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  中华放射医学与防护杂志  2017, Vol. 37 Issue (2): 143-148   PDF    
引用本文
邱健健, 吕博, 黄莹, 卓维海, 郑向鹏. 基于容积旋转弧形调强放疗技术的肝癌立体定向放疗方案评估与位置误差分析[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2017, 37(2): 143-148, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2017.02.011.
基于容积旋转弧形调强放疗技术的肝癌立体定向放疗方案评估与位置误差分析
邱健健1, 吕博2, 黄莹1, 卓维海1, 郑向鹏2     
1. 200032 上海, 复旦大学放射医学研究所;
2. 200040 上海, 复旦大学附属华东医院放疗科
收稿日期: 2016-09-28
通信作者: 郑向鹏, Email:zhengxp@fudan.edu.cn
[摘要] 目的 基于容积旋转弧形调强放疗（VMAT）技术，对肝癌立体定向放疗（SABR）方案进行评估，并结合图像引导技术及呼吸管理技术，分析执行中患者位置误差。 方法 回顾性分析接受基于VMAT技术的SABR治疗并配合自主深呼气末屏气技术（vDEBH）进行呼吸管理的15例肝癌患者。VMAT计划采用2个部分弧，对治疗方案评估剂量参数，比较VMAT与调强放疗技术（IMRT）的计划质量差异。所有优化方案均经质量保证（QA）验证，包括点剂量和面剂量验证、机器跳数（MU）和出束时间记录。每次治疗时，锥形束CT（CBCT）影像采集2次，包括治疗前1次评估两次治疗间误差和治疗结束后1次评估当次治疗内位移。 结果 VMAT和IMRT优化方案的各剂量学参数均满足临床治疗要求，差异无统计学意义（P>0.05）；相比IMRT，VMAT方案的平均MU降低了28.1%（t=3.064，P < 0.05），且治疗时间缩短了31.6%（t=2.278，P < 0.05）。CBCT图像引导结果显示，采用vDEBH技术可有效减少当次治疗内的位置误差，各方向上的偏移均控制在可容许范围内（ < 3 mm）。 结论 基于VMAT技术的肝癌SABR治疗计划在靶区体积剂量分布和正常组织受量等剂量学表现与IMRT技术相当，可行性良好且在治疗效率方面优势明显。
[关键词] 容积弧形调强放疗     自主深呼气末屏气技术     立体定向消融放疗     影像引导     肝癌    
The feasibility of breath control management guided stereotactic ablation body radiotherapy of liver tumors by volumetric modulated arc therapy
Qiu Jianjian1, Lyu Bo2, Huang Ying1, Zhuo Weihai1, Zheng Xiangpeng2     
1. Institute of Radiation Medicine, Fudan University, Shanghai 200032, China;
2. Department of Radiotherapy, Huadong Hospital Affiliated to Fudan University, Shanghai 200040, China
Corresponding author: Zheng Xiangpeng, Email:zhengxp@fudan.edu.cn
[Abstract] Objective To investigate the feasibility and plan quality of the image-guided volumetric modulated arc therapy (VMAT) based voluntary deep exhale breath-holding technique in the stereotactic ablative body radiotherapy (SABR) for liver tumors. Methods Fifteen patients with liver tumors were involved in this study. All patients were immobilized with voluntary deep exhale breath hold (vDEBH) combined with real-time position management (RPM) respiratory gating system. Treatment was planned using VMAT with 2 modified partial arc and re-planned using intensity modulated radiation therapy (IMRT) technique for comparison. Dosimetric parameters were calculated for plan quality assessment. Quality assurance studies included absolute dose and multiple planar dose verifications, total monitor units and delivery time analysis. Daily cone beam computed tomography imaging was used to verify the motions. Results There were no significant dosimetric differences between VMAT and conventional IMRT plans (P>0.05). Both techniques were able to minimize doses to organs at risk including normal liver, kidneys, spinal cord, and stomach. However, the average monitor units with VMAT were significantly lower 28.1% than those with IMRT (t=3.064, P < 0.05).The average beam-on time in VMAT plans was 31.6% shorter than that in IMRT plans (t=2.278, P < 0.05). Conclusions The utilization of VMAT in the treatment planning of SABR for liver tumors under breath control mode has better dosimetrics. In comparison to conventional IMRT plans, VMAT plans have higher efficiency and feasibility.
[Key words] Volumetric modulated arc therapy (VMAT)     Voluntary deep exhale breath hold (vDEBH)     Stereotactic ablative body radiotherapy (SABR)     Image-guided radiation therapy (IGRT)     Liver tumor    

