肺部小病灶5野调强、容积调强和陀螺刀疗法的剂量分布比较

王 鹏，周解平，詹必红，钱立庭，吴爱东，付 杰

（1.安徽省立医院西区放疗科，安徽 合肥 230022；2.安徽省立医院西区放疗科放射物理室，安徽 合肥 230022；3.上海交通大学附属第六人民医院放射治疗科，上海 200233）

立体定向放疗技术在肺部肿瘤治疗中的应用逐渐增多，肯定了大分割放疗在早期非小细胞肺癌（nonsmall cell lung cancer，NSCLC）和肺转移癌治疗中的作用。目前使用的立体定向放射治疗方式包括多野调强 （intensity modulated radiotherapy，IMRT）、容积调强 （volumetric modulated radio therapy，VMAT）和体部γ－刀［1－2］。 国内有学者［3－4］曾对IMRT和VMAT进行过剂量学研究。陀螺旋转式60Co立体定向放射治疗系统 （陀螺刀）属单源双轴线旋转聚焦式体部γ－刀［5］，关于其与加速器剂量学方面的比较尚无文献报道。本研究探讨5野调强 （5F－IMRT）、VMAT和陀螺刀计划在肺部转移瘤及周围型肺癌中剂量学分布特点。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选择2013年4月—2014年4月安徽省肿瘤医院放疗病区进行立体定向放射治疗的16例原发性及肺转移癌患者 （共20个病灶），其中，NSCLC 3例和肺转移癌13例，均为由于医学原因不宜手术或拒绝手术患者。其中男性11例，女性5例；年龄43～87岁，中位年龄56岁；周围型原发肺肿瘤3例 （3个病灶），转移性肺癌13例（17个病灶），其中肺转移瘤中食管癌肺转移3例（4个病灶），肺癌肺转移2例 （7个病灶），乳腺癌肺转移1例 （2个病灶），肝癌肺转移1例 （1个病灶）、腮腺癌1例 （1个病灶），软组织肉瘤肺转移1例，前列腺癌肺转移1例，恶性脑膜瘤肺转移1例 （1个病灶），宫颈癌肺转移1例 （1个病灶），鼻咽癌肺转移1例 （1个病灶）。病灶直径1.8～4.8cm，中位直径3.5cm。超过1个病灶则分次治疗，其中1个治疗结束后开始第2个病灶治疗。

1.2 主要设备 5F－IMRT和 VMAT技术采用Varian trilogy直线加速器和60对多叶准直器（MLC），均采用Philips ADAC逆向治疗计划系统。陀螺刀 （上海伽玛星科技发展有限公司）［6］全采用航天陀螺仪的旋转原理，将60Co聚焦放射源安装在2个垂直方向同步旋转的陀螺结构上。

1.3 CT模拟定位 定位方法：使用立体定位框架，患者采用舒适的体位卧于定位袋上，抽成真空固化成形并密封，双手上举紧握头顶的把手。CT定位扫描和治疗时要求患者平静呼吸，不采取呼吸动度限制措施，扫描范围从颈中线到膈肌下3cm（包括全肺组织），层厚5mm，层间距0mm，图像经光盘分别传送至陀螺刀放射治疗计划系统和Philips ADAC治疗计划系统。

1.4 靶体积的测量 大体肿瘤体积 （gross tumor volume，GTV）包括CT影像肺窗可见的肺部病灶 （参照文献取窗宽1500HU，窗位－600HU），GTV沿肺窗CT图像的肿瘤边缘并完整包绕整个肿瘤。临床靶体积 （clinic target volume，CTV）为GTV外扩5mm，包括考虑到肿瘤的呼吸运动所导致的肿瘤内靶区 （internal tumor volume，ITV），如果病灶靠近胸壁，则按原则减少外扩，不超出胸壁。计划靶体积 （plan target volume，PTV）为CTV外扩5～10mm，PTV为24.15～208.85cm3，中位 PTV 为83.68cm3，平均值为（90.73±47.8）cm3。确定正常肺 （并联器官）、脊髓和食管 （串联器官）为危及器官。左肺和右肺作为一个整体结构或者作为独立的结构分别计算。正常肺体积的范围为剔除GTV后的全肺组织［7］，正常全肺体积为2328.20～5336.90cm3，平均体积为 （3768.74±722.34）cm3。其中左肺体积的范围 为 1109.26～2259.52cm3， 平 均 体 积 为1669.89cm3；右肺体积为1278.66～3825.17cm3，平均体积为 （2151.55±547.24）cm3。脊髓体积为 （30.8±15.3）cm3，食管和脊髓的体积有个体差异。

