脑转移瘤为颅内常见的恶性肿瘤类型，20%～40%的颅外恶性肿瘤患者可能发生脑转移[1]。其中，肺癌是最常见的原发肿瘤类型之一，占36%～64%,乳腺癌(15%～25%)和黑色素瘤(5%～25%)次之，结直肠癌和肾癌也有少数发生脑转移的病例[2,3]。尽管部分脑转移瘤可手术切除，但对于无法或不愿接受手术治疗的患者而言，放疗是一种重要的治疗方法。全脑放射治疗可能导致神经不良反应，造成患者出现认知功能下降和记忆力减退等症状[4,5,6]。因此，目前对于颅内转移病灶通常推荐局部放射治疗，包括立体定向放射外科(stereotaxic radiosurgery, SRS)和分次立体定向放射治疗(fractionated stereotactic radiotherapy, FSRT)[7,8,9,10,11]。SRS治疗一次性完成，患者舒适度较高，但治疗时间较长，尤其对于较大肿瘤，可能存在疗效不佳以及放射性脑损伤发生率较高等问题[12,13,14,15]。FSRT作为SRS的一种替代方案，采用小野集束、多分次照射，使得靶区周边剂量梯度变化较大、剂量分布集中，具有理论上的放射生物学优势和较高的生物有效剂量。FSRT治疗后，转移瘤体积显著缩小，对周围脑组织损伤较小，有效避免神经系统的不良反应，从而在脑转移瘤治疗中实现更好的局部控制，降低放射性坏死风险[16,17,18,19]。目前，临床FSRT主要采用容积旋转调强放射治疗(volumetric modulated arc therapy, VMAT)技术。然而，在VMAT实施过程中，多叶准直器(multi-leaf collimator, MLC)、患者运动与机架角度等因素的相互影响可能导致治疗精度的不确定性[20]。近年来，动态适形弧放射治疗(dynamic conformal arc therapy, DCAT)在各类肿瘤的治疗中得到广泛应用[20,21,22]。DCAT在机架角旋转过程中使多叶准直器始终与靶区适形，采用可变剂量率(variable dose rate, VDR)和子野形状优化(segment shape optimization, SSO),以实现更优的剂量适形性，同时在更大程度上保护正常组织[23,24,25]。本研究比较脑寡转移瘤FSRT中VMAT和DCAT 2种治疗方式的剂量学特点，并评估靶区球形度对2种治疗方式靶区和健康脑组织剂量的影响，旨在为临床放射治疗中治疗方式的选择提供指导和参考。

1、对象与方法

1.1病例选择及一般资料

选取2020-07-08-2022-05-27于中国科学院合肥肿瘤医院接受放射治疗的20例脑寡转移瘤患者为研究对象。纳入标准：(1)具有明确的原发肿瘤病理诊断；(2)经颅脑磁共振(magnetic resonance, MR)增强扫描证实有转移病灶。排除标准：(1)此前接受过脑放射治疗；(2)患有严重内科疾病。其中男12例，女8例；年龄40～82岁，中位年龄64岁；肺癌脑转移18例，乳腺癌脑转移1例，黑色素瘤脑转移1例，均为单发脑转移；靶区体积为11.137～34.279 cm3,平均靶区体积为21.610 cm3,靶区直径为2.35～4.77 cm,中位直径为3.23 cm。本研究通过中国科学院合肥肿瘤医院伦理委员会审查(SL-KY2023-010)。

1.2仪器设备

采用的模拟定位设备为Brilliance CT Big Bore型大孔径CT扫描仪(荷兰飞利浦公司),自动勾画系统为AccuContour 3.1(Manteia数据科技有限公司),治疗计划系统为Monaco计划系统5.11.03(瑞典医科达公司)。

1.3模拟定位与正常组织及靶区勾画

患者在模拟定位时均采用仰卧位，双手置于身体两侧，采用热塑性头膜固定。CT扫描范围为颅顶至颅底，扫描层厚3 mm,未使用造影剂。所有CT影像通过数字成像和通信端口传输到自动勾画系统AccuContour 3.1,系统完成对正常组织如晶体、眼球、视神经、视交叉、脑干、脊髓、脑组织和皮肤等的自动勾画。勾画完成后，影像传至Monaco治疗计划系统，并与MR增强影像进行融合。由高年资医师在CT/MR影像上勾画肿瘤靶区(gross target volume, GTV),并由GTV在三维方向上外扩2 mm形成计划靶区(planning target volume, PTV),以考虑分次内、分次间和摆位误差。健康脑组织由脑组织减去PTV形成。