立体定向消融放疗(SABR) 是一种有效的低分割、非侵入、根治性治疗方式，其肿瘤局部控制率高且正常组织耐受性好[1]。对于局限的原发性肝癌和肝内寡转移瘤患者，SABR可以获得较好的局部控制率且毒性小，是此类肝肿瘤的备选治疗方案[2]。容积旋转弧形调强放疗(VMAT) 技术的单弧治疗模式支持约两分钟完成整个放射治疗，治疗时机架快速旋转配合多叶准直器(MLC) 动态运动，同时剂量率可变，多参数共同协作可实现快速调强放疗[3]。因而，VMAT技术更加适合大分割的放射治疗，尤其是SABR[4]。肝部肿瘤移动受呼吸运动影响大导致位置误差较大，从而引起剂量偏差。使用自主屏气控制技术(vDEBH) 是肝癌SABR治疗中较常采用的一种呼吸动度控制技术。Wunderink等[5]发现，运用呼吸控制可以把与呼吸运动相关的肿瘤动度控制在5 mm范围内。本研究通过比较IMRT和VMAT两种技术的肝癌SABR放疗方案质量和计划执行效率，评估VMAT技术在肝癌治疗方面的可行性，分析呼吸控制下的位置误差，以进一步提高治疗的精确性。

资料与方法

1.临床资料：回顾性分析2015年1月至2016年1月复旦大学华东医院15例经影像引导予以SABR治疗的肝癌患者，其中，原发性肝癌9例，胃肠道肿瘤等肝转移6例。患者中位年龄68.6岁(47~81岁)，肝部肿块直径 < 5 cm，病灶≤2个，处方剂量50 Gy/5次(隔天治疗，2周内完成)。所有患者治疗后3个月行定期随访，观察有无发生放射性肝损伤(RILD) 及其它放疗相关不良反应。

2.CT扫描及图像获取：所有患者采用SARB专用体位固定方式，具体为腹部真空垫配合热塑形膜固定体位，所有患者进行呼吸控制训练。按照美国放疗肿瘤学研究组(RTOG)1112报告[6]方法，肝脏肿瘤患者应采用自主深呼气末屏气技术(vDEBH) 来限制脏器呼吸运动，配合呼吸门控技术(门控设备选用美国Varian公司RPM®) 对患者呼吸状态进行有效管理。在RPM中选择“前瞻模式”，呼吸门控给出呼吸信号，实时进行患者屏气(呼气末) 控制，屏气状态下进行CT扫描，层厚3 mm，CT模拟设备为德国Siemens公司的SOMATOM Definition AS®，重复扫描2次，得到2套CT图像以确定ITV。

3.靶区获取及方案优化：CT影像网络传输至三维治疗计划系统(TPS)，由高年资放疗科医生确定靶区：可见肿瘤靶区(GTV)，内靶区(ITV) 定义为两套影像中所勾画的GTVs叠加体积，计划靶区(PTV) 定义为ITV外放5 mm的体积；正常组织包括正常肝脏(定义为肝脏体积减去ITV的肝脏体积)、肾脏、脊髓和胃等。

15例患者接受VMAT放疗技术完成放射治疗，治疗机为Trilogy®(美国Varian公司)。在保持两种计划优化条件一致的前提下，对每位患者重新设计调强(IMRT) 优化方案，与VMAT方案进行比较，TPS采用Eclipse®V13.5计划系统(美国Varian公司)。VMAT计划采用2个部分弧来调整肿瘤和正常组织的位置，基于PTV的位置调整部分弧的范围并对正常组织进行有效的屏蔽。IMRT初始设置6~9个照射野，通过调整射束的方向来减少临界处正常组织的受照体积。

4.治疗位置验证：治疗时分别扫描两套CBCT影像进行在线位置纠正，第1套CBCT图像在摆位之后立即获取，用来观测在线摆位误差；第2套CBCT图像在照射野完成后获取，用来观测分次间移动误差。计划的最后执行均经过临床放疗医生对图像融合比对结果的认可。统计所有患者每次治疗的系统误差和随机误差，纠正靶区位置在三维坐标中的在线摆位误差，观测当次治疗内的移动误差。

5.剂量学参数评估：评估优化方案的剂量体积直方图(DVH) 及断层剂量分布情况。统计正常组织受量，包括正常肝组织、两侧肾脏、脊髓、小肠、胃和PTV。小肠，脊髓和胃等串行的正常组织通过最大剂量来评估，最大剂量定义为包含1 mm3正常器官体积的最大剂量值；并行组织包括肝和肾，评估平均剂量和最大剂量。此外，统计正常肝脏接受15及21 Gy的体积，用来评估放射性肝损伤。根据国际辐射单位与测量委员会(ICRU)83号报告[7]，PTV的最大剂量定义为1 mm3的PTV体积所受的最大剂量，最小剂量定义为98%的PTV体积受到的照射剂量。PTV最大剂量必须 < 150%处方剂量，且100% PTV体积必须被90%处方等剂量线所包绕。

