放3～5 mm 形成计划靶区（Planning Target Volume, PTV），危及器官的勾画包括心脏、脊髓、食管、双肺、胸壁等。

1.3 放射治疗计划设计

使用美国Varian 公司Eclipse13.6 计划系统分别进行RA 和DCA 的计划设计，使用的治疗加速器为美国Varian 公司EDGE，射线能量为6 MV，无均整器（Flatten-Filter Free,FFF）模式，剂量率1 400 MU/min，剂量计算采用Acuros XB 算法，计算网格为0.25 cm［14-15］。对于所有RA 计划，为保证计划质量，均使用双弧，布野角度范围根据病灶位置分别设定为0°～179°或181°～0°以避免床或机架的碰撞，所有RA 计划均采用相同的优化参数和权重进行计算。对于所有DCA 计划，采用双弧或者单弧对计划质量基本无影响［14,16］，故本文均采用单弧，起始角度与RA计划保持一致，使用“Fit MLC to Structure”工具，将叶片与靶区间距根据靶区大小设置为3～5 mm，使得MLC在机架旋转过程中始终适形于靶区。所有RA 与DCA 计划准直器角度选择尽量使MLC适形叶片端面与靶区长轴平行。治疗等中心均为每个病灶中心。靶区PTV放疗处方剂量均为50 Gy/5 f，计划优化完成后均按照95%的PTV 接受100%处方剂量进行归一，计划设计限值遵照美国肿瘤放射协作组织RTOG0813 报告要求。

1.4 计划评估指标

SBRT 的最终目标是以极好的适形性给予靶区体积最高剂量同时使周围重要器官的受照剂量最小化，即SBRT 计划需满足高剂量精准聚焦于靶区，同时靶区外剂量迅速跌落的要求［17］。针对肺 部SBRT 计划，RTOG0813 报告提出了一些重要计划评估参数。本文依据RTOG0813 报告，比较RA 计划和DCA 计划的剂量学指标D2%、D98%、D50%、V90%、V105%（Dx%表 示x%体积的PTV 所受的剂量，Vx%表示x%的处方剂量线所占体积），靶区适形度指数CI（CI=TLV/TV，TLV为靶区剂量线所占体积，TV 为靶区体积），靶区外剂量跌落梯度指数R50%（50%处方剂量线所包含的体积与靶区体积TV 的比值），D2cm（PTV 任何方向2 cm 外的最大剂量与靶区剂量的百分比）及危及器官肺部、心脏、脊髓、食管、胸壁及皮肤受量，同时比较了两类计划设计时间、MU 值、出束时间（指加速器从beamon到beamoff的出束时间）以评估两类计划的执行效率。本研究未讨论两类计划的均匀性指数，该指数在SBRT计划评估中参考意义不大［18］。

1.5 计划剂量学验证

每个治疗计划都移植到Scandidos Delta4 模体进行剂量测量［14,19］，分别采用3%/3 mm 及2%/2 mm 的标准来评估两类计划的Gamma通过率。所有测量点剂量阈值设置为全局最大剂量的10%，对于3%/3 mm标准，当Gamma 通过率＞95%，即实测剂量与计划剂量的一致性符合要求。对于2%/2 mm 标准，通过率＞90%即视其为合格计划。

1.6 统计学方法

采用SPSS19.0进行统计学分析，采用Shapiro-Wilk方法检验数据正态性，符合正态分布的数据用均数±标准差表示，行配对样本t检验，反之则行Wilcoxon 符号秩检验法，P＜0.05 表示差异有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 等剂量曲线图及剂量分布图结果

图1、图2 分别是采用RA 及DCA 两种技术得到的等剂量曲线图及剂量体积直方图（Dose-Volume Histogram, DVH）。图1 显示两种计划的100%处方剂量线对靶区的覆盖均良好，但RA 计划中50%处方剂量线覆盖范围显著小于DCA 计划。图2 显示RA计划对危及器官保护有优势。

