全段食管癌非均整模式與均整模式下容積旋轉調強放療的劑量學研究*

宋宏昌，康盛偉，黎杰，吳駿翔

615000四川 涼山州，西昌市人民醫(yī)院 腫瘤科(宋宏昌);610041成都，四川省腫瘤醫(yī)院·研究所，四川省癌癥防治中心，電子科技大學醫(yī)學院 放射腫瘤學四川省重點實驗室(康盛偉、黎杰、吳駿翔)

均整器(flattening filter，F(xiàn)F)是常規(guī)直線加速器的標準構件，使劑量在特定深度處(10 cm處)達到分布均勻。近年來，直線加速器廠商陸續(xù)推出非均整器(flattening filter free,FFF)模式的照射技術，即在治療時移除了加速器結構中的FF。FFF模式與FF模式相比，F(xiàn)FF模式光子束的劑量學特性是增加了中心軸的輸出劑量[1]、增加劑量率[2]、減少野外劑量[3]、減少散射線和漏射線[4]。FFF模式的劑量學特性帶來的臨床優(yōu)勢是可減少正常組織的受照劑量[5]，降低二次癌癥發(fā)生概率[6]以及縮短照射時間[7]。

FFF模式已廣泛地應用于立體定向放療(stereotactic body radiotherapy,SBRT)技術[8-10]，在保證計劃質量的同時降低了照射時間，應用于如非小細胞肺癌、肝癌、腦轉移瘤等疾病的治療。目前，越來越多的研究將FFF模式應用于鼻咽癌[11]、宮頸癌[12]、乳腺癌[13]等部位常規(guī)分割劑量的容積旋轉調強放療(volumetric modulated arc therapy，VMAT)，研究結果均表明FFF模式具有提高計劃質量和照射效率的潛力。周沖等[14]和Nicolini等[15]的研究中分別比較了FFF模式VMAT和FF模式固定野調強放療(intensity modulated radiation therapy，IMRT)在上、中和下段食管癌中的劑量學差異，結果均表明FFF模式VMAT對于肺的保護更好，并且執(zhí)行效率更高。但是，國內外研究卻少有關于FFF模式VMAT與FF模式VMAT應用于全段食管癌的相關研究?；诖?，本研究旨在比較FFF模式VAMT和FF模式VMAT兩種模式在全段食管癌中劑量學和執(zhí)行效率上的差異，為FFF模式應用于全段食管癌VMAT的臨床治療提供一定的參考。

1 資料與方法

1.1 患者資料

隨機選取2020年10月至2021年4月四川省腫瘤醫(yī)院收治擬行放射治療的全段食管癌患者20例，其中男性15例，女性5例，年齡40～65歲，中位年齡57歲，所有患者均無放療禁忌證。

1.2 CT定位和靶區(qū)勾畫

采用仰臥位進行CT模擬定位，體部熱塑膜固定體位，患者雙手自然放于身側。定位CT采用荷蘭飛利浦公司的Brilliance BigBore的 16排大孔徑CT，掃描層厚0.30 cm。掃描后將患者CT數(shù)據(jù)傳送至美國MIM Software公司的 MIM Maestro軟件由主管醫(yī)生勾畫計劃靶區(qū)(planning target volume，PTV)和危及器官(organ at risk，OAR)。腫瘤大體靶區(qū)(gross tumor volume，GTV)的勾畫根據(jù)定位CT、MRI、PET/CT、食管造影等所見的原發(fā)腫瘤和陽性淋巴結，臨床靶區(qū)(clinical target volume，CTV)為GTV向四周外擴0.30～0.80 cm，頭腳方向外擴0.30 cm，PTV為CTV各方向均勻外擴0.30～0.50 cm。靶區(qū)體積152.21～674.65 cm3[平均體積(417.91±25.21)cm3]，靶區(qū)長度18.31～24.95 cm[平均長度(22.32±2.31)cm]。OAR包括肺、心臟、氣管和脊髓。PTV處方劑量60.0 Gy，分次劑量2.0 Gy/次，30次。

