放疗是胸上段食管癌的主要治疗手段,调强放疗在靶区适形及正常组织保护等方面优势明显。近年来,在调强技术基础上基于旋转照射的动态容积调强技术(volumetric modulated arc therapy,VMAT)已逐步应用于临床^[1],可以达到较好的靶区剂量分布,缩短治疗时间。

Ma等^[2]和Yin等^[3]对VMAT技术在胸上段食管癌中的应用做了研究,相比调强放疗(IMRT),VMAT改善靶区剂量分布的同时,显著降低了肺高剂量体积和平均剂量,是胸上段食管癌首选的放疗技术。但是有研究表明,VMAT采取连续整弧旋转照射,增加了低剂量受照射体积,通常可通过调整多叶准直器(MLC)角度来提高靶区适形度,减少MLC叶片间的漏射^[4]。究竟哪个角度更为合适却很有争议,Otto^[1]认为45°是比较理想的选择,Bortfeld和Webb^[5]则认为0°合适,而在实践中更多则是凭借计划者的经验自由选择不同角度^{[3, 6]}。

本研究希望通过细化分割准直器角度参数进行VMAT计划设计,根据各角度的剂量参数结果比较,寻找一个胸上段食管癌VMAT治疗时,在各项参数上表现均衡、稳定且相对最佳的角度,便于临床工作的应用。

1.病例资料和模拟定位:选取上海市胸科医院2015年8月至2015年11月共8例经病理学检查证实的胸上段食管癌患者,取仰卧位,用头颈肩热塑模固定,经CT模拟定位和静脉增强扫描。扫描范围上界为颌下,至少包括双侧下颈,下界为胸12椎体。CT图像经DICOM传输至治疗计划系统进行靶区及危及器官勾画。

2.治疗计划设计:应用Oncentra治疗计划系统(瑞典Elekta公司)进行VMAT计划设计,在瑞典Elekta公司Synergy加速器上进行治疗,多叶准直器带有40对叶片,叶片在等中心处投影宽度为1 cm。采用6 MV光子束,最大剂量率600 MU/min。考虑到双全弧相对单弧可以实现更好的靶区覆盖和均匀性^{[3, 7]},全部使用2个共面全弧,射野角度182°~178°,机架角度间隔4°,每个病例产生10套准直器角度不同的VMAT计划,10个准直器角度分别为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°,10组计划所用的剂量限值和优化条件均不变。处方剂量60 Gy/30次,要求95%PTV达到处方剂量。危及器官剂量限值:双肺V₅≤50%,V₂₀≤20%,脊髓最大受量D_max≤45 Gy。

3.剂量学比较:用剂量-体积直方图对PTV的剂量参数以及剂量分布的适形度和均匀性进行比较,观察各项指标在不同计划中的差别。①PTV的剂量参数(cGy)D₂、D₅、D₅₀、D₉₅和D₉₈,分别代表2%、5%、50%、95%、98%的相应靶体积所受到的绝对剂量。②剂量分布的适形度和均匀性分别用适形度指数(CI)和均匀性指数(HI)表示。CI=V_T,ref/V_T×V_T,ref/V_ref,式中,V_T,ref为接受处方剂量的PTV体积,V_T为PTV体积,V_ref为接受处方剂量的所有区域体积,CI越接近1,剂量分布的适形度越好。HI=(D₂-D₉₈)/D_p×100%,D_p为处方剂量,Gy,HI越大说明剂量分布越不均匀。危及器官参数,双肺V₅、V₁₀、V₁₅、V₂₀、V₃₀、平均肺剂量(MLD)和脊髓最大受量D_max。

4.统计学处理:数据用x±s表示。对于计划各参数使用SPSS 19.0软件进行一般线性模型(GLM)分析。P < 0.05为差异有统计学意义。本研究中,经过比较各组计划,可以初步判断对于胸上段食管癌病例的VMAT治疗采用20°的准直器角度参数可以得到相对其他各组更佳的剂量结果。在进行统计学分析时,为摒除多组在各方面处于中间范围内,结果较为相近的数据对统计分析的干扰,这里仅对常见有代表性的准直器角度选项0°、45°,以及本组所选定的20°这3组数据进行各项参数的差异性分析。

1.PTV参数指标:PTV的D₂、D₅、D₉₈及CI、HI值均呈现一定的差异,见表 1。在D₉₅均为6 000 cGy处方剂量时,D₉₈在不同机头旋转角度各组间变化较小,而D₂、D₅在15°及30°以上的各组中有明显的增大趋势。20°计划的CI值最优,HI值也仅略逊于0°计划,处于整体较好的水平。0°、20°、45°时CI、HI比较,差异无统计学意义(P > 0.05)。

表 1(Table 1)

