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Dosimetric Comparison between Preoperative Volumetric Modulated Arc Therapy and Fixed-field Intensity-modulated Radiotherapy for Rectal Cancer
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摘要:目的 比较对直肠癌术前患者应用固定野调强(fixed-field intensity-modulated radiotherapy, FF-IMRT)和容积调强(volumetric modulated arc therapy, VMAT)两种计划方式进行术前放射治疗的剂量学差异。方法 选择15例直肠癌术前进行调强放疗的患者行CT模拟定位, 勾画靶区及危及器官, 对同一CT图像设计FF-IMRT计划和VMAT计划。评估靶区及危及器官的剂量分布。结果 VMAT计划组和FF-IMRT计划组靶区覆盖度均能满足处方剂量要求。与FF-IMRT计划组相比, VMAT计划组计划靶区(planning target volume, PTV)105%覆盖度、Dmean及Dmax均增加(P=0.011, P=0.017, P=0.006), 适形度指数减低(P=0.008), 而均匀性指数差异无统计学意义(P=0.193)。与FF-IMRT计划组相比, VMAT计划组膀胱V50增加约15%(P=0.009), Dmax平均值增加0.7 Gy(P=0.003);小肠V30降低10%(P=0.004), Dmax平均值增加0.9 Gy(P=0.000);骨髓V10、V30、V40分别降低2%、10%、10%(P=0.000, P=0.000, P=0.000), Dmean平均值降低1.7 Gy(P=0.000);左右股骨头D5分别降低3.2 Gy、2.4 Gy(P=0.000, P=0.000);全身V10、V20、V30、V40也明显降低(P=0.003, P=0.000, P=0.000, P=0.004)。VMAT计划组较FF-IMRT计划组机器跳数(monitor units, MU)平均值减少50%(P=0.000)。结论 直肠癌术前患者采用VMAT技术, 可以获得等同于或优于FF-IMRT计划的剂量分布, 患者治疗时间明显缩短, MU明显降低。Abstract:Objective To compare the dosimetric characteristics of preoperative volumetric modulated arc therapy (VMAT) and fixed-field intensity-modulated radiotherapy (FF-IMRT) for rectal cancer.Methods The CT images of 15 patients with rectal cancer were transferred into Eclipse planning system. FF-IMRT and VMAT plans were optimized on an Eclipse treatment planning system using beam data generated for Varian Trilogy linear accelerator. Same institutional dose-volume constraints for rectal cancer were used in both techniques. Targets and organs at risk were evaluated.Results The target volume coverage could meet the requirement of described dosage in both VMAT plan group and FF-IMRT plan group. Compared with the FF-IMRT plan group, the planning target volume (PTV) 105% (PTV105%) coverage, Dmean, and Dmax significantly increased in the VMAT plan group (P=0.011, P=0.017, and P=0.006, respectively), the radiation conformity index (CI) significantly decreased(P=0.008), and the homogeneity index showed no significant difference (P=0.193). Compared with the FF-IMRT plan group, the V50 of the bladder in the VMAT plan group was increased by about 15% (P=0.009), and the Dmax increased by 0.7 Gy(P=0.003); the V30 of the small intestine decreased by 10%(P=0.004), and the Dmax was increased by 0.9 Gy(P=0.000); the V10, V30, and V40 of the bone marrow reduced by 2%, 10%, and 10% (P=0.000, P=0.000, and P=0.000), and the Dmean reduced by 1.7 Gy (P=0.000); the D5 of the left and right femoral heads reduced by 3.2 Gy and 2.4 Gy (P=0.000, P=0.000); the V10, V20, V30, and V40 of the body also significantly decreased (P=0.003, P=0.000, P=0.000, and P=0.004). The VMAT group also had significantly lower number of monitor units (MU) when compared with the FF-IMRT plan group (P=0.000).Conclusions In patients with rectal cancer, preoperative VMAT can achieve equivalent or superior dose distribution compared with the FF-IMRT. In addition, VMAT can increase the number of patients treated per hour and reduce waiting time by shortening treatment time and reducing treatment MU.