1.5 放疗计划方案 为每例患者分别设计3种大分割放疗计划，包括5F－IMRT、VMAT和陀螺刀计划，均统称为体部立体定向放射治疗（stereotactic body radiotherapy，SBRT）计划，同一患者的3种治疗计划的处方剂量相同，分割方式也相同。①大分割5F－IMRT计划：采用共面5野，直接机参数优化 （direct machine parameter optimization，DMPO）算法，最大子野数为50个，最小子野面积和最小剂量跳数分别为4cm2和5MU，最大的剂量率为600MU·min－1；②VMAT计划：部分双弧，角度范围同5F－IMRT，采用SmartArc优化算法，最大叶片运动速度为0.46cm·Deg－1，最终间隔的弧形角度为4°，最大剂量率为600MU·min－1；③陀螺刀计划：采用正向计划设计，使用2号和3号准直器，2号和3号准直器孔径大小分别为12和30mm。为便于研究，本研究参照夏廷毅等［10］的方法采用5Gy×10次，总剂量50Gy照射。大分割5F－IMRT和VMAT计划采用95%PTV接受的照射剂量为处方剂量，即95%PTV接受剂量50Gy。陀螺刀照射计划50%等剂量 （处方剂量）线包绕95%PTV。其分割剂量、分割次数等与其他2种计划一致。正常组织剂量约束参照文献［8，10］，双肺接受20Gy照射体积占全肺体积百分比（V20）≤20%。对主气管、支气管、心脏和大血管接受的剂量要求＜40Gy，食管和脊髓接受的剂量要求＜30Gy。不符合上述要求的患者改用IMRT调强常规分割剂量照射 （2Gy／f）。本研究中所有SBRT计划经本院专业物理师和具有副高级以上职称的临床医师认可。

1.6 观察指标 ①适形指数 （conformity index，CI）［9］：CI＝ （VT，ref／VT）× （VT，ref／Vref），其 中VT，ref为参考等剂量面 （本研究为95%）所包绕的靶体积，VT为所有靶体积，Vref为参考等剂量面所包绕体积；CI值在0～1之间，CI＝1时表示参考等剂量面完全包绕靶体积，适形度越高，越接近1；② 均匀指数（homogeneity index，HI）［10］：HI＝D5%／D95%，HI值越大表明剂量不均匀性越大。D5%和D95%分别为5%和95%PTV所受到的照射剂量；③正常组织器官受照剂量：观察全肺平均剂量 （mean lung dose，MLD）和 V5、V10、V20、V30以及串联器官脊髓和食管的最大受照剂量。

1.7 统计学分析 采用SPSS 13.0统计软件进行统计学分析。3种计划的PTV剂量、PTV靶区CI、HI值和患者肺组织的受照剂量以表示，组间比较采用t检验。以α＝0.05为检验水准。

2 结 果

2.1 3种放疗计划的PTV剂量 （PTVD）分布3种治疗计划对于靶区的覆盖都比较满意，处方剂量覆盖95%的PTV。5F－IMRT、VMAT与陀螺刀计划的PTVD比较差异有统计学意义 （P＜0.05）。5F－IMRT计划的PTV Dmean 大于VMAT计划 （t＝0.760，P＝0.460）；VMAT 计划的 PTVDmean小于陀螺刀 （t＝19.975，P＝0.000）；5F－IMRT计划的PTVDmax小于陀螺刀（t＝23.835，P＝0.000）。陀螺刀计划的PTVDmean和PTVDmax均大于5F－IMRT 和 VMAT计划，5F－IMRT、VMAT和陀螺刀计划的PTVDmin比较差异无统计学意义（P＞0.05）。实际临床应用中只有平均PTVD有实际临床意义。见表1。