1.4处方剂量与计划设计

根据美国放射肿瘤学会(American Society for Radiation Oncology, ASTRO) 2022年脑转移瘤放射治疗指南[26],本研究采用FSRT,处方剂量设定为30 Gy,单次剂量为6 Gy。由同一位物理师采用Monaco 5.11.03治疗计划系统为20例脑转移瘤患者分别制定VMAT和DCAT计划。计划采用Elekta Infinity直线加速器，设定能量为6 MV无均整滤过器(flattening filter free, FFF)模式，剂量率为1 400 MU/min。所有计划的等中心设定为PTV几何中心。根据每位患者肿瘤的位置，使用相同的治疗床、机架和准直器角度进行VMAT和DCAT计划设计。剂量计算网格大小设为2 mm,蒙特卡罗剂量计算的不确定度设定为1%[27,28]。VMAT通量平滑度设为中等，DCAT计划均采用VDR和SSO进行优化。此外，2种计划方式使用相同的优化参数进行靶区和危及器官优化，剂量统一归一至处方剂量覆盖95%的靶区体积，危及器官剂量限制参考美国医学物理学会(American Association of Physicists in Medicine, AAPM)TG101报告[29]。

1.5计划评估

根据剂量体积直方图(dose volume histogram, DVH)以及治疗计划系统提供的相关参数，对VMAT和DCAT计划进行评估，两者采用相同的评估参数。PTV评估参数包括最大剂量(Dmax)、平均剂量(Dmean)、最小剂量(Dmin)、适形度指数(conformity index, CI)、梯度指数(gradient index, GI)以及剂量均匀性指数(dose homogeneity index, DHI)。CI、GI和DHI根据放射肿瘤治疗组(Radiation Therapy Oncology Group, RTOG)[30,31]和Paddick等[32]的建议计算：

CI=TV2PIVTV×PIVGI=PIV50%TVDHI=DmaxDRx

其中TVPIV表示处方剂量包围的靶区体积，TV表示靶区体积，PIV表示处方剂量线包围的所有区域体积，PIV50%则表示50%的处方剂量线包围的所有区域体积，DRx表示处方剂量。CI值范围为0～1,当CI趋近于1时，靶区适形度较好，反之则适形度较差。理想情况下，靶区周围剂量衰减极为陡峭时，GI值接近1,在实际剂量分布中，该指数通常>1[33]。DHI的理想值为1,剂量不均匀性增加时，其数值亦会相应增大。由于放射性坏死的发生与暴露于高剂量和低剂量辐射下的健康脑组织体积间存在关系，因此，对非PTV脑组织受到12、19.6和23.1 Gy剂量的体积进行评估[21]。此外，对脑干、晶体、眼球、视交叉、视神经、垂体和脊髓等其他危及器官的Dmax进行评估[19,34]。除剂量学参数外，还需比较VMAT和DCAT计划的复杂度，统计每个计划的机器跳数(MU)和控制点数(CP),计算复杂度指数：计划复杂度=MU/CP。该指数表示每个控制点的平均MU,若比值较低，意味着MLC叶片在2个连续的控制点之间的移动速度较快，从而导致剂量不确定性增加，计划复杂程度提高[35,36]。

为了探讨靶区形状对剂量参数的影响，本研究还评估了靶区球形度与VMAT和DCAT计划中的CI、GI、DHI以及健康脑组织V12 Gy、V19.6 Gy、V23.1 Gy之间的相关性。靶区球形度用于衡量靶区与理想球体的相似程度，通过比较与靶区体积相同的理想球体表面积Asphere和靶区表面积Atarget来计算。理想球体表面积可通过靶区体积推算得出，球形度计算公式为

ψ=AsphereAtarget=π13(6Vtarget)23Atarget

通过AccuContour 3.1影像组学分析可得到球形度值。

1.6统计学方法

使用SPSS 24.0对数据进行统计学分析。计划数据以x−±s

表示，通过Shapiro-Wilk检验评估数据正态性。若数据符合正态分布，采用Student's配对t检验对VMAT和DCAT计划数据进行比较；若数据不符合正态分布，使用Wilcoxon符号秩检验。采用Spearman相关性分析评估靶区球形度与VMAT和DCAT计划中CI、GI、DHI以及健康脑组织V12 Gy、V19.6 Gy、V23.1 Gy剂量之间的相关性。Spearman相关性系数rs表示关联强度，取值范围为-1～1;rs=0表示不相关，rs=1表示正相关，rs=-1表示负相关。|rs|越接近于1,相关性越强。检验水准α=0.05(双尾)。