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随着近年来固定野调强放疗(fixed-field intensity-modulated radiotherapy，FF-IMRT)在直肠癌术前患者治疗中的应用[1]，与三维适形放疗相比，采用FF-IMRT可以明显降低放疗的毒副作用，有可能提高肿瘤的局部控制率及生存率[2]。但是FF-IMRT的主要缺点是治疗时间较长，低剂量体积较大。容积调强放疗(volumetric modulated arc therapy，VMAT)是近年来发展的一种新的调强实施方式，临床研究结果显示：该方式在大多数肿瘤中体现了靶区剂量均匀、高适形度指数、更好地保护危及器官以及缩短治疗时间的优点[3]。本研究目的是通过对直肠癌术前患者应用FF-IMRT和VMAT两种计划方式进行比较，研究二者在直肠癌术前放射治疗中的剂量学差异。
对象和方法
对象
随机选择北京协和医院放疗科2011年2月至2011年10月间15例直肠癌术前行新辅助放疗患者。患者年龄40~80岁，中位年龄65岁。患者均签署知情同意书。
模拟定位
定位前2 h，排空膀胱、直肠，口服60%的泛影葡胺(20 ml+300 ml水稀释)，膀胱充盈。仰卧位，热塑体膜固定，静脉增强造影，使用Philips Briliance 16排大孔径CT模拟机进行扫描。扫描范围从L2椎体到坐骨结节下5 cm，层厚0.5 cm。传输图像至Varian Eclipse 8.6计划系统(ECLIPSE，Varian Medical Systems)。
靶区及危及器官勾画
临床靶区(clinical target volume，CTV)包括瘤床及周围2~5 cm区域和直肠系膜区域、骶前、闭孔、髂内、部分髂外、部分髂总淋巴结。CTV三维方向均匀外放1 cm形成计划靶区(planning target volume，PTV)。危及器官包括膀胱、小肠、骨髓、股骨头。
处方剂量和计划设计
对每例患者分别设计FF-IMRT计划(sliding window技术)和VMAT计划。CTV处方剂量50 Gy/25次，每次2 Gy。要求处方剂量至少包绕95%的PTV，平均剂量Dmean < 104%，最大剂量Dmax < 110%。危及器官剂量限值为：膀胱D50≤25~30 Gy，小肠D50≤20~25 Gy，骨髓D50≤30~35 Gy，股骨头D5≤40~45 Gy。FF-IMRT计划采用7野共面照射(180°、146°、113°、80°、280°、247°、214°)，剂量率400机器跳数(monitor units，MU)/min；VMAT计划采用2部分弧照射(80°~280°不出束)，准直器±20°，峰值剂量率600 MU/min。剂量计算采用AAA模型，计算矩阵0.25 cm。为计划评估的一致性，剂量归一要求处方剂量包绕95%的PTV。
设备及照射条件
FF-IMRT及VMAT照射使用Varian Trilogy加速器，60对多叶准直器(multileaf collimator，MLC)，射线能量6 MV。
计划评估
使用剂量体积直方图(dose-volume histogram，DVH)评估靶区和危及器官的剂量分布。靶区评估参数包括：接受处方剂量95%、105%体积百分比(PTV95%、PTV105%)、Dmean和Dmax，以及靶区的均匀性指数(homogeneity index，HI)和适形度指数(conformity index，CI)。HI定义为D5%/D95%(5%最高剂量区的PTV接受的最小剂量/95%最高剂量区的PTV接受的最小剂量)。CI按下式计算：CI=CF(Cover Factor)×SF(Spill Factor)，其中CF定义为PTV接受处方剂量的体积与PTV体积之比，SF定义为接受处方剂量的PTV体积与接受处方剂量的全身体积之比。危及器官评估参数包括：膀胱、小肠、骨髓、全身的V5、V10、V20、V30、V40和V50，及Dmean和Dmax；股骨头D5。计划参数包括：MU及照射时间。
统计学处理
使用SPSS 15.0统计软件进行统计学分析。采用配对样本均数的t检验分析比较两组计划各参数的差异，P < 0.05为差异有统计学意义。
结果
靶区剂量分布
VMAT计划组和FF-IMRT计划组靶区覆盖度均能满足处方剂量要求。FF-IMRT计划和VMAT计划PTV的剂量分布见表 1。与FF-IMRT计划组相比，VMAT计划组PTV105%覆盖度、Dmean及Dmax均增加(P=0.011，P=0.017，P=0.006)，CI减低(P=0.008)，而两组间HI差异无统计学意义(P=0.193)。
