中上段食管癌在不同呼吸时相下VMAT技术放疗的剂量学研究

阳华东,黎鹏,袁强,周进伟,杨天岳,李贤富

(川北医学院附属医院肿瘤科,四川 南充 637000)

对于肿瘤放射治疗来说,放疗因其具有电离辐射的性质,如不正确使用会对正常组织造成损伤,所以肿瘤治疗需要更加精确,肿瘤放射治疗中提出了“三精”原则：精确定位、精确设计和精确治疗。呼吸运动是人体正常的生理运动,会影响放射治疗精准度,对放疗病人需要重视呼吸训练。

在人体,特别是胸部的放射治疗,如乳腺癌、肺癌、食管癌和肝癌是最容易受到呼吸运动影响的癌症,有专家在放疗顶刊文章中阐述了呼吸对于胸部放疗的重要性[1]。目前国内肿瘤治疗普遍使用的是定位CT图像,这种方法的劣势在于获取图像为静态图像,无法直接获得患者呼吸动态图像。对于常规胸部CT检查来说,需要深吸气屏气获得最大肺组织成像,而在放疗中常让患者自由呼吸进行成像。虽然均匀呼吸有效控制了胸部活动范围,但自由呼吸时CT扫描定位时呼吸时相与治疗时呼吸时相不一致,这依旧会带来PTV(planning target volume)脱靶和危及器官(organ-at-risk,OAR)高量的危险[2]。如果靶区剂量的偏差超过5%,会造成肿瘤控制率下降[3]。此外,因为食管周围的解剖学关系,剂量的偏差落在正常组织也会导致放射性食管炎、放射性肺炎和心脏损伤等[4]。

川东北地区及周边区域是国内食管癌的高发地区之一[5]。而放射治疗作为食管癌治疗的一种常用手段,有许多患者在治疗过程中都接受过放射治疗。研究治疗过程中因呼吸运动引起的放射剂量学改变具有重要的意义。因此,本研究对食管癌放疗过程中因呼吸运动引起的靶区剂量、危及组织器官剂量和放疗物理参数改变进行研究,以明确不同的呼吸时相(自由呼吸、呼气末屏气和吸气末屏气)引起的剂量学差异。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2023年1月1日至2023年7月31日川北医学院附属医院进行放射治疗的20例食管癌患者为研究对象。纳入标准：(1)病理证实为鳞状细胞癌的患者;(2)经过训练可以接受定位CT三期扫描,分别为自由呼吸、深呼吸屏气和深呼气屏气扫描;(3)患者无语言或精神障碍,具有配合能力;(4)放疗处方剂量及次数一致。排除标准：(1)患者扫描图像质量欠清;(2)患者具有呼吸道慢性病史或病情严重;(3)患者未能完成整个治疗疗程。患者年龄55～74岁,中位年龄69岁;男性14例,女性6例;据AJCC(american joint committee on cancer,美国癌症联合委员会)第8版分期,Ⅱ期2例,Ⅲ期8例,ⅣA期10例。本研究已经获得本院医学伦理委员会批准(批准号2023ER002-1)。

1.2 方法

1.2.1 定位和扫描 所有患者均由热塑膜进行体位固定,取仰卧位,两手上举握住床柱,在肿瘤中心层面分别于前正中线和左右腋中线放置铅点。扫描前沟通并训练患者配合呼吸。西门子16排CT定位机进行定位扫描,管电压130 kV,管电流200 mAs,重建层厚3 mm,螺距0.8。扫描范围从颈1椎体到肋膈角下端。在固定位置行自由呼吸(F)、呼吸末屏气(E)和吸气末屏气(I)扫描。获得图像传输至放射治疗计划系统(treatment planning system,TPS),由高年资同一放疗医师进行靶区勾画。见图1。