表 1 不同准直器角度照射患者PTV剂量参数比较(x±s) Table 1 Dosimetric parameters for PTV at different angles of MLC (x±s) 准直器角度(°) 例数 D2(cGy) D5(cGy) D50(cGy) D95(cGy) D98(cGy) CI HI 0 8 6 407±121 6 379±117 6 256±85 6 000±0.3 5 824±46.1 0.77±0.04 9.71±2.73 5 8 6 418±131 6 387±125 6 262±90 6 000±0.3 5 823±47.4 0.77±0.04 9.91±2.91 10 8 6 427±140 6 393±131 6 268±104 6 000±0.2 5 833±49.4 0.77±0.04 9.91±3.13 15 8 6 441±120 6 407±115 6 273±89 6 000±0.3 5 826±39.8 0.77±0.04 10.25±2.64 20 8 6 424±136 6 391±124 6 257±86 6 000±0.3 5 833±42.4 0.78±0.04 9.85±2.95 25 8 6 420±111 6 390±106 6 262±83 6 001±0.3 5 829±45.3 0.77±0.04 9.85±2.60 30 8 6 435±109 6 402±105 6 269±81 6 000±0.3 5 828±40.4 0.77±0.04 10.13±2.31 35 8 6 438±118 6 403±108 6 268±81 6 000±0.2 5 828±47.1 0.77±0.04 10.17±2.65 40 8 6 458±134 6 423±126 6 280±94 6 001±0.2 5 830±47.2 0.77±0.04 10.47±2.94 45 8 6 475±138 6 441±129 6 295±95 6 000±0.3 5 835±44.6 0.76±0.04 10.67±3.01

表 1 不同准直器角度照射患者PTV剂量参数比较(x±s) Table 1 Dosimetric parameters for PTV at different angles of MLC (x±s)

2.危及器官参数

(1) 肺组织:全肺参数见表 2。20°计划在V₃₀以外的所有指标均最优,而15°及35°~45°时相对表现均较差,特别是V₁₀、V₁₅和V₂₀,20°计划时相比其他9组整体呈现范围缩窄,均值下降的现象,说明选用20°所做的计划在这3个指标中具有优势且表现稳定。而对于V₃₀和MLD,除了35°~45°时明显较差以外,其他各组均差别不大。全肺的V₁₀、V₁₅和V₃₀差异具有统计学意义(F＝5.328,8.033,28.424,P < 0.05),V₅、V₂₀及MLD差异无统计学意义(P > 0.05)。

表 2(Table 2)

表 2 不同准直器角度照射患者肺剂量参数比较(x±s) Table 2 Dosimetric parameters for lung at different angles of MLC(x±s) 准直器角度(°) 例数 V5(%) V10(%)a V15(%)a V20(%) V30(%)a MLD(cGy) 0 8 36.12±2.23 25.05±2.66 19.73±2.86 15.29±2.23 8.14±1.41 842.38±77.03 5 8 36.17±2.11 24.82±3.08 19.66±3.52 15.34±2.90 8.24±1.75 841.25±91.51 10 8 36.30±2.40 24.98±2.32 19.66±2.58 15.28±2.31 8.19±1.89 841.25±86.41 15 8 36.56±2.69 25.19±2.36 19.77±2.79 15.41±2.72 8.30±1.81 848.25±91.49 20 8 36.03±2.83 24.83±2.07 19.18±2.43 14.97±2.36 8.38±1.65 838.63±88.69 25 8 36.10±2.77 24.98±1.96 19.61±2.45 15.32±2.21 8.37±1.59 845.25±84.54 30 8 36.30±2.79 25.10±2.52 19.59±2.68 15.22±2.62 8.37±1.85 846.75±94.86 35 8 36.33±3.14 25.50±1.96 20.03±2.17 15.47±2.09 8.56±1.65 854.00±89.16 40 8 36.79±3.20 25.49±2.41 20.31±2.79 15.88±2.43 8.69±1.72 865.50±89.39 45 8 36.60±3.28 25.87±2.15 20.64±2.36 16.19±1.95 9.00±1.35 865.38±67.92     注:MLD.平均肺剂量;a0°、20°、45° 3组比较,F=5.328、8.033、28.424,P < 0.05

表 2 不同准直器角度照射患者肺剂量参数比较(x±s) Table 2 Dosimetric parameters for lung at different angles of MLC(x±s)

(2) 脊髓D_max:所有计划都满足脊髓最大受量≤45 Gy的剂量限值,0°、5°和20°时对脊髓的保护相对更好,见表 3。0°、20°和45°比较,差异有统计学意义(F=9.608,P < 0.05)。

3.总机器跳数:从表 3中可见,总机器跳数15°和20°时最好,而30°及以上各角度MU均有所增加,特别是45°时比15°和20°增加了15%以上。0°、20°和45°比较,差异有统计学意义(F=4.464,P < 0.05)。