表 1 FF-IMRT计划和VMAT计划PTV的剂量分布($\overline x \pm s $)计划方式 PTV95%(%) PTV105%(%) Dmean(Gy) Dmax(Gy) HI CI FF-IMRT 99.87±0.10 18.25±6.07 51.62±0.18 54.45±0.46 1.06±0.02 0.93±0.01 VMAT 99.83±0.13 34.34±20.88 52.07±0.61 55.03±0.64 1.06±0.01 0.90±0.03 t值 -0.845 2.926 2.741 3.235 1.367 -3.065 P值 0.412 0.011 0.017 0.006 0.193 0.008 FF-IMRT：固定野调强放疗；VMAT：容积调强放疗；PTV：计划靶区；Dmean：平均剂量；Dmax：最大剂量；HI：均匀性指数；CI：适形度指数 危及器官剂量分布
VMAT计划组和FF-IMRT计划组危及器官限量均满足放射治疗肿瘤协作组(Radiation Therapy Oncology Group，RTOG)标准。与FF-IMRT计划组相比，VMAT计划组膀胱V50增加约15%(P=0.009)，Dmax平均值增加0.7 Gy(P=0.003)；小肠V30降低10%(P=0.004)，Dmax平均值增加0.9 Gy(P=0.000)；骨髓V10、V30、V40分别降低2%、10%、10%(P=0.000，P=0.000，P=0.000)，Dmean平均值降低1.7 Gy(P=0.000)；左右股骨头D5分别降低3.2 Gy、2.4 Gy(P=0.000，P=0.000)；全身V10、V20、V30、V40也明显降低(P=0.003，P=0.000，P=0.000，P=0.004)(表 2)。FF-IMRT计划组和VMAT计划组左股骨头D5分别为(39.34±3.28)Gy和(36.18±4.18)Gy，右股骨头D5分别为(38.40±2.90)Gy和(36.08±2.84)Gy，VMAT计划组均较FF-IMRT计划组明显降低(t=-5.082，P=0.000；t=-6.488，P=0.000)。
表 2 FF-IMRT计划和VMAT计划膀胱、小肠、骨髓、全身的剂量分布($ \overline x \pm s $)部位 计划方式 V5(%) V10(%) V20(%) V30(%) V40(%) V50(%) Dmean(Gy) Dmax(Gy) 膀胱 FF-IMRT 100.00±0 100.00±0 76.92±9.57 41.69±12.99 26.13±12.20 7.80±6.32 30.10±3.64 51.78±2.19 VMAT 100.00±0 99.99±0 74.65±7.43 38.95±12.03 25.38±12.46 8.94±6.76 29.86±3.35 52.49±2.17 t值 -1.000 -1.577 -1.637 -1.445 3.054 -1.094 3.596 P值 0.334 0.137 0.116 0.171 0.009 0.292 0.003 小肠 FF-IMRT 69.93±10.66 61.39±11.32 39.23±15.66 21.27±12.11 12.11±7.74 4.81±3.91 18.52±5.37 53.08±0.67 VMAT 70.53±10.15 61.77±10.08 36.01±14.39 19.10±10.08 12.04±6.60 5.44±3.84 17.92±4.21 53.94±0.51 t值 1.094 0.561 -1.463 -3.437 -0.129 2.293 -1.372 5.142 P值 0.292 0.583 0.165 0.004 0.900 0.038 0.192 0.000 骨髓 FF-IMRT 90.0 ±18.53 89.54±5.70 76.24±15.05 61.23±5.87 31.32±5.68 7.10±3.22 31.91±1.99 53.95±0.76 VMAT 95.70±3.95 88.13±5.79 72.80±5.95 55.26±4.98 28.26±6.04 8.17±4.12 30.21±2.01 54.42±0.64 t值 1.351 -7.551 -0.894 -7.584 -7.739 