6.治疗方案质量保证(QA)：对优化方案进行剂量验证，包括点剂量与面剂量。点剂量采用电离室配合固体水模(红砖体模，美国MEDTEC公司) 实测绝对剂量，点剂量误差阈值设定为±5%。面剂量验证采用OCTAVIUS 4D©验证设备(美国PTW公司)，包含729个正立方通气电离室组成的二维矩阵阵列。面剂量用γ分析评估，γ分析采用3% 3 mm的剂量满足度(DTA)，设5%的阈值，至少90%通过[8]。

7.统计学处理：数据以x±s表示。采用SPSS 20.0软件进行分析。方差齐性检验后，用单因素ANOVA方法评价剂量学参数结果，从而确定因素对试验结果有无显著性影响；正态性检验符合正态分布，采用配对t检验方法评估两种治疗计划在治疗跳数(MU)、治疗时间及CBCT监控位置误差的差异。P＜0.05为差异有统计学意义。

结果

1.剂量学参数比较

(1) 靶区覆盖范围：IMRT与VMAT优化方案剂量分布如图 1所示。15例患者GTV体积为(44.2±31.22) cm3，PTV体积为(137.7±58.4) cm3。PTV最大、最小和平均剂量差异均无统计学意义(P＞0.05)。IMRT与VMAT优化方案剂量分布如图 2所示。无论使用IMRT还是VMAT计划，PTV体积接受至少90%处方剂量线包绕，最大剂量均 < 135%处方剂量。

图 1 患者的容积弧形调强放疗计划(A) 与调强放疗计划(B) 的优化方案剂量分布比较a.横断面；b.矢状面；c.冠状面 Figure 1 Comparison of dose distribution of the patient in VMAT plan (A) and IMRT plan (B) a.Transversal-CT; b. Sagittal-CT; c.Frontal-CT

图 2 自主屏气后CBCT与计划CT位置配准A.横断面；B.冠状面；C.矢状面 Figure 2 Registration between CBCT and planning CT under vDEBH A. Transversal-CT; B. Frontal-CT; C. Sagittal-CT

(2) 正常器官剂量：15例患者VMAT与IMRT优化方案正常组织剂量学参数比较结果列于表 1，IMRT计划与VMAT计划相比，表中所统计的剂量学参数结果差异均无统计学意义(P>0.05)。表明在计划质量方面，VMAT技术可以用于肝癌患者的SABR治疗，和传统的IMRT相比，有相当的剂量分布特点。

表 1 VMAT与IMRT优化方案靶区及正常组织剂量学参数比较(x±s) Table 1 Dosimetric parameter comparison of PTV and normal tissues between VMAT and IMRT (x±s)

2.CBCT图像引导下的位置验证：在线摆位系统误差在垂直、头脚、左右方向上分别为(0.35±0.26)、(0.64±0.60) 和(0.22±0.19) cm，随机误差分别为0.31、0.48和0.15 cm。由于患者采用vDEBH来限制脏器呼吸运动和VMAT快速治疗技术，得到其治疗内的系统误差在垂直、患者头脚和横向上分别是(0.10±0.13)、(0.07±0.14) 和(0.07±0.09) cm，随机误差分别是0.11、0.12和0.10 cm。与IMRT技术相比，VMAT技术在分次治疗过程中的移位误差大约减少了20%(t=3.378，P＜0.05)，最大可能归结于快速治疗所带来的分次内治疗时间大幅减少。

3.MU和传输时间：VMAT和IMRT计划的MU分别为2 537.0±382.9和3 527.6±935.7，相应治疗时间(4.33±0.40) 和(6.33±1.80) min。与IMRT计划相比，VMAT技术的MU缩短了28.1%(t=3.064，P＜0.05)；计划执行治疗时间减少了31.6%(t=2.278，P＜0.05)，表明VMAT技术用于肝癌患者的SABR治疗，和传统的IMRT相比，治疗效率更高。

4.剂量验证：面剂量采用γ分析，VMAT和IMRT计划中平均最小的通过率为97.2%和92.3%，平均绝对剂量点差异分别为1.4%和0.7%。验证结果均符合放射治疗计划实施临床QA要求。