本研究显示,对于胸上段食管癌病例VMAT计划时,通过调整不同准直器角度,会使靶区的适形性和均匀性有所改变。CI值在20°最优,0°、5°与之接近,优于其他各组;HI值在0°时最优,20°略逊于0°;而当角度 > 30°时,CI和HI值均开始逐渐变差,但差异无统计学意义。表 3显示了脊髓最大剂量和机器总跳数在各组间的差异,0°、5°和20°组都表现出更好的脊髓剂量保护,机器总跳数MU也相对较低,而45°组的脊髓最大剂量和机器总跳数都处于10组中的最高位,差异具有统计学意义。说明合适的准直器角度可以在保证靶区剂量分布优势的同时,更好地保护危及器官并显著降低MU值,缩短治疗时间,提高治疗效率。

表 3(Table 3)

表 3 不同准直器角度照射患者脊髓最大剂量与机器跳数(x±s) Table 3 Maximal doses of spinal cord and monitoring units at different angles of MLC (x±s) 准直器角度(°) 例数 脊髓Dmax(cGy)a 跳数a 0 8 4 322±154 608±43 5 8 4 354±120 602±49 10 8 4 401±136 605±53 15 8 4 410±88 594±41 20 8 4 361±109 597±45 25 8 4 386±126 606±52 30 8 4 409±89 627±92 35 8 4 368±90 627±112 40 8 4 444±127 620±131 45 8 4 447±110 689±118     注:MLC.平均肺剂量;a0°、20°、45° 3组比较,F=9.608、4.464,P < 0.05

表 3 不同准直器角度照射患者脊髓最大剂量与机器跳数(x±s) Table 3 Maximal doses of spinal cord and monitoring units at different angles of MLC (x±s)

VMAT技术在胸上段食管癌中对靶区适形性以及保护周围正常器官等方面的优势已经得到证明^[8],主要的劣势体现在对低剂量体积的增加上,放射性肺炎是食管癌放疗中较为常见的并发症,多项研究提示,正常肺组织剂量体积参数与放射性肺炎的发生率相关。临床正常组织效应量化分析(quantitative analysis of normal tissue effects in the clinic,QUANTEC)认为,全肺V₂₀以及MLD是胸部肿瘤放疗发生放射性肺炎的主要预测因素,当V₂₀ > 30%或MLD=2 000 cGy时,放射性肺炎的发生率为20%^[9]。Schallenkamp等^[10]则提出V₁₀和V₁₃是最好的预测因素,其价值甚至超过了V₂₀。对于胸上段食管癌病例来说,在保证靶区适形性的同时,适当的改变准直器角度,以尽量减少在机架不断旋转过程中MLC叶片间的漏射造成的总体漏射剂量叠加,而这部分剂量是很难通过改变计划设计时设定的优化参数来控制的。

Otto^[1]认为对于大多数的病例来说,准直器设为45°相对于0°可以通过多对叶片的运动实现剂量的调强,效果要优于仅靠一对叶片的运动,Bortfeld和Webb^[5]则认为45°的这种优势并不明确,并且通过选取0°在一个2D模型上的计算进行了分析,然而这都是基于VMAT技术能否实现角度的理论研究。胸上段食管癌沿人体纵轴位置变化较大,靶区周围的解剖结构复杂,呈T型的靶区形状较为不规则,这可能对准直器可选择的旋转角度范围有所限制,根据本研究结果,所有病例的10套计划根据以上观察的各个指标结果结合计划DVH图相互比较,按照靶区剂量达到处方要求,脊髓不超过限定剂量的前提下肺剂量体积参数优化排序,确定不同病例个体的最优与最差角度,8个病例中最佳角度为20°(3例)和5°(3例),最差角度为45°(3例),但同时5°作为最差角度也出现了2次。30°及以上各角度整体表现较差,临床接受度较好的计划主要集中在0°/5°与20°/25°中。对0°、20°、45°这3组的统计学比较提示,选择不同角度在全肺的V₁₀、V₁₅和V₃₀差异具有统计学意义,证明合理选择准直器角度,在保证靶区适形度和均匀性以及其他危及器官受量的同时,确实可以有效改善肺剂量参数。对于胸上段食管癌VMAT计划,当准直器角度设定为30°及以上各角度时整体表现较差,提示过大的准直器旋转角度对于食管癌病例VMAT计划是不合适的,而在0°、5°与20°之间则没有太大差异,这可能与病例本身的靶区形状以及与危及器官位置关系有关。

本研究因为需要对每个病例进行10次VMAT计划设计,耗时较长,所以选取的病例较少。另外,所有计划是基于MLCi2多叶准直器和Oncentra治疗计划系统实现,不同厂家不同型号的叶片物理参数以及不同放射治疗计划系统对于VMAT实现的算法都会有所不同,这方面还有待更进一步的研究。

根据本研究结果,认为对于胸上段食管癌病例进行VMAT治疗时,通过合理的选择准直器角度可以有效地改善肺的剂量参数结果,可选角度不应该超过30°。虽然通过本研究中的8例食管癌病例VMAT计划结果分析,20°是一个在各观察指标上表现均衡,稳定且具有一定优势的可选择角度,但是与0°、5°相比差异并不明显,对于具体的病例,在综合考虑靶区形状以及与危及器官的位置关系后,选择一个最为适当的角度可能更具有临床意义。