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  • 腫瘤防治科普平臺

    質子治療和光子放療在頭頸部腫瘤治療中的劑量雕刻對比

    2020/5/8 作者:質子中國

    所屬類型

    其他癌癥

    質子中國頭部圖片.jpg

    放療在腫瘤的綜合治療中占有重要的地位,在所有惡性腫瘤的治療中,約70%的病人需要接受放療。尤其在頭頸部腫瘤中,放療的作用舉足輕重,甚至在一定程度可以替代手術;這是因為頭頸部特殊的解剖結構,重要的神經、肌肉、血管都在一起,限制了手術范圍,從而影響手術效果;而通過加入放射治療后,就可以提高手術局部控制情況、改善患者生存。頭頸部腫瘤包括頸部腫瘤、耳鼻喉科腫瘤以及口腔頜面部腫瘤三大部分。根據國際流行病學研究機構提供的資料,我國近年頭頸部腫瘤的年發病率為15.22/10萬,占全身惡性腫瘤的4.45%。為了改善頭頸部腫瘤的局部控制率,劑量雕刻最近在頭頸癌的早期試驗中被研究。與此同時,質子治療被報道有潛在的降低毒性反應的能力。


    日前,來自丹麥哥本哈根大學醫院腫瘤放療科的研究人員對頭頸部腫瘤治療中采用質子治療和光子放療劑量雕刻技術進行了對比研究,并對計劃的魯棒性及對靶區和危及器官的劑量指標的差異進行了評估。原文發表于《ACTA ONCOLOGICA》雜志。

    質子光子治療頭部腫瘤劑量雕刻對比-文獻.jpg


    在頭頸部腫瘤治療中,平衡治療效果和毒性反應具有相當大的挑戰性。為了改善毒性反應情況,研究人員對預后良好的患者(如HPV陽性的口咽患者)進行降級方案的試驗。與此同時,人們對使用放射劑量雕刻以提高有不良風險因素的患者的治療效果的爬坡治療方案很感興趣。這兩種方案都旨在優化特定患者風險組的治療比率,并通過特定的納入/排除標準或先進的風險模型來識別。


    劑量雕刻是指在臨床靶區體積內規定不均勻的劑量,以便將劑量逐步增加到假定的局部失效高危區域。與光子放療相比,質子治療具有拓寬治療窗口的潛力,并被認為是一種可進行劑量雕刻的照射方式。研究表明,頭頸部腫瘤質子治療計劃在維持與光子放療相同的靶區劑量的同時,對危及器官(OAR)的照射劑量較低。早期階段的試驗表明,在頭頸部腫瘤的治療中,無論是劑量雕刻還是質子治療都有良好的治療效果。


    材料和方法


    15例頭頸部鱗狀細胞癌患者參與了該項對比試驗。其中,4例患者的牙齒因偽影嚴重,導致CT圖像無法重建??紤]到會存在不準確的阻止本領比(stopping power ratio),因而將此4例患者排除該項對比研究。剩余的11例患者被納入到該項質子治療與光子放療計劃的對比研究。其中,5例為口咽癌,4例為喉部腫瘤,2例為下咽部腫瘤。


    光子放療計劃


    處方劑量分別事PTVPET為79.7 Gy/ 34 f(每周進行6個分次治療),PTVgross (GTV外擴4 mm)為73.1 Gy,PTV1(CTV1外擴4 mm)為69.7 Gy,PTV3(CTV3外擴4 mm)為52.8 Gy。脊髓和腦干采用4 mm的計劃危險體積(PRV)擴展,以確保在發生擺位錯誤時不超過劑量限制。治療計劃由經驗豐富的劑量師進行設計優化,并由頭頸腫瘤專家和物理師批準進行治療。治療計劃采用AAA 11.0.31算法在Eclipse 11中執行,并使用VMAT雙弧治療技術。


    質子治療計劃


    質子計劃優化采用與光子計劃相同劑量限制,但不使用PTVs,而是采用魯棒優化(3 mm/ 3.5%,總共12項不確定性場景)對CTV執行靶區劑量覆蓋的約束(CTV1和CTV3的靶區覆蓋率達98%)和對脊髓和腦干的最大劑量限值(替代光子放療計劃中采用的計劃危險體積PRV)。魯棒性優化是Eclipse治療計劃系統中的一個內置選項,也用于最大劑量約束。質子治療計劃是由兩個醫學物理學家合作制定的(KH和BS)。治療計劃選用Eclipse 13 (Varian Medical Systems, Palo Alto, California)版本計劃系統,使用來自馬里蘭質子治療中心(Varian ProBeam)的束流參數,采用多場優化的NUPO優化算法和質子卷積迭加(PCS,版本13.7.14)體積劑量算法,并采用點掃描治療技術。劑量歸一化至與光子計劃相同的靶區平均劑量的100%。