讨论

通过评估肝部肿瘤SABR技术在IMRT/VMAT优化方案的剂量学结果显示，无论使用IMRT还是VMAT计划，PTV体积接受至少90%处方剂量线包绕，最大剂量均 < 135%处方剂量。与IMRT相比，VMAT技术可以实现与之相当的靶区剂量和临床可接受的正常组织受量。据证实肝脏对放射线非常敏感，而肝硬化或受慢性病毒感染的肝脏其敏感度更是难以预测，因而在肝脏肿瘤的放射治疗中，减少正常肝脏组织受照的平均剂量至关重要，研究表明RILD与正常肝脏组织受到的平均剂量有关[9-10]。最大体积700 ml接受到的总剂量 < 15 Gy且最大体积400 ml接受到的总剂量 < 21 Gy是正常肝组织的放射受量限值[11]。研究中，VMAT和IMRT计划正常肝脏组织受到以上相关参数的剂量均小于限值，且平均剂量分别为11.72和11.26 Gy，并且在放疗后随访中，所有的患者没有出现RILD。

肾脏在放射生物模型中既有串行组织特性也具并行组织特点。在IMRT计划中由DVH得到的对侧肾脏的低剂量体积较VMAT计划小，平均剂量两者都达到临床可接受的范围。尽管在胃的最大剂量没有明显的差异，IMRT技术在DVH数值分布及断层剂量分布上略好。

本研究表明，对于肝癌SABR而言，VMAT技术比传统IMRT技术具有效率方面的更大优势，包括机器治疗时间减少和MU的随之降低。鉴于所有基于VMAT和IMRT技术的SABR计划在治疗过程中都需要严格的患者定位、图像引导和靶区位置验证，这些步骤耗时长，增加了治疗相关的不确定性，因此尽量缩短患者所在治疗床的时间(包括出束时间)，有助于降低体位移动所带来的不确定性。VMAT技术可以减少有效出束时间，缩短总的治疗时间，潜在提高患者的舒适度和依从性。更重要的是，较短的出束时间使患者保持屏气状态更加可行，有利于呼吸控制技术的实现，尤其是受呼吸运动影响较大的肝部肿瘤。VMAT技术总MU大幅减少，有利于减少总体散射剂量，降低次级不良反应的发生率，比如潜在血液不良反应等。此外，VMAT较高的执行效率，也有助于降低治疗过程中患者自身的移动和内部器官的位置移动，即减少照射分次内的位移误差。

患者体位固定的舒适性对控制分次移位运动误差是有益的，固定时患者的高舒适性增加固定的重复性，有助于减少分次间的摆位误差，因此，本研究采用的SABR固定装置固定患者，同时治疗过程中基于CBCT的图像引导对于位置验证和评估分次治疗内的位置偏移也非常重要。很多因素导致分次位置移动误差，对于肝部肿块患者呼吸运动引起的误差不容忽视，呼吸运动引起治疗位置的误差直接导致放疗优化方案剂量的偏离[12-13]，影响放疗过程中实际的剂量分布。研究表明，由呼吸运动引起的剂量变化在腹部肿瘤中通常是明显的[14-16]。呼吸运动管理策略包括自主屏气控制、实时的肿瘤跟踪技术及呼吸门控技术[17-19]。根据RTOG 1112[6]推荐，肝脏肿瘤患者应采用vDEBH，配合RPM Varian呼吸门控设备帮助观察控制屏气状态。所以，本研究通过图像引导结合vDEBH来限制脏器呼吸运动，纠正摆位误差后，可以将分次内在垂直、患者头脚和左右方向上的位置误差控制在0.10 cm左右。

综上所述，本研究表明，VMAT技术可以用于肝癌患者的SABR治疗，和传统的IMRT相比有相当的剂量分布特点，但VMAT技术的治疗效率更高，使其更易与呼吸运动控制技术相结合，以提高治疗的精准性，同时更好地保护正常组织，获得更佳的总体治疗效果。当然，本研究所纳入的患者数有限，随访时间较短，长期的治疗效果(生存率) 和不良反应(乙型肝炎肝硬化的发生) 仍有待进一步评估。此外，本研究属于回顾性分析，结果仍需在前瞻性的临床研究中加以验证。

利益冲突 本人与本人家属、其他研究者，未因进行该研究而接受任何不正当的职务或财务利益，在此对研究的独立性和科学性予以保证
作者贡献声明 邱健健负责设计研究方案、收集数据后统计，并起草论文；吕博及黄莹负责进行试验，对数据结果进行分析；卓维海及郑向鹏指导、监督试验进行，修改论文
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