2、结果

2.1靶区剂量参数比较

DCAT计划的靶区Dmax(Z=-3.920,P<0.001)和Dmean(Z=-3.920,P<0.001)均高于VMAT计划，而Dmin低于VMAT计划(Z=-3.360,P<0.001)。VMAT计划的CI值为0.87±0.07,高于DCAT的0.65±0.08(Z=-3.920,P<0.001),表明VMAT计划相较于DCAT计划具有更佳的适形度。VMAT计划的GI和DHI值均低于DCAT,均P<0.001,表明VMAT计划具有更陡峭的剂量梯度和更好的剂量均匀性。见表1。

2.2正常组织剂量参数比较

在健康脑组织方面，VMAT计划的V12 Gy、V19.6 Gy和V23.1 Gy均低于DCAT计划，均P<0.001。对于脑干和垂体，VMAT计划的Dmax值均低于DCAT计划，Z值分别为-2.277和-2.950,均P<0.05。而对于左右晶体、左右眼球以及左视神经，虽然VMAT计划的Dmax值略低于DCAT计划，但均P>0.05,差异无统计学意义。DCAT计划的脊髓Dmax值略低于VMAT计划，Z=-2.727,P=0.006;右视神经的Dmax值低于VMAT计划，差异无统计学意义，Z=-0.336,P=0.737。见表2和图1。

2.3计划执行效率及复杂度参数比较

VMAT计划的MU为1 153.75±241.72,CP为162.55±11.48,均高于DCAT计划的763.17±40.12和65.95±15.78,Z值分别为-3.920和-3.922,均P<0.001。VMAT计划的MU/CP值为2.61±0.68,低于DCAT计划的12.45±4.15(Z=-3.920,P<0.001),表明VMAT计划的复杂程度远高于DCAT计划。见图2。

2.4靶区球形度与剂量参数相关关系

Spearman相关分析结果显示，对于VMAT计划，靶区球形度与CI、GI、DHI以及健康脑组织的V12 Gy、V19.6 Gy、V23.1 Gy均呈弱正相关，但均P>0.05。而在DCAT计划中，靶区球形度与GI呈中等强度正相关(rs=0.465,P=0.039),与CI和DHI呈弱负相关，与健康脑组织的V12 Gy、V19.6 Gy、V23.1 Gy呈弱正相关，但均P>0.05。见表3。

表1 VMAT与DCAT计划靶区剂量参数比较(x−±s)

表2 VMAT与DCAT计划正常组织剂量参数比较(x−±s)

图1 VMAT与DCAT计划12和19.6及23.1 Gy剂量分布比较

图2 VMAT与DCAT计划的机器跳数和控制点数及计划复杂度比较

表3靶区球形度与VMAT及DCAT计划剂量参数相关性

3、讨论

本研究对脑寡转移瘤FSRT的VMAT和DCAT计划进行了剂量学参数比较。结果表明，VMAT和DCAT计划均能满足临床剂量限制的要求，相较于DCAT计划，VMAT计划具有更佳的靶区适形性、更陡峭的剂量梯度和更高的剂量均匀性，并在正常组织保护方面具有优势。然而，DCAT计划具有更低的MU和CP且计划复杂程度远低于VMAT计划。

靶区适形度是评价放射治疗计划质量的重要指标之一，它反映了射束与靶区之间的吻合程度。本研究中，VMAT计划的CI值高于DCAT计划(P<0.001),表明VMAT计划能更好地覆盖靶区，减少正常组织受到的不必要辐射，与其他研究结论一致[33,37],进一步证实了VMAT技术在提高靶区适形度方面的优越性。剂量均匀性和剂量梯度是评价放疗计划质量的另2个重要指标，它们反映了靶区内部和外部的剂量分布状况。本研究发现，VMAT计划的DHI值优于DCAT计划(P<0.001),表明VMAT计划能够实现更均匀的靶区内部剂量分布，并避免过高或过低的剂量峰值，这在对2种计划方式下靶区最大和最小剂量的比较结果中也得到了验证。此外，VMAT计划的GI值低于DCAT计划(P<0.001),表明VMAT计划能够使靶区外部实现更陡峭的剂量下降，从而减少正常组织受到高剂量辐射的范围。上述结果与其他研究发现相吻合[21,34],进一步显示了VMAT技术在改善剂量均匀性和剂量梯度方面的优势。

健康脑组织保护对于评估放射治疗对脑转移瘤患者生存质量的影响具有重要意义，它与潜在的神经毒性和认知功能障碍等并发症的发生率密切相关。本研究采用V12 Gy、V19.6 Gy和V23.1 Gy 3个参数来评估健康脑组织受到低中高剂量辐射的影响程度。结果显示，VMAT计划中3个参数均优于DCAT计划(均P<0.001),表明VMAT技术能有效降低健康脑组织所承受的辐射剂量，对正常脑组织具有更佳的保护效果，同时可能减少放射性坏死等远期并发症的发生风险，这与Türkkan[21]的研究结论相一致。此外，VMAT计划在脑干和垂体的剂量方面也低于DCAT计划(均P<0.05)。对于其他重要的正常组织(如晶体、眼球和视神经等),2种计划均能满足临床剂量限制要求，且差异无统计学意义。