图1 RA与DCA计划等剂量曲线对比Figure 1 Comparison of isodose curves of RA and DCA plans

图2 RA计划与DCA计划DVH曲线Figure 2 Dose-volume histogram of RA and DCA plans

2.2 靶区剂量比较

本文分析比较了两种计划的靶区D2%、D98%、D50%、V90%、V105%剂量学指标，表2 结果显示，以上指标在两类计划对比中并没有显著性差异。在靶区覆盖率上，两类计划均同时满足100%处方剂量线覆盖95%的靶区体积，且满足90%的处方剂量线覆盖99%的靶区体积，两类计划均符合RTOG0813报告要求。

表2 RA与DCA计划的靶区剂量比较（± s）Table 2 Comparison of target dose distribution between RA and DCA plans(Mean±SD)

表2 RA与DCA计划的靶区剂量比较（± s）Table 2 Comparison of target dose distribution between RA and DCA plans(Mean±SD)

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2.3 CI、R50%、D2 cm比较

表3 基于RTOG0813 报告对CI、R50%以及D2cm参数的评估，对于不同体积的靶区，CI 的理想值应小于1.2，允许偏差为1.2～1.5，如表3 所示，所有RA计划均满足RTOG0813 报告中适形度要求，其CI值 为0.998±0.039，而DCA计划的CI值为1.357±0.138，两者差异具有统计学意义（P＜0.05）。另外图3a 显示，RA 计划的CI 值稳定分布于1 附近，而DCA计划CI 值则主要分布于1.24～1.48，分布相对比较离散，CI 值最小值与最大值差异相对较大。综上，RA计划CI值比较稳定，适形度明显优于DCA计划。

从表3可知，在20个DCA计划中，有两个异常的CI 值，分别为1.67 和1.58，超出了RTOG0813 报告关于CI 值的偏差范围，其靶区体积分别为1.6 cm3和46.03 cm3。对于体积为1.6 cm3的靶区，如图4a所示，处于肺部横截面正下方靠近胸壁位置，靶区过于偏心，这会造成处方剂量线朝着入射路径近端处偏离于靶区，小体积靶区对其尤为敏感。另外对于体积为46.03 cm3的靶区，如图4b所示，因该靶区形状不规则，导致该靶区适形度下降。综上，靶区小且过于偏心或者靶区形状不规则都会在一定程度上影响DCA计划的剂量适形性。

图4 体积为1.6 cm3（a）和46.03 cm3（b）的靶区剂量分布Figure 4 Dose distributionsin target areas with a volume of 1.6 cm3 (a)and 46.03 cm3 (b)

图3b、图3c 直观显示了剂量跌落梯度指数R50%及D2cm在两类计划中的数值差异。从表3 可知，R50%及D2cm指标在两类计划中的差异具有统计学意义（P＜0.05），其差异平均大小分别为1.14±0.44、7.15%±8.12%。另外可看到RA 计划中R50%基本都满足RTOG0813 标准，但DCA 计划中近一半R50%超出RTOG0813 偏差范围。对于D2cm，两类计划数值基本在报告偏差范围内。综上来看，RA计划相对于DCA计划能更好地控制靶区外剂量跌落梯度。

图3 RA与DCA计划的靶区适形度CI、R50%以及D2 cm的比较Figure 3 Comparison of target conformity index,R50%and D2 cm between RA and DCA plans

表3 基于RTOG0813报告对靶区适形度CI、R50%以及D2 cm参数的评估Table 3 Evaluation of CI of target area,R50%,D2 cm using RTOG-0813 protocol criteria

2.4 危及器官剂量学比较

从表4可知，对于肺部V12.5Gy、V13.5Gy、V20Gy及胸壁Dmax、V30Gy受量，RA计划比DCA计划平均分别降低27.65 cm3、26.58 cm3、0.69%、496 cGy、0.42 cm3，两类计划差异具有统计学意义（P＜0.05），但两者差异总体较小。对于心脏、脊髓、食管、大血管及皮肤受量，两类计划差异并无统计学意义（P＞0.05）。

表4 RA与DCA计划中危及器官剂量学分布Table 4 Dosimetric distribution in organs-at-risk between RA and DCA plans

2.5 执行效率比较

如表5 所示，在计划设计上，DCA 计划设计耗时平均比RA 技术节省81.1%（P＜0.05），机器跳数平均降低41.1%（P＜0.05）。在机器出束时间上，DCA计划平均节省治疗时间56.5%（P＜0.05）。