1.2.2 计划设计 由10年以上计划制作经验的同一高级物理师在MONACO(版本6.00.11)治疗计划系统进行计划设计。依据处方剂量要求,靶区PTV为50.4 Gy/28Fx,110%处方剂量的体积<5%。危及器官中两肺平均剂量<15 Gy,V20<30%,V30<20%;心脏剂量V30<40%,V40<30%;脊髓最大剂量<45 Gy;肝受照剂量V30<30%;胃和小肠受照剂量V40<40%。其中Vx表示接受剂量超过x的百分体积。采用容积弧形旋转调强放疗技术(volumetric modulated arc therapy,VMAT),所有计划设计均采用3个段弧(顺时针)分别是：1 800-2 350、3 150-450、1 300-1 800。实验计划设计时以平静呼吸时相的计划设计参数为标准,在其他两个呼吸时相执行剂量计算,并对计划参数进行微调,当PTV D95、危及器官剂量限制满足处方剂量要求时保存计算结果。对平静呼吸时相的计划进行验证,验证通过后传输至Elekta Infinity加速器进行治疗。

1.2.3 剂量学资料 收集每位患者在F、E和I的呼吸时相下的剂量学数据。包括PTV体积、PTV 最大剂量和PTV 平均剂量、HI和CI;lung体积、lung最大剂量、lung V5、lung V20和lung V30;heart 最大剂量、heart平均剂量、heart V20和heart V30;spinal cord dmax;机器跳数(monitor unit,MU)和子野个数。HI和CI的计算方式如下：

1.3 统计学分析

2 结果

20例患者在自由呼吸(F)、深呼气屏气(E)和深吸气屏气(I)的呼吸时相下经Shapiro-Wilk检验可得,剂量数据中heart 最大剂量、HI、CI、heart V20、heart V30和子野数为非正态分布数据,其余数据均为正态分布。所有符合正态分布的数据经单因素方差分析(ANOVA)得到以下结果。见表1。

表1 呼气末(E)、吸气末(I)和平静呼吸(F)时相下剂量学参数(符合正态分布)结果比较

PTV的最大受照剂量均值在自由呼吸时相下小于呼气末屏气时相和深吸气屏气时相,差距分别为100.95和82.35 cGy。lung受照最大剂量和平均剂量均值在深吸气屏气相下分别小于自由呼吸相和呼气末屏气相123.82、111.41和127.23、152.18 cGy。lungV20和lungV30均值在深吸气屏气相下分别小于呼气末屏气相和自由呼吸相2.89%、2.90%和3.12%、3.35%。呼气末屏气相和深吸气屏气相分别高于自由呼吸相达到327个MU和318个MU,差异均有统计学意义(P<0.05)。见表2。

表2 呼气末(E)、吸气末(I)和平静呼吸(F)时相下剂量学参数(非正态分布)结果比较

对于非正态分布的数据,采用K-W H检验得到以下结果,见表2。呼气末屏气相和深吸气屏气相的靶区HI和CI较自由呼吸时相均值增加了0.02和0.04。呼气末屏气相和深吸气屏气相的子野数的均值相较于自由呼吸时相增加了55和59,差异有统计学意义(P<0.05)。见图2。

3 讨论

所有的胸部放疗都会受到呼吸运动的影响,这种呼吸运动对于接受治疗的患者来说,可能会造成靶区偏移、剂量偏差的影响。解剖学上,呼吸运动引起食管周围的危及器官变化包括双侧肺组织、心脏和脊髓。这种呼吸运动下造成任何剂量传递的不确定,都会影响患者的治疗结果,如肿瘤局部控制率、危及器官的副反应、患者生存期和生活质量等[6]。本研究主要从放射物理学角度来分析不同呼吸时相引起的剂量学变化。

