调强放疗、容积弧形调强放疗、螺旋断层放疗

小五

来源:觅健 2024-01-25 18:18:41

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关键词：放射治疗

调强放疗、容积弧形调强放疗、螺旋断层放疗在双侧乳腺癌放疗中的剂量学与放射生物学比较

赵志鹏放疗圈 2024-01-25 14:31 发表于北京 4人听过

DOI:10.31557/APJCP.2022.23.12.4233

摘要

目的：本研究旨在通过对螺旋断层放射治疗（HT）、容积弧形调强放射治疗（VMAT）、调强放射治疗（IMRT）三种技术的剂量学与放射生物学指标比较，确定在同步双侧乳腺癌（SBBC）的最佳放射治疗方案。

方法：本研究样本为20名SBBC治疗的女性患者（平均年龄52.5岁）的治疗计划数据。三种不同的治疗方案均使用50Gy/25F的处方。应用Poisson, Niemierko, and LKB模型来计算正常组织并发症概率（NTCP）和肿瘤控制概率（TCP）。

结果：IMRT与HT和VMAT与HT在肿瘤靶区平均剂量有显著差异（P=0.001）。在Poisson模型中IMRT、VMAT和HT的TCP百分比分别为93.70±0.28,

94.68±0.30, and 94.34±0.57, 相互均有统计学差异(p<0.05). 在HT计划中全肺的最大剂量较低，平均剂量为49.31Gy±3.9

(p<0.009). 对于IMRT计划，Niemierko和LKB模型中的心脏、肺和肝脏的NTCP值均较低。

结论：HT方案中危及器官的保留率在剂量上更高，三种技术中的TCP更高。三种技术的比较表明，IMRT和HT技术可用于治疗SBBC。

关键词: 双侧乳腺癌；放射生物学；TCP ；NTCP

前言

乳腺癌是全球女性最常见的癌症，也是主要的死亡原因之一。双侧乳腺癌并不常见，发病率约为2%至5%。同时诊断的两种肿瘤或多或少被广泛定义为同步性乳腺癌 (SBC)。单侧乳腺癌患者可以通过切线野、二维（2D）放射治疗或三维适形放射治疗（3D-CRT）进行治疗。然而，在双侧乳腺癌治疗中应用传统射野的过程中，由于放疗（RT）野的重叠，纵膈处的交界可能不可避免，这可能导致纵膈内的高剂量沉积。在降低高剂量的同时靶区剂量覆盖率也将受到影响。在这种复杂计划中，偏置剂量计划方法也可以用于在不影响靶区剂量的同时减少重叠区剂量。

同步双侧乳腺癌（SBBC）的治疗需要复杂的治疗计划，包括多个等中心和射野配置来实现可接受的治疗计划。现代放射治疗技术，如螺旋断层放射治疗（HT）、容积弧形调强放射治疗（VMAT）和调强放射治疗（IMRT）被应用于SBBC的治疗。

本研究旨在利用剂量学指标，如一致性指数（CI）、均匀性指数（HI）和计划靶区（PTV）的处方剂量等，确定SBBC的最佳放射治疗方案。此外，还在HT、VMAT和IMRT的技术中计算并应用了，如基于等效均匀剂量（EUD）的NTCP和TCP。

Matlab (Mathworks)被用于创建内部软件，用来分析计划中微分剂量体积直方图（dDVH）的NTCP和TCP。通过使用应用程序并整合放射生物学的相关知识框架来估计三种治疗计划，对各种模型预测进行比较和分析。

材料于方法

患者选择和轮廓勾画

本研究使用了20名接受双侧乳腺治疗的女性患者（年龄在30至72岁之间，平均52.5岁）的治疗数据。所有患者均采用一体式（AIO）乳腺解决方案，头朝上仰卧，双臂向上抬起。患者用热塑膜固定。在层厚为2.5mm的计算机断扫描（CT）上完成勾画和计划设计。所有CT图像都是在自由呼吸期间获得的。扫描范围其从下颌骨到第二腰椎的范围，并确保肝脏和肺部的整个体积都包括在扫描中。

基于放射治疗肿瘤学组（RTOG-1005）协议为乳腺轮廓和危及器官的定义指南，在Eclipse 计划系统中完成靶区及危及器官勾画。临床靶区（CTV）包括整个乳房，如果涉及锁骨上篱笆结（SCN）也包括其中。计划靶区（PTV）由CTV各个方向外放5mm获得，对于皮肤方向需回收到皮肤表面下3mm。其中14例左侧患者和6例右侧包括了SCN，3例患者同时累计两侧SCN。3例患者未累计SCN。危及器官包括：心脏、肺、肝、食管和脊髓。