    表:對比研究中采用的靶區和危及器官劑量限值

    質子光子治療頭部腫瘤劑量雕刻對比-劑量值.jpg


    結 果


    靶區劑量


    光子放療計劃和質子治療計劃的靶區覆蓋率均達到了劑量要求(CTV1和CTV3覆蓋率達98%),其中光子放療計劃的靶區平均劑量要高于質子治療計劃(P=0.005, CTV1 & CTV3)。所有的試驗患者均沒有CTV2。在光子放療計劃中,CTV覆蓋的魯棒性更高。此外,所有靶結構(GTVPET、GTV、CTV1和CTV3)均有平均劑量限制。光子放療計劃和質子治療計劃的平均劑量一般都在區間的高端,但質子治療計劃更接近于所需的平均劑量。然而,這種差異只在CTV1中較為顯著。靶區平均劑量在光子放療計劃中更具有魯棒性。QVH分析表明,計劃的靶區劑量在光子放療計劃中更均勻,因此更接近處方劑量(光子Qrms=0.074, 質子Qrms=0.096, p=0.003)。兩種計劃模式的最大劑量(D1cc)無顯著差異,但在光子放療計劃中最大劑量具有更高的魯棒性(p=0.025)。

    質子光子治療頭部腫瘤劑量雕刻對比-劑量圖示.jpg

    光子放療(左)和質子治療(右)的示例。劑量顯示的下限設置為0 Gy、30 Gy和60 Gy。顯示的輪廓是CTV1和PTV1。


    危及器官劑量與正常組織并發癥發生率


    相比于光子放療計劃,質子治療計劃對髓質(中位質子Dmax =30.8 Gy vs 光子Dmax=44.0 Gy, p=0.001)、腦干(4.4 Gy vs 33.6 Gy, p=0.001)和下頜骨(70.1 Gy vs 71.2 Gy, p=0.006)的劑量更低。所有非腫瘤組織(Body減去CTV3)的質子治療計劃劑量平均降低3.3 Gy(中位質子Dmean=3.9 Gy vs光子Dmean=7.2 Gy, p=0 .02)。喉、腮腺和下頜腺的劑量沒有顯著差異。在光子放療計劃中,危及器官劑量的穩健性一般較高,在22個劑量指標中有12個具有統計學差異。每個患者的光子放療計劃和質子治療計劃的正常組織并發癥概率(NTCP)差異如下圖所示??偟膩碚f,質子治療計劃中吞咽困難的NTCP顯著低于光子放療計劃(中位20.1% vs 27.3%,  p=0.007),而口干癥的NTCP在兩種計劃中無顯著差異(中位43.3% vs  46.7%, p=0.24)。

    質子光子治療頭部腫瘤劑量雕刻對比-口干癥.jpg

    光子放療和質子治療劑量雕刻計劃中出現2級以上口干癥和2級以上吞咽困難的正常組織并發癥概率(NTCP)的差異(光子放療NTCP減質子治療NTCP)。


    討 論


    質子治療能夠減少重要危及器官的照射劑量,從而減少與頭頸部腫瘤放射治療相關的已知毒性反應,如吞咽困難和口干癥。如果這些癥狀持續存在,將會嚴重影響患者的生活質量。


    在當前的研究工作中,研究人員使用了馬里蘭質子治療中心的調強質子治療與多野優化(MFO)技術。MFO已被證明是頭頸部腫瘤標準(非劑量雕刻)質子治療的首選技術。研究人員還應用了基于McGowan等人提出的魯棒性優化和分析方法。


    總體而言,頭頸部腫瘤治療采用質子治療劑量雕刻技術是可行的,總體上可以減少靶區外照射劑量。與光子放療劑量雕刻計劃相比,質子治療計劃中非腫瘤組織的照射劑量減少了約40%,而光子放療計劃對許多劑量指標具有較高的魯棒性。值得注意的是,在目前的研究中,光子放療計劃的魯棒性優勢可能被高估了,因為光子放療計劃是用4 mm的PTV外擴優化,而用3 mm的設置誤差進行評估的。雖然光子放療計劃的魯棒性一般較高,但質子治療計劃中許多危及器官和非腫瘤組織的照射劑量要低于光子放療計劃。然而,對于靠近靶區地方的危及器官,如唾液腺,二者的劑量沒有顯著差異,研究人員認為這是為了獲得靶區結構的魯棒性覆蓋所必須進行的權衡。


    參考文獻:Katrin Ha?kansson, Bob Smulders, Lena Specht, Mingyao Zhu, Jeppe Friborg, Jacob H. Rasmussen, S?ren M. Bentzen & Ivan R. Vogelius (2020): Radiation dose-painting with protons vs. photons for head-and-neck cancer, Acta Oncologica, DOI: 10.1080/0284186X.2020.1714720.


    質子專區介紹:
    相比傳統放療,質子治療作為“精準治療”的新一代代表,利用質子射線所具有的獨特物理特性,以極快的速度、很小的放射劑量進入人體,迅速到達腫瘤組織并釋放全部劑量,而腫瘤后方和側方的正常組織及器官受到的照射劑量幾乎為零,從而實現以最大的照射劑量殺傷腫瘤組織的同時又最大限度地避免了周圍組織及器官的損傷,實現更加精確的“精準治療”。
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    關鍵詞

    質子治療 光子治療

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