表5 RA与DCA计划执行效率比较Table 5 Comparison of treatment efficiency between RA and DCA plans

2.6 计划验证通过率

采用Delta4 模体对所有计划进行QA 验证，验证结果如表6 所示，在3%/3 mm 及2%/2 mm 的标准范围内，RA计划与DCA计划的计划验证通过率均满足临床使用要求，数值差异无统计学意义。

表6 Gamma 通过率比较（%）Table 6 Comparison of Gamma passing rate(%)

3 讨论

从本研究结果看，RA与DCA计划均能满足靶区覆盖率要求，两者处方剂量线均良好包绕靶区，在适形度上，RA 计划相较于DCA 计划靶区适形度更优。Bree 等［20］以及Dickey 等［21］的研究均证明RA 计划相较于IMRT 或DCA 计划，具有更好的靶区适形性，本文的研究结果与其观点相符合。对于DCA 计划，靶区小且过于偏心或者靶区形状不规则都会在一定程度上影响DCA 计划的靶区剂量适形性。Morales-Paliza 等［12］研究指出多个非共面弧及全弧照射下对于一些体积大或者形状不规则的靶区，DCA 计划在靶区适形度和危及器官保护方面能达到与调强计划相似的效果。但本次研究病灶位置多为偏中心，考虑到机架碰撞等实际治疗情况仅采用了共面部分弧照射。使用非共面照射理论上可以帮助提高计划质量，但也应考虑由于实际治疗时间的增加和床位置变化而可能引入的误差［16］。

从靶区外剂量参数指标R50%及D2cm可知，RA 计划能更好地控制靶区外剂量跌落梯度。对危及器官肺部以及胸壁保护方面，RA 计划优于DCA 计划，差异具有统计学意义，但平均数值差异较小。其他危及器官如心脏、食管、脊髓、血管、皮肤，两类计划差异并无统计学意义。对于肺转移瘤病人，其危及器官接受剂量与转移瘤的出现位置相关，离靶区越近，相应危及器官受量增加。在Liu 等［22］研究中未发现胸壁Dmax值在RA 与DCA 计划中有统计学差异，因为其研究病灶大多为中央型病灶。而本次研究病灶位置多为偏中心，与胸壁位置较邻近，RA 在控制邻近器官受量方面显然优于DCA计划。

从剂量学角度来看，RA计划总体要优于DCA计划。在实际治疗应用中，不应该仅仅只关注剂量学的优势。SBRT 是一种高精度放射治疗，器官运动对靶区的精准照射带来巨大挑战。RA 是一种集子野形状，剂量率、机架速度于一体优化的高度调制的复杂计划，计划越复杂，叶片与运动靶区间交互效应会越显著，且对机器的性能要求也越高，而DCA计划在整个治疗过程中叶片始终对靶区适形，可以显著减少交互效应，计划设计中不涉及大量复杂的小野计算，计算快速准确。

在SBRT 计划中，病人摆位准确性至关重要，Morales-Paliza 等［12］研究指出RA 计划虽能更好地控制靶区与正常危及器官间的剂量跌落梯度，但任意的治疗摆位误差造成的剂量偏差可能是显著的，而DCA 计划的靶区覆盖率受摆位误差而发生偏差的可能性更小。等中心偏移2 mm 对RA 计划的靶区剂量覆盖率影响更大。

在SBRT 计划中，由于分次少，单次剂量大，机器跳数大幅增加，治疗时间相应延长，而DCA计划相对RA 计划节约近一半机器跳数，显著减少了治疗时间，这可以减轻患者不适感，减少病人在整个治疗过程中体位改变的不确定性，对于耗时长的呼吸门控治疗、呼吸困难或者配合性差的病人更有适用性。

综上所述，临床上选择SBRT 治疗技术时应综合了解该技术的优缺点。DCA 计划质量受肿瘤大小、形状及与周围器官位置影响较大。当靶区形状较不规则或者靶区与危及器官位置特别临近，临床上需严格控制其毒性时，采用RA计划更为合适。DCA计划在靶区覆盖率、适形度及危及器官保护上均能满足RTOG 报告要求，剂量学分布与RA 计划差异总体较小，且执行效率高，DCA 技术不失为一种可替代RA技术的有效治疗方式。