2.2 3种放疗计划PTV靶区的CI和HI值5F－IMRT、VMAT和陀螺刀计划的CI值比较：5F－IMRT计划的 CI值小于 VMAT计划 （t＝3.509，P＝0.003）；VMAT计划的CI值大于陀螺刀计划 （t＝8.694，P＝0.000）；5F－IMRT计划的CI值大于陀螺刀计划 （t＝3.427，P＝0.004）。即CI值方面，VMAT计划优于5F－IMRT计划，5F－IMRT计划优于陀螺刀计划。HI值比较：5F－IMRT计划的HI值大于VMAT，但组间比较差异无统计学意义（t＝1.500，P＝0.152）；VMAT计划 的 HI值小于陀螺刀计划 （t＝36.780，P＝0.000）；5F－IMRT计划的 HI值小于陀螺刀计划 （t＝41.040，P＝0.000）。见表2。

表1 3种放疗计划的PTVD分布Tab.1 Distribution of PTVD of three radiotherapy plans （n＝20，，D／Gy）

表1 3种放疗计划的PTVD分布Tab.1 Distribution of PTVD of three radiotherapy plans （n＝20，，D／Gy）

Group PTVDmax PTVDmean PTVDmin 5F－IMRT 5561.67±199.12 5261.18±119.10 4400.68±279.28 VMAT 5501.57±246.26 5228.15±190.20 4407.56±395.57 Gyroknife 10000.00±0.00 7048.56±213.10 4377.06±191.95

表2 3种放疗计划的PTV靶区CI和HI值Tab.2 CI and HI values of PTV of three radiotherapy plans （n＝20，）

表2 3种放疗计划的PTV靶区CI和HI值Tab.2 CI and HI values of PTV of three radiotherapy plans （n＝20，）

Group CI HI 5F－IMRT 0.7946±0.0649 1.1538±0.0280 VMAT 0.8507±0.0476＊ 1.1375±0.0378 Gyroknife 0.7377±0.0540＊1.6827±0.0488

2.3 3种放疗计划的全肺组织受照射量 VMAT计划的全肺组织V5、V10、V20和V30小于5F－IMRT计划 （t＝5.75，1.392，1.887，1.188；P＝0.000，0.186，0.080，0.255）；VMAT计划的全肺组织V5、V10、V20和V30小于陀螺刀计划 （t ＝ 4.303，5.018，1.264，2.069；P ＝0.000，0.000，0.233，0.059）；5F－IMRT计划的全肺组织V5、V10、V20和V30与陀螺刀计划比较差异无统计学意义 （t＝1.094，3.302，1.164，1.914；P ＝ 0.292，0.205，0.264，0.076）。VMAT计划 MLD明显低于陀螺刀计划 （t＝2.462，P＝0.027）和5F－IMRT （t＝3.682，P＝0.002），5F－IMRT和陀螺刀计划 MLD 比较差异无统计学意义 （t＝1.344，P＝0.200）。见表3。

表3 3种放疗计划的全肺组织受照剂量Tab.3 Doses of whole lung tissue of three radiotherapy plans （n＝20，，D／Gy）

表3 3种放疗计划的全肺组织受照剂量Tab.3 Doses of whole lung tissue of three radiotherapy plans （n＝20，，D／Gy）

V5 V10 V20 V30 MLD 5F－IMRT 0.2433±0.0557 0.1323±0.0422 0.0799 Group±0.0301 0.0510±0.0216 523.70±144.36 VMAT 0.2045±0.0521 0.1262±0.0429 0.0751±0.0321 0.0495±0.0204 495.00±146.35 Gyroknife 0.2569±0.0724 0.1709±0.0652 0.1445±0.2243 0.0566±0.0274 554.75±200.70

2.4 3种放疗计划的患侧肺组织受照剂量 与VMAT比较，5F－IMRT计划的患侧肺组织V5、V10、V20和V30值比较差异均无统计学意义（t＝0.447，0.004，1.841，1.300；P ＝0.661，0.997，0.087，0.215）；陀螺刀计划的患侧肺组织受照剂量 （V5、V10、V20和V30）大于5－IMRT计 划 （t＝5.329，4.337，1.641，1.038；P ＝0.000，0.001，0.123，0.317）；陀螺刀计划的患侧肺组织受照剂量 （V5、V10、V20和V30）大于 VMAT （t＝5.222，4.579，3.381，1.608，P＝0.000，0.000，0.005，0.130）。陀螺刀计划患侧肺组织的 MLD高于5－IMRT （t＝4.303，P＝0.002）和 VMAT计划 （t＝4.517，P＝0.000）。而5F－IMRT与VMAT计划患侧肺组织的MLD比较差异无统计学意义 （t＝0.977，P＝0.345）。见表4。