1.3 計劃的設計

使用Pinnacle39.10計劃系統(tǒng)進行計劃設計，優(yōu)化算法為SmartArc，劑量計算采用Adaptive Convolve算法，分別設計6 MV的FFF模式(FFF組)和FF模式(FF組)的VAMT計劃。2組計劃在計劃設計時采用相同的優(yōu)化條件，準直器0°，治療床0°，2個全弧(弧1順時針181°～179°，弧2逆時針179°～181°)，每個弧間隔4°生成一個控制點。FF組和FFF組的最大劑量率分別為600 MU/min和1 400 MU/min。加速器采用Elekta公司的Infinity型直線加速器，配置80對0.50 cm的多葉光柵。計劃設計要求：對于靶區(qū)，60.0 Gy劑量線至少要覆蓋95%的靶區(qū)體積(D95)，靶區(qū)內最大值(Dmax)<110%處方劑量；對于OAR，雙肺V5≤70%(Vn為≥n Gy照射的體積)、V20≤28%、平均劑量(Dmean)≤13 Gy；心臟V30≤40%、V40≤30%；脊髓最大值(Dmax)≤45 Gy。

1.4 計劃評價指標

靶區(qū)評估采用D95、D1、Dmean、均勻性指數(shù)(homogeneity index，HI)[16](HI=D2-D98/D50，其中D2、D50和D98為2%、50%和98%靶區(qū)體積所對應的劑量)以及適形指數(shù)(conformity index，CI)[16][CI=(TVPV)2/(TV/PV)，其中TVPV為處方劑量所覆蓋的PTV的體積，TV為PTV的體積，PV為處方劑量線所覆蓋的總體積]。HI越接近0表示均勻性越好，CI越接近1表示適形度越高。OAR的評估指標包括肺V5、V10、V20、V30和Dmean、心臟V30、V40和Dmean、氣管Dmax、和脊髓Dmax，以及2種模式下計劃的機器跳數(shù)(monitor unit，MU)、平均劑量率和平均照射時間[T=AMU/[(DR1+DR2)/2]，其中AMU為總MU，DR1為弧1平均劑量率，DR2為弧2平均劑量率]。

1.5 統(tǒng)計學處理

2 結 果

2.1 劑量學參數(shù)比較

分別對兩組計劃PTV的D95、D1、Dmean、HI和CI進行統(tǒng)計學比較，結果見表1。由表1可知，兩組計劃的D95、Dmean、D1和CI劑量學參數(shù)的差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)；FFF組的HI優(yōu)于FF組，HI值降低0.01，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。

表1 兩組計劃靶區(qū)的劑量學參數(shù)比較

兩組計劃OAR的劑量學參數(shù)比較見表2。由表2可知，兩組計劃的肺V30、心臟V30、V40和Dmean以及氣管Dmax的差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)；而FFF組的肺V5、V10、V20和Dmean、心臟的V20、脊髓的Dmax均優(yōu)于FF組，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。FFF組與FF組比較，肺V5降低1.95%、V10降低0.95%、V20降低0.75%、Dmean降低0.25 Gy；心臟V20降低0.70%；脊髓Dmax降低0.77 Gy(P<0.05)。

表2 兩組計劃OAR的劑量學參數(shù)比較

2.2 計劃執(zhí)行效率比較

兩組計劃的MU、平均劑量率和照射時間的比較見表3。FFF組與FF組相比，MU增加了11.42%、弧1平均劑量率增加了21.08%、弧2平均劑量率增加了32.64%、照射時間減少了11.89%。圖1為兩組計劃，兩個弧共180個控制點劑量率的比較，圖1A為弧1兩種模式90個控制點比較，圖1B為弧2兩種模式90個控制點比較，其中黑線為FFF組，紅線為FF組。對于弧1，F(xiàn)FF組90個控制點中，73.35%控制點的劑量率高于FF組；對于弧2，F(xiàn)FF組90個控制點中，78.95%控制點的劑量率高于FF組。

表3 兩組計劃MU、平均劑量率和照射時間比較

圖1 兩組計劃控制點劑量率比較

3 討 論

FFF模式去除了FF后改變了光子束的劑量學特性，如減少了射野半影，P?nisch等[17]研究比較了6 MV FFF和FF模式10 cm×10 cm射野深度10 cm處的半影寬度在x軸分別為6.4 mm、7.2 mm，y軸分別為5.2 mm、6.0 mm；減少了機頭的散射和漏射，從而降低了射野外的劑量，Kragl等[18]研究中顯示，對于6 MV和10 MV的肺癌SBRT計劃，F(xiàn)FF模式在野外20 cm處的劑量分別減少了23%和31%?；谝陨蟿┝繉W特性，F(xiàn)FF模式已逐漸應用于常規(guī)分割的放療中，F(xiàn)u等[11]使用FFF模式應用于鼻咽癌，與FF模式相比出束時間減少了24.2%，對于腮腺等OAR的保護優(yōu)于FF模式；Subramaniam等[13]比較了FFF模式與FF模式在乳腺癌中的劑量學差異，結果表明FFF模式對于OAR的保護更好，可用于乳腺癌的臨床使用。本研究顯示，對于全段食管癌VMAT計劃FFF組在OAR保護和計劃執(zhí)行效率等方面均優(yōu)于FF組。