本研究中,不同呼吸时相PTV的体积虽然没有得到统计学差异,但是在I和E时相PTV的平均体积大于F时相的平均体积,不仅表明了呼吸过程中靶区的变化,还反映了不同呼吸时相变化影响了放疗医师对靶区的判断。陈健铃等[7]分析了20例食管癌患者在呼气末到吸气末过程中GTV(gross tumor volume)的变化,各呼吸时相GTV变化范围最小的为0.52 cm3,最大达到12.81 cm3,平均增加9.58%或减少11.24%。李毅等[8]一项关于呼吸运动对肺癌患者靶区体积变化的研究发现,自由呼吸下整个胸段的GTV较吸气末平均减少了4.03%。谢生智等[9]研究了23例食管癌患者,呼吸运动过程中GTV的位移为上侧0.74 cm,下侧1.62 cm,左侧0.91 cm,右侧0.66 cm,前侧0.87 cm,后侧0.59 cm,这说明了GTV的位移,但该研究并未从剂量学上进行探讨。在本研究中,发现PTV的最大剂量在E时相和I时相大于F时相,这是由于呼吸运动过程中靶区体积变化和靶区与肺等正常组织相对位置关系变化和剂量跌落共同影响[10]。

在胸部放疗中,肺部的体积变化引起的位置变化最大,Huang等[11]对4名行SBRT肺癌患者的肿瘤位置进行了监测,平均移动距离达到2.3 cm,最小的位置移动1.4 cm,与本研究相似。吕海鹏等[12]对21例食管癌患者的肺部体积和剂量进行研究,得出在EBH和IBH的期相下,肺部体积、V5、V10、V20和Dmean改变均具有统计学意义,这与本研究相似。在本研究中,在肺部V5和V10没有观察到相同的结论,这可能是因为吕海鹏等分析的患者采用的是固定野5野非均分照射的调强技术,而本文采用的是容积旋转调强技术,这种技术在带来治疗剂量优化和缩短治疗时间的同时,会带来弧内低剂量的分布增加[13-14],且不受呼吸运动影响,这也是本研究在V10以下剂量未见差异的原因。另外,Tanaka等[15]得出,PTV越大,PTV外邻近健康组织受到的辐射剂量越大,本研究因呼吸运动影响的食管PTV增大也带来了食管附近肺组织受照剂量的变大,也是肺V20及以上剂量数据具有差异的原因。靶区的CI和HI在呼气末和吸气末状态下大于平静呼吸,差异具有统计学意义。本研究中,在呼气末和吸气末屏气状态下的VR-T和VT增大,但VR-T增大的二次方大于VT,CI的值必然增大。靶区最大剂量(D2%)的均值增大,靶区最小剂量(D98)均值减小,带来HI的增大。

此外,食管癌放疗过程中呼吸运动容易导致心脏毒性[16],最常见的心脏毒性包括心包积液和房性快速性心律失常[17]。虽然在本研究中没有观察到心脏剂量学上的差异,这是因为我们的入组标准未包括胸下段的食管癌患者,且在计划过程中,我们重点关注并限制了心脏剂量。Tamari等[18]和Wei[19]等研究了关于接受放化疗的食管癌患者心包积液危险因素的研究,多因素结果得出心脏V30≥41.6%和V30≥46.0%是心包积液的独立危险因素。而本研究中,心脏V30的范围4.2%～26.2%,未超过剂量限值。

在本研究中,呼气末屏气和吸气末屏气的MU、子野数量均大于自由呼吸的MU和子野数量,这是由于呼气末屏气时正常组织离靶区更近,计划时为了控制肺等正常组织的受照剂量,计划调制度提高,增加了子野数,进而增加了MU数;吸气末屏气时靶区的受照深度随着深吸气而增加,计划时为了达到靶区剂量要求增加了加速器出束总MU数。与李阔等[20]研究得出的靶区和危及器官的计划权重增加使MU数量增加相似。本文还存在以下的不足,首先样本量较少,在未来我们会纳入更多的样本量得到更详实的结果;其次少数患者呼气或吸气状态不能保持,可能会存在微小的影响。

综上,自由呼吸下的CT扫描无法确定时相,呼气末屏气和吸气末屏气会影响到PTV体积、最大剂量和肺部最大剂量、平均剂量、V20、V30等物理参数改变,这会带来潜在的脱靶和正常组织受照剂量变化的风险,可能导致临床治疗失败或毒性反应变化。放疗医师在勾画靶区时应注意考虑呼吸对靶区的影响,对于中上段食管癌患者,在放射治疗过程中应重视呼吸控制。