在加速器执行效率方面，DCAT计划优于VMAT计划。本研究结果显示，与DCAT计划相比，VMAT计划的MU和CP均增加，表明VMAT计划需要更长的治疗时间。由于VMAT计划采用了逆向优化算法来生成最优化参数，因此需要更多的MU和CP来实现更佳的适形度，从而增加了计划的复杂性，这可能会导致患者在治疗过程中出现运动或位置偏移等问题的概率增加。相比之下，DCAT计划在满足临床剂量要求的前提下，显著降低了MU和CP,从而降低了计划复杂程度，可以减小放疗中因患者运动等情况导致的治疗精度误差，并有效缩短治疗时间，对于耐受性差的放疗患者，有助于提高治疗舒适度，降低因放疗时间过长导致患者移动及其他意外情况发生的概率。

此外，本研究还探讨了靶区球形度与2种计划方式靶区和健康脑组织剂量参数之间的相关性。结果显示，在VMAT和DCAT计划中，靶区球形度与CI、DHI以及健康脑组织的V12 Gy、V19.6 Gy、V23.1 Gy之间相关性差异无统计学意义。然而，在DCAT计划中，靶区球形度与GI之间呈中等强度正相关且差异有统计学意义，表明靶区球形度对2种技术的剂量影响并不明显，仅在DCAT计划中，随着靶区球形度增加，GI值会增加，即剂量梯度会变得更加平缓，这与其他研究结果略有差异[33]。Hofmaier等[33]比较VMAT与专用DCAT工具在多发脑转移瘤中的剂量学差异，发现靶区球形度与2种技术中V10 Gy和V12 Gy的差异呈中等相关且差异有统计学意义；其认为，对于近似球形的病灶，DCAT可能优于VMAT,而对于不规则形状的病灶，VMAT表现更佳。结论存在差异的原因可能有以下几点：(1)研究对象的不同。Hofmaier等[33]的研究对象为多发脑转移瘤，而本研究则重点针对脑寡转移瘤中的单发转移，这表明靶区球形度在单发转移瘤中对2种治疗方式的剂量影响减弱；(2)治疗方式的不同。Hofmaier等[33]的研究选择了非共面治疗，而本研究采用共面治疗，治疗方式可能也会影响靶区球形度与剂量之间的相关性；(3)研究样本量的差异。Hofmaier等[33]纳入20例患者共66个病灶，本研究仅选取了20例脑寡转移瘤患者共20个病灶，未来可以考虑增加研究病例数量。

综上所述，在满足临床剂量限制要求的前提下，VMAT计划相较于DCAT计划具有更佳的适形度、更陡峭的剂量梯度和更优良的剂量均匀性，并且对健康脑组织的保护作用更好。然而，DCAT计划的复杂程度更低，执行效率更高。临床应用中应根据患者的具体情况来决定。对于需高度适形和保护正常组织更为关键的病例，VMAT技术应优先考虑；而对于身体机能较弱且长时间放疗耐受性差的患者，DCAT技术可能更适宜。另外，根据患者的病情和治疗目标也可以选择不同的技术进行组合治疗以实现更好的治疗效果，未来可进一步开展研究。

参考文献:

[1] 殷蔚伯,余子豪,徐国镇,等.肿瘤放射治疗学[M]北京:中国协和医科大学出版社,2018:1624-1625

[5] 王嘉嘉,江澈,杜汉强,等,放射治疗对脑多发转移病人认知功能影响的研究[J].中国微侵袭神经外科杂志,2020,25(12):543-545

[12] 周冲,张伟,任洪荣,等分次立体定向放疗在中等大小脑寡转移肿瘤中的初步临床应用[J].中华转移性肿杂志,2021.4(4):298-301

[15] 魏夏平,苏洁洪,林楚捷,等.3种立体定向放射外科技术在不同脑转移个数下的比较[J].中国医学物理学杂志,2022.39(1):1329-1333

基金资助:国家自然科学基金(82202945);安徽省自然科学基金(2208085MA13);中国科学院合肥肿瘤医院优秀医学青年人才计划(2000000005);

文章来源:李洁,刘苓苓,崔相利等.VMAT与DCAT计划在脑寡转移瘤分次立体定向放疗中的剂量学比较[J].中华肿瘤防治杂志,2023,30(21):1272-1278.