FFF組和FF組兩種VMAT計劃的靶區(qū)和OAR均能滿足臨床要求。FFF組靶區(qū)的HI優(yōu)于FF組(P<0.05)，而D95、Dmean、D1和CI等劑量學參數(shù)的差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。OAR方面，由于FFF模式的劑量學特性，具有更少的散射、漏射線，F(xiàn)FF組對于OAR的保護更好，特別是低劑量區(qū)域，從而進一步減少VMAT照射技術的低劑量“沐浴”效應，周沖等[14]和Nicolini等[15]的研究中FFF模式中的肺V5、V20等指標均低于FF模式。本研究中結果與上述文獻類似，F(xiàn)FF組的肺V5、V10、V20和Dmean與FF組相比分別降低了1.95%、0.95%、0.75%和1.99%，并且心臟的V20、脊髓的Dmax均優(yōu)于FF組(P<0.05)。對于食管癌放療，放射性肺炎是最嚴重的不良反應，其中肺的V5、V20和Dmean等指標是預測放射性肺炎的重要參數(shù)[19]，而FFF模式減少了肺的受照劑量，具有降低放射性肺炎發(fā)生概率的潛力。

另外，研究表明，照射時間的增加可能會增加二次腫瘤的發(fā)生概率[6]，并且照射時間過長也會增加治療中的不確定性和治療誤差[20]。雖然FFF組的MU高于FF組，但是由于劑量率的增加，F(xiàn)FF組的照射時間反而下降，照射時間減少11.89%。除此之外，本研究還詳細比較了兩種模式180個控制點的劑量率，對于弧1，F(xiàn)FF組與FF組相比，平均劑量率提高了21.08%，73.35%控制點的劑量率高于FF組，其中最大劑量率分別是950.31 MU/min和508.26 MU/min；對于弧2，F(xiàn)FF組與FF組相比，平均劑量率增加32.64%，78.95%控制點的劑量率高于FF組，其中最大劑量率分別是917.17 MU/min和581.72 MU/min。兩組計劃的劑量率均未達到最大限值，這可能與以下3個方面有關：1)與本研究選取的常規(guī)分割劑量有關，單次劑量2 Gy，計劃整體MU和每個弧的MU均少于SBRT計劃；2)與本研究中計劃質量和劑量限制有關，在劑量率還未達到最大時，加速器其他可變參數(shù)的物理極限已先行達到，無需更高的劑量率就可以達到計劃要求；3)另外，還可能與Pinnacle計劃系統(tǒng)在優(yōu)化、子野生成和劑量計算算法等方面有關，相比于其他計劃系統(tǒng)，在采用相同的照射技術時Pinnacle計劃得到的總MU偏低[21-22]，當控制點內的劑量率還在爬坡時就已完成了該控制點的劑量投遞。而FFF組MU的增加是由于去掉了FF后，射野內劑量均勻性變差，為了保證靶區(qū)中心和邊緣劑量，實現(xiàn)大野均勻照射，在優(yōu)化中需要增加更多的MU進行補償。Reggiori等[23]研究中得出了在肝癌中FFF模式與靶區(qū)體積的關系，靶區(qū)體積在100～300 cm3時FFF模式的適形度更高，而靶區(qū)體積<100 cm3和>300 cm3時，F(xiàn)F模式比FFF模式適形度更高。本研究由于選取的患者數(shù)較少，無法得出體積與FFF和FF模式計劃質量和執(zhí)行效率的關系，將在后期研究中增大病例數(shù)量探討靶區(qū)體積分析方法在食管癌中的規(guī)律，進一步完善FFF模式在食管癌放療中的應用情況。另外，本研究選擇的VMAT為全弧，在后續(xù)研究中將比較其與分段弧的劑量學差異。

綜上所述，通過對比20例全段食管癌的FFF模式和FF模式VMAT計劃結果表明，兩組計劃均能滿足臨床要求，靶區(qū)各個劑量學參數(shù)之間兩種模式差異無統(tǒng)計學意義，但FFF組對于OAR(肺、心臟、脊髓)的保護方面更有優(yōu)勢，計劃執(zhí)行效率更高。

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