表4 3种放疗计划患侧肺组织受照剂量Tab.4 Dose of lesion lung tissue of three radiotherapy plans （n＝20，，D／Gy）

表4 3种放疗计划患侧肺组织受照剂量Tab.4 Dose of lesion lung tissue of three radiotherapy plans （n＝20，，D／Gy）

V5 V10 V20 V30 MLD 5F－IMRT 0.3367±0.0838 0.2492±0.0887 0.1609 Group±0.0692 0.1029±0.0480 852.38±283.80 VMAT 0.3297±0.1123 0.2492±0.1004 0.1517±0.0699 0.0996±0.0457 832.65±302.60 Gyroknife 0.4617±0.1510 0.3204±0.1277 0.1753±0.0814 0.1078±0.05411021.61±391.71

2.5 3种放疗计划健侧肺组织受照剂量 与陀螺刀计划比较，5F－IMRT计划健侧肺组织 MLD较高 （t＝8.370，P＝0.000）；与5F－IMRT放疗计划比较，VMAT计划健侧肺组织MLD差异无统计学意义 （t＝1.953，P＝0.071）；与陀螺刀计划比较，VMAT计划健侧肺组织 MLD较高 （t＝5.557，P＝0.000）。5F－IMRT 计划健侧肺组织V5和V10值高于VMAT计划 （t＝2.890，P＝0.012；t＝1.665，P＝0.118）及陀螺刀计划 （t＝5.750，P ＝ 0.000；t＝ 2.010，P ＝ 0.064）。VMAT计划健侧肺组织V5和V10值大于陀螺刀计划 （t＝3.800，P＝0.002；t＝0.444，P＝0.664）。3种放疗计划健侧肺组织的V20和V30值比较差异无统计学意义 （P＞0.05）。见表5。

表5 3种放疗计划健侧肺组织受照剂量Tab.5 Doses of healthy lung tisse of three radiotherapy plans （n＝20，，D／Gy）

表5 3种放疗计划健侧肺组织受照剂量Tab.5 Doses of healthy lung tisse of three radiotherapy plans （n＝20，，D／Gy）

V5 V10 V20 V30 MLD 5F－IMRT 0.1440±0.0923 0.0262±0.0412 0 0 203.Group 50±83.90 VMAT 0.0741±0.0794 0.0068±0.0178 0 0 165.39±72.10 Gyroknife 0.0089±0.0178 0.0040±0.0155 0 0 83.50±50.77

2.6 食管和脊髓最大受照剂量 本组患者均为转移性病灶和外周型肺癌，病灶多位于肺外侧带，肺中野，多远离脊髓和食管。5F－IMRT、VMAT和陀螺刀放疗计划的食管最大受照剂量分别为（13.83±10.38）、 （12.38±9.46）和 （14.19±10.09）Gy；5F－IMRT、VMAT 和陀螺刀放疗计划的脊髓最大受照射量分别为 （10.27±6.26）、（12.60±9.56）和 （13.52±5.69）Gy。

3 讨 论

放疗在肺转移瘤治疗中占重要地位，但常规放疗总剂量低，局部控制率不高，治疗后患者总生存率也不高。SBRT在肺部肿瘤治疗中的应用逐渐增加，肯定了大分割放疗在早期NSCLC和肺转移癌治疗中的作用。有研究［11］表明：大剂量低分割次数立体定向放疗治疗肺癌、肺转移癌时，而且病灶非邻近于纵膈及脊髓附近，不会出现严重的迟发毒性反应。本研究探讨5F－IMRT、VMAT和陀螺刀在肺部转移瘤及周围型肺癌中剂量学分布特点，以期为该类患者选择合适的治疗手段提供剂量学依据。

立体定向伽玛射线全身治疗系统原理：采用多束伽玛射线动态旋转聚焦的原理，保证了在焦点位置具有高剂量的伽玛射线对肿瘤病灶进行辐照［12］。夏廷毅等［13］认为：该技术所形成的剂量分布特点为高剂量集中到GTV，低剂量分布于周围组织，呈 “洋葱皮样”分布，类似于粒子植入的剂量分布特点，并称之为填充式三维适形。采用加速器实现适形放疗技术通过多野的多束射线叠加在靶区形成高剂量区，使靶区剂量高，靶区外剂量低，剂量分布均匀度和适形度较好，大多可控在100%±10%或更好。调强放疗计划的射野数均为5个野，且调强方法为动态调强，因每束射线必须包绕靶区，夏廷毅称之为 “包容式三维适形”，技术上可分为多野调强 （如5F－IMRT）和VMAT。