3.331 -12.087 2.499 P值 0.198 0.000 0.387 0.000 0.000 0.005 0.000 0.026 全身 FF-IMRT 54.05±7.63 45.08±7.68 33.25±6.31 17.95±4.09 10.31±2.55 6.52±1.58 14.64±2.87 54.45±0.46 VMAT 55.53±7.89 44.62±7.53 29.31±5.75 16.62±3.47 10.04±2.35 6.68±1.60 13.26±4.14 55.03±0.64 t值 10.830 -3.604 -14.355 -6.233 -3.489 2.738 -1.977 10.830 P值 0.000 0.003 0.000 0.000 0.004 0.016 0.068 0.000 FF-IMRT、VMAT、Dmean、Dmax:同表 1 MU评估
VMAT计划组MU值明显低于FF-IMRT计划组，其平均值分别是553.13和1092.87，VMAT计划组较FF-IMRT计划组减少约50%(P=0.000)。
讨论
VMAT是一种全新的IMRT技术[4]。与FF-IMRT不同，除MLC、剂量率可调外，VMAT引入第三个变量：机架旋转速度。机架旋转过程中射线出束，剂量率、射野形状、机架旋转速度同时可变、可调。机架旋转360°，共由177个控制点组成，机架旋转速度4.8°/s，最大剂量率可达600 MU/min，叶片最大速度2.5 cm/s，机架旋转一周约75 s。VMAT技术最大的优点是，与FF-IMRT技术相比，在不降低剂量分布的同时，进一步减少治疗时间和MU，从而提高靶区的生物效应、提高单位时间内患者治疗的数量[5]；由于MU的明显减少，进一步降低了机头散射线的数量，理论上可降低二次致癌的概率[6]。
随着VMAT技术的广泛应用及不断改进、完善，其高CI、较少的MU和对危及器官较好的保护等优势已在头颈部肿瘤、前列腺癌等肿瘤中得到确认。Yoo等[7]比较前列腺癌FF-IMRT与VMAT的剂量学差异，发现直肠、膀胱、小肠的平均剂量分别降低约3.6%、4.8%、3.1%。Vanetti等[8]分析头颈部肿瘤的剂量学差异，结果表明采用VMAT技术腮腺的平均剂量由40 Gy降至34 Gy。但是，直肠癌术前放疗与这些病变在靶区、危及器官、几何分布、剂量分布和危及器官耐受性方面有着完全不同的特点，目前国内尚未见直肠癌术前VMAT的剂量学研究报道。本研究探讨直肠癌术前FF-IMRT计划与VMAT计划的剂量学差异，分析比较靶区、危及器官、MU的差异，揭示VMAT技术在直肠癌术前患者放射治疗的剂量学特点，为临床治疗提供定量数据，也为临床治疗计划设计提供指导性依据。
本研究通过对15例直肠癌术前患者的FF-IMRT计划与VMAT计划分析和比较，发现两组计划均能满足临床靶区覆盖的要求，靶区的均匀性相当，但是VMAT计划CI稍差。另外通过DVH图分析可以看出，VMAT技术降低了小肠、骨髓、股骨头、全身的剂量，尤其是中高剂量区域的剂量。
直肠癌术前患者放射治疗的反应因素主要相关于危及器官剂量和受照体积的大小，与三维适形技术相比，FF-IMRT技术可更好地保护直肠、小肠等危及器官，在靶区得到控制的同时，进一步减少危及器官的急性放射反应和晚期并发症的发生，但是FF-IMRT技术的缺陷也较明显，如治疗时间较长、MU较多，可能进一步增加二次致癌的概率[6]。而VMAT技术的剂量分布等同于或优于FF-IMRT技术，其技术的优点恰好能弥补以上不足，治疗时间缩短至3~5 min，MU降至FF-IMRT的40%~50%。首先，FF-IMRT治疗时间较长限制每天每台机器治疗患者的数量。其次，患者在治疗床上的时间增加，会导致患者的舒适度降低、分次内危及器官和靶区的照射风险提高。再者，延长治疗时间也会对生物效应有一定的影响。文献证实，延长治疗时间，肿瘤细胞DNA修复、增殖的概率增加[9]。通过研究、模拟细胞的死亡和修复，理论上，延长治疗时间降低了肿瘤的控制概率。Wang等[9]研究发现治疗时间延长10~15min，肿瘤控制概率明显降低。Moiseenko等[10]分别照射3株宫颈癌细胞簇，照射时间分别为75 s、5 min、10 min，结果发现3株宫颈癌细胞的存活率分别为39%、53%和59%，但是体内肿瘤的变化是否与细胞簇的变化一致还需更深一步的研究。
综上，直肠癌术前患者采用VMAT技术，可以获得等同于或优于FF-IMRT计划的剂量分布，患者治疗时间明显缩短，MU明显降低，单位时间内每天每台机器治疗患者的数量增加，减少患者的等待时间。但其疗效还需进一步的临床评估。