治疗计划

所有患者给与总剂量50Gy/25F的处方的计划优化，计划形式为HT、IMRT和VMAT。瓦里安Eclipse版本为15.6，数据调用瓦里安TrueBeam加速器的6MV射线，多叶准直器是HD120，60对（中心区0.25cm宽，边缘区0.5cm宽），用于VMAT和IMRT的计划。计算网格设定为2.5mm，使用各项异性分析算法（AAA）剂量计算模型进行剂量计算。

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图1 调强和VMAT射野安排

为了实现左乳和右乳的最大切向覆盖和良好一致性，IMRT计划中引入了三个角度间隔为10-15度的前切向和后切向野以及三个角度间距为30-40度的斜向野（图1a）。此外，为了实现SCN中的剂量覆盖，已经使用了角度为0、30和330度的三个照射野。

对于VMAT计划，引入了左乳房从300度到175度顺时针和逆时针（CW和CCW）的三个弧形野，以及右乳房从60度到185度顺时针方向和CCW方向的三个弧形野（图1b）。此外，为了获得SCN的剂量覆盖范围，如果需要的话。可使用了一个弧形野，该弧形野对于左侧SCN设有300到175度CW的角度，对于右侧SCN具有60到185度CCW方向。

HT计划，应用具有6MV光子能量，配备动态铅门的Radixact (Accuray,版本X9)，配有 0.625cm分辨率的二进制MLC。应用2.5cm的射野宽度，3.0调制因子，pitch值为0.3进行计划优化，TPS 为安科锐 Precision V3.3）。最终剂量计算使用HT计划的收缩卷积叠加（CCCS）算法进行，标准是95%靶区体积的剂量覆盖率需要接受至少95%的处方剂量。

此外，对于三种计划需要反复优化，使得OAR剂量可以在不增加热点或损害PTV覆盖的情况下进一步降低。

治疗计划评估

使用剂量体积直方图（DVH）分析评估计划。根据Loic F等人的报道，统计记录 PTV的D98% and D2% (98% and 2%的PTV所接受的最小剂量), Dmean (PTV的平均剂量), Dmin (PTV的最小剂量), and Dmax (PTV的最大剂量)。

本研究还使用了以下指标：

适形指数（CI）：

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其中PD=PTV的处方剂量，PTV Vol=总的PTV体积。

均匀性指数（HI）：

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其中D98%=98%PTV接受的最小剂量；D2%=2%PTV接受的最小剂量；D50%=50%PTV接受的最小剂量。

覆盖率指数（Cov I）

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其中Dmin=PTV的最小剂量，PD=PTV的处方剂量

等效均匀剂量 (EUD)

等效均匀剂量（EUD）是指均匀应用于肿瘤和正常组织时，所具有类似于非均匀辐射的生物效应的吸收剂量。

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其中EQDi = 传送到替代体积Vi的剂量；a = 无单位模型参数,感兴趣的肿瘤或正常结构特有的无单位模型参数。

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其中Di=参考物接受的总剂量；nf = 总分次；Di/nf = 参考物接受的每个分次的剂量；α/β = 线性二次模型（LQ模型）的参数(特定肿瘤或器官在通常无保护状态下)。

TCP 和 NTCP 计算模型

泊松二次线性模型（Poisson Linear Quadratic model）

在二次细胞存活模型中应用泊松分布推导出泊松二次线性模型。

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其中 D50=产生50%肿瘤控制的剂量；γ = 归一化剂量效应梯度；EQD2 = 等效每分次2Gy的剂量。D50= 39.3Gy and γ50 =1.7 被用于计算肿瘤控制概率

Niemierko模型：

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其中描述剂量-反应曲线斜率的无单位模型参数为γ50，控制50%肿瘤的容许剂量是TCD50(限于均匀照射)。OARs产生50%并发症的耐受剂量为TD50（限于均匀照射）。表1总结了用于Niemierko的EUD模型计算的参数。

表1 用于Niemierko的EUD模型计算的参数

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Lyman–Kutcher–Burman (LKB) NTCP 模型

Lyman、 Kutcher和Burman创建了一种可以用于评估非均匀照射的正常器官的并发症发生概率的方法。

LKB的计算形式如下:

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其中TD50= OARs产生50%并发症的耐受剂量；Vi =参考体i的特定剂量体积；Di = 给每个参考体的剂量；m =确定并发症概率与剂量曲线斜率的无量纲参数；n = 并发症概率的体积依赖性参数。表2 给出了相关参数的总结。

表2 相关参数汇总

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统计分析

数据统计用平均值±标准差（SD）表述。通过单因数方差（ANOVA，SPSS V24）分析了三种方案之间的放射生物学指标和剂量学参数的差异，P 值小于0.05被视为具有统计学意义。

结果

IMRT、VMAT和HT计划的PTV覆盖率为95%的处方剂量的病例如图2所示。表3显示了三个方案的PTV的剂量学和TCP参数。VMAT和IMRT计划之间PTV的平均剂量覆盖率没有发现显著差异。IMRT与HT和VMAT与HT的平均剂量比较具有高度显著性（P=0.001）。同时，三种方案的一致性指数（CI）和均匀性指数（HI）结果几乎相同。

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图2 调强、VMAT和TOMO的剂量覆盖

表3 三个方案的PTV的剂量和TCP参数

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泊松模型下IMRT、VMAT和HT的TCP平均偏差和标准偏差分别为93.70%±0.28、94.68%±0.30和94.34%±0.57，Niemierko模型下分别为99.07%±0.05、99.26%±0.05和99.18%±0.12。确定了具有统计学意义的水平（p<0.05）。

图3展示了三种不同计划的OAR的EUD变化。HT计划显示心脏、肺、肝和食道的平均EUD值较低。同时，在HT计划中，脊髓接受了更高的EUD值。IMRT计划显示EUD值位于VMAT和HT计划之间。除脊髓外，VMAT计划显示所有OAR的EUD都较高。

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图3 危及器官的EUD

关于三种方案中心脏的平均剂量，VMAT方案的平均剂量最高，平均为13.9Gy±2.9，其次是IMRT方案的平均为10.95Gy±1.44，HT方案的平均平均剂量最低，平均为7.2Gy±1.42，在统计学上是有显著的差异（p＜0.001）。如图4显示，与IMRT和VMAT方案相比，HT方案的V5 Gy、V10 Gy、V15 Gy、V20 Gy和V25 Gy剂量明显较低（p＜0.006）。所有方案的心脏NTCP值均为LKB和Niemierko模型的最小值。VMAT和HT计划之间的NTCP值差异达到统计学显著性（p=0.02）（表4）。

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图4 心脏的剂量数值

关于三种方案中对全肺的最大剂量，IMRT的最大剂量更高，平均为52.02Gy±1.56，其次是VMAT方案，为50.57Gy±2.3，HT方案的最大剂量较小，平均为49.31Gy±3.9（p＜0.009）。与VMAT和IMRT方案相比，HT方案对V5和V20Gy的体积影响较小（p＜0.016），HT方案的平均剂量较小，具有统计学意义（p＜0.07）。与VMAT和IMRT方案相比，HT方案在LKB和Niemierko模型的全肺NTCP值最大。IMRT和VMAT计划的NTCP值之间的差异没有任何统计学意义（p=0.37）。

IMRT计划的肝脏平均剂量较低，平均剂量为7.71Gy±4.9，HT计划的平均剂量略有相似，平均剂量是7.85Gy±3.53。VMAT方案的平均剂量为10.74Gy±5.12，高于其他方案。在两种肝脏模型中，所有计划都显示出最小的NTCP值，HT和VMAT计划的NTCP差异达到统计学显著性（p<0.046）（表4）。

三种方案的食道平均剂量大致相等，IMRT、VMAT和HT的食道平均量分别为9.52Gy±3.02、10.65Gy±3.66和10.67Gy±2.35（表4）。与IMRT和VMAT计划相比，LKB模型显示HT计划的NTCP值更高。HT方案的脊髓最大剂量较高，LKB和Niemierko模型的NTCP值较低。

图4 危及器官的计量学参数和NTCP

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讨论

双侧乳腺癌与单次乳腺癌的治疗相比，治疗靶区是非常大的，因而OAR（如肺、心脏、肝脏和食管）的辐射剂量增加。3DCRT技术已被许多机构用于治疗单侧乳腺癌患者。尽管如此，3DCRT方法并没有为SBBC患者产生更好的结果。在3DCRT技术中乳房间重叠区会产生热点，当试图减少热点时，将导致PTV剂量减少，而OAR将接受更高的剂量。