本研究比较3种放疗计划的靶区剂量分布特点、适形度和剂量均匀性以及靶区周边正常肺、食管、脊髓的受照剂量；选择肺转移病灶和早期外周型肺癌的优选计划。本研究参照文献 ［10］，限制脊髓和食管剂量在30Gy／10f内。针对同一份图像使用5－IMRT、VMAT和陀螺刀方法完成计划设计，并且3种照射方式的分割剂量、分次次数相同，采用统一的处方剂量，均为5Gy×10次照射。

本研究对陀螺刀、5－IMRT和VMAT放疗计划的剂量学特点进行了探讨，结果显示3种放疗计划的CI值均可达到临床要求，其CI值比较，VMAT计划＞5－IMRT计划＞陀螺刀计划；HI值比较，陀螺刀计划＞5－IMRT计划＞VMAT计划。陀螺刀照射计划的特征是剂量分布不均匀但平均剂量较高，这符合其基本原理，加速器完成的治疗计划类似于包容性三维适形，而陀螺刀计划类似于填充式三维适形放疗。

剂量学分析显示：陀螺刀计划的PTVDmean，PTVmax水平均明显高于5F－IMRT和VMAT计划，而PTVDmin值与5F－IMRT和VMAT计划类似。在临床上，只有PTVDmean有实际意义，在给予同样的处方剂量时，陀螺刀采用的标准是以50%的等剂量线包绕95%的PTV，而加速器疗法采用的标准是处方剂量包绕95%的PTV，陀螺刀计划的PTVDmean和PTVmax均高于5F－IMRT和VMAT计划。

3种放疗计划均采用相同的剂量分割模式，双肺V5、V10、V20、V30具有常规分割剂量模式下的意义。3种方法的区别：①加速器采用共面照射，仅在PTV所在的层面厚度体积内进行照射，而陀螺刀计划采用陀螺旋转式照射，因而可能会出现患侧肺组织的MLD较大的现象；②采用的射线源不同，分别为60Co和6MV－X线，穿透力不同，6MV－X线穿透力更强；③由于射线源不同，因而穿透力不同，因而，病灶所在的部位［14］（病灶大小、深浅、左右肺等因素）可能会影响剂量分布特点，尤其是影响60Co的剂量分布。例：对于4×4cm大小的照射野，60Co和6MV－X线在1、3、5、10、15和20cm的组织最大比 （tissue maximum ratio，TMR） 分 别 为 0.980、0.898、0.815、0.607、0.445、0.328 和 0.966、0.960、0.891、0.716、0.572、0.455，或许能够解释对侧肺照射剂量较低的原因。对相关影响因素的研究还需要进一步探讨；④Varian triology 5339（计划系统为Pinnacle 9.2）带有剂量优化系统，而陀螺刀尚未附带此功能。因而，对于3种模式的剂量学探索，还需更深层次的研究。

本研究中所有病灶均位于外周及肺中野，本研究通过剂量约束，均可以达到剂量约束要求，食管和脊髓受照剂量要求＜30Gy。由于食管和脊髓剂量不是本研究的主要研究目的，而且病灶所在的位置对剂量特征影响较大，如脊髓和食管的最低剂量可为0Gy，最高剂量分别达到24和21Gy，而对不符合上述要求的病例改用IMRT调强常规分割剂量照射 （2Gy／f）。由于临床治疗中采取的是大分割照射，因此当病变位于食管和脊髓附近时应注意最高受照剂量的约束，因其为串联器官，受照剂量一旦过高就会造成严重后果。

综上所述，对于相对孤立性的肺部较小体积病灶 （肺转移灶和早期肺癌）而言，VMAT和陀螺刀计划是2种不同照射方式的SBRT技术，均能达到所设置的靶区剂量要求和剂量约束；在保证SBRT摆位精度的前提下，陀螺刀计划的主要优势在于平均受照剂量高，能够在一定程度上保护健侧肺组织；而VMAT计划的主要优势在于适形度高，能够进行计划验证，全肺 （及患侧肺）V5、V10和MLD较低，具体选择哪种放疗技术需要根据各临床治疗单位所具备的实际医疗设备以及所治疗患者的实际情况权衡作出选择。

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