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表 1 FF-IMRT计划和VMAT计划PTV的剂量分布($\overline x \pm s $)
计划方式 PTV95%(%) PTV105%(%) Dmean(Gy) Dmax(Gy) HI CI FF-IMRT 99.87±0.10 18.25±6.07 51.62±0.18 54.45±0.46 1.06±0.02 0.93±0.01 VMAT 99.83±0.13 34.34±20.88 52.07±0.61 55.03±0.64 1.06±0.01 0.90±0.03 t值 -0.845 2.926 2.741 3.235 1.367 -3.065 P值 0.412 0.011 0.017 0.006 0.193 0.008 FF-IMRT：固定野调强放疗；VMAT：容积调强放疗；PTV：计划靶区；Dmean：平均剂量；Dmax：最大剂量；HI：均匀性指数；CI：适形度指数 
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表 2 FF-IMRT计划和VMAT计划膀胱、小肠、骨髓、全身的剂量分布($ \overline x \pm s $)
部位 计划方式 V5(%) V10(%) V20(%) V30(%) V40(%) V50(%) Dmean(Gy) Dmax(Gy) 膀胱 FF-IMRT 100.00±0 100.00±0 76.92±9.57 41.69±12.99 26.13±12.20 7.80±6.32 30.10±3.64 51.78±2.19 VMAT 100.00±0 99.99±0 74.65±7.43 38.95±12.03 25.38±12.46 8.94±6.76 29.86±3.35 52.49±2.17 t值 -1.000 -1.577 -1.637 -1.445 3.054 -1.094 3.596 P值 0.334 0.137 0.116 0.171 0.009 0.292 0.003 小肠 FF-IMRT 69.93±10.66 61.39±11.32 39.23±15.66 21.27±12.11 12.11±7.74 4.81±3.91 18.52±5.37 53.08±0.67 VMAT 70.53±10.15 61.77±10.08 36.01±14.39 19.10±10.08 12.04±6.60 5.44±3.84 17.92±4.21 53.94±0.51 t值 1.094 0.561 -1.463 -3.437 -0.129 2.293 -1.372 5.142 P值 0.292 0.583 0.165 0.004 0.900 0.038 0.192 0.000 骨髓 FF-IMRT 90.0 ±18.53 89.54±5.70 76.24±15.05 61.23±5.87 31.32±5.68 7.10±3.22 31.91±1.99 53.95±0.76 VMAT 95.70±3.95 88.13±5.79 72.80±5.95 55.26±4.98 28.26±6.04 8.17±4.12 30.21±2.01 54.42±0.64 t值 1.351 -7.551 -0.894 -7.584 -7.739 3.331 -12.087 2.499 P值 0.198 0.000 0.387 0.000 0.000 0.005 0.000 0.026 全身 FF-IMRT 54.05±7.63 45.08±7.68 33.25±6.31 17.95±4.09 10.31±2.55 6.52±1.58 14.64±2.87 54.45±0.46 VMAT 55.53±7.89 44.62±7.53 29.31±5.75 16.62±3.47 10.04±2.35 6.68±1.60 13.26±4.14 55.03±0.64 t值 10.830 -3.604 -14.355 -6.233 -3.489 2.738 -1.977 10.830 P值 0.000 0.003 0.000 0.000 0.004 0.016 0.068 0.000 FF-IMRT、VMAT、Dmean、Dmax:同表 1
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