结合放射生物学和剂量学参数对治疗方案进行评估已被证实是更加合理和全面的。正如本研究中所报道的，与VMAT和IMRT计划相比，HT计划为OAR提供了更低的剂量水平。HT计划显示食管和肺部的NTCP值略高。

IMRT和VMAT等技术有助于提高靶区剂量的均匀性，并显著保护正常组织。但由于剂量传递的性质，这些技术通常是通过将较大体积的正常组织暴露于较低剂量的散射和泄漏辐射中来实现的。因为在低剂量下，细胞突变比细胞杀伤更占主导地位，从而使得接受低剂量的组织更容易产生继发性癌症风险（SCR）。因此，与传统放射治疗相比，用这些技术治疗的患者患放射诱导SCR的风险更高；这是由于接受低剂量的暴露体积较大。

Sakthivel等人（2017）使用放射生物学机制模型，使用IMRT和VMAT等先进技术对50名早期左侧癌症SCR患者的进行了评估，发现风险越高，越接近目标。此外，VMAT计划相较于调强来说在所有器官研究中的SCR都较高。

有学者对食管癌患者使用了现有的TCP和NTCP模型，如Poisson、Niemierko和LKB，并发现这些模型对于计划的比较研究是可靠的。Balasubramanian and Shobana 使用LKB和Niemierko NTCP 模型对光子和质子的放射生物学计划进行了比较,他们发现这些结果对于比较不同的计划方法是可靠的。在本研究中，使用了Poisson和Niemierko模型，发现两个模型都实现了90%以上的肿瘤控制率。此外，本研究还应用LKB和Niemierko模型来寻找正常组织并发症的概率。

最近几项关于单侧乳腺或胸壁（CW）照射的VMAT和混合VMAT计划比较的研究表明，混合VMAT方案具有更好的效果。有研究从剂量学和放射生物学角度比较了IMRT和VMAT计划，发现VMAT计划在左侧CW治疗的中剂量区域的PTV覆盖率和肺部和心脏的剂量减少方面都很好。Subramanian等人比较了双侧乳腺癌症的VMAT和混合VMAT计划，发现混合计划导致OAR低剂量区域（如心脏和肺部）的剂量减少。

Kang等人比较了左侧乳腺治疗计划的三种不同VMAT计划技术，并认为2pVMAT技术有利于治疗，因为同侧肺的剂量减少。Cho等人使用剂量学指数评估了仅VMAT和混合VMAT之间SBBC的最佳治疗计划，并提出混合VMAT计划是PTV覆盖和OAR剂量减少的更好选择，研究中治疗方案没有与VMAT以外的其他技术进行比较，如IMRT和HT。

对于低分级的SBBC的3DCRT与VMAT和IMRT混合方案进行剂量学比较。研究人员得出的结论，3DCRT和IMRT技术的结合可以提供优越的剂量学结果。Gaudino等人近在自由呼吸和深吸气屏气（DIBH）技术之间对VMAT计划的SBBC进行了剂量评估，研究人员认为，以为DIBH的重复性较好，在SBBC中是可行的。Soujanya等人报道了，DIBH降低了左侧乳腺癌患者治疗中OAR的剂量。这本项研究中，我们没有使用DIBH方法，因为这项技术常用于左侧乳腺癌的治疗，以减少对肺部和心脏的剂量，这是本研究的局限性。因此DIBH的应用，需要从剂量和放射生物学角度对SBBC的治疗进行研究。同时，剂量计算算法和放射生物学模型也是本研究的局限性。

观察结果表明，在本研究中用于比较的技术均具有良好的一致性和同质性，HT计划的PTV最大剂量较低。对于平均剂量而言，HT计划和IMRT计划都显示了对于所有OAR都有较低的剂量。在VMAT计划中，低剂量体积、最大剂量和平均剂量值都较高。

本研究中，所有的治疗方案在放射生物学评估中均具有良好的TCP值。心脏、肝脏和脊髓的NTCP在两种模型中的价值都可以忽略不计。在Niemierko模型中，整个肺的NTCP值略高，在LKB模型中，食道的NTCP值略高。

结论

总之，在目前SBBC放射治疗计划的比较中，HT计划的OARs保护更好，而TCP在所有三种技术中都较高。三种计划技术之间的TCP和NTCP比较表明，IMRT和HT技术可以考虑应用于SBBC的治疗中。目前没有定义治疗SBBC的标准方案，本研究为制定未来的治疗指南提供了必要的信息。也可以根据每位患者的解剖和临床挑战，使用剂量学参数与TCP和NTCP估计的放射生物学参数对计划进行比较和排序。

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