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无旋转机架质子治疗系统新概念:质子-光子联合治疗

2020/2/11 作者:质子中国

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其他癌症

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尽管全球质子治疗中心数量正在快速增长,但与超过12,000台已运营直线加速器相比,约80家已运营中心、211间治疗室的质子治疗资源仍相对缺乏。阻碍质子治疗广泛应用的主要因素包括设备体积以及安装成本。


旋转机架是影响质子治疗系统体积及成本的主要因素之一,固定束治疗系统也因此重新获得了业内的关注。但对于平躺治疗体位,鉴于束流方向的限制,某些肿瘤的固定束治疗计划欠佳。更多关于旋转机架对成本的影响请见往期报道《技术进步能否降低质子治疗成本(一):缩小旋转机架体积》、《质子治疗系统小型化发展现状系列(二):缩小旋转机架体积》。


日前,瑞士苏黎世大学医院的研究人员通过治疗计划模拟,探究了直线加速器与水平固定束相结合的无旋转机架质子治疗系统的有效性,并针对3例头颈部肿瘤病例比较了IMRT (光子调强放疗)、IMPT (质子调强治疗)及质子—光子联合治疗计划的剂量分布及正常组织并发症概率模型(NTCP)。原文发表于2020年1月的绿皮杂志《Radiotherapy and Oncology》上。

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文章假设笔形束扫描水平束质子治疗系统与直线加速器治疗室以及卧位机器人治疗床完全整合。因此,应用同一个机器人治疗床及患者固定装置,系统在同一个分次内可同时输送质子与光子。这样,输送的大部分照射剂量为质子剂量,可降低正常组织的总体剂量,减少放射诱导的毒性反应;当治疗计划质量受限于质子的束流方向时,光子束可补偿质子束的局限性,实现更优的剂量适形性。


1. 研究方法


该研究根据累积物理剂量同步优化IMRT与IMPT计划以实现质子—光子联合治疗计划优化。IMRT计划包括19个平均分布的共面束流,以尽可能实现最优的容积弧形调强治疗(VMAT)计划。IMPT计划根据具体病例情况应用2~4个照射野,研究人员测试了不同的束流组合并选择了最佳方案以避免照射患者的肩部。研究人员通过增加安全边界应对治疗计划制定的不确定性,并将计划靶区体积(PTV)定义为临床靶区体积(CTV)外扩3 mm。


研究中的3例病例分别为局部晚期鼻咽癌、局部晚期口咽癌以及早期喉癌。质子—光子联合治疗相较于IMRT计划的潜在临床获益通过平均剂量及NTCP值的差异表示。临床终点包括治疗后6个月的中度至重度口腔干燥、急性口腔粘膜炎(≥III级)、治疗后6个月的II-IV级吞咽困难、通过视频荧光镜评估通气以及迟发≥II级喉头水肿。


2. 研究结果


鼻咽癌病例

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图1. (a)鼻咽癌患者。(b)和(c)为IMRT计划及IMPT计划的剂量分布。(d)-(i)为质子[(e)和(h)]—光子[(d)和(g)]治疗计划的剂量分布及其累积剂量[(f)和(i)]。(d)-(f)为横截面CT图。(g)-(i)为冠状面CT图。

 

图1b和1c为鼻咽癌IMRT和IMPT计划。IMPT计划降低了总体剂量,尤其是口腔的剂量浴。但由于束流局限于冠状面,对唾液腺的保护作用有限。相较而言,图1d~f显示了联合治疗计划的光子和质子剂量分布及其累积剂量。结果表明,联合治疗计划应用光子束和质子束优化了邻近唾液腺及口腔部位的剂量分布。考虑到总体靶区体积,大部分处方剂量为质子剂量(图1g~h, 2a)。因此,与IMRT计划相比,联合治疗计划减少了正常组织的总体照射剂量;联合治疗计划中减少的正常组织总照射剂量是IMPT计划减少剂量的82%。

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图2. (a)联合治疗计划中质子(实线)与光子(虚线)的剂量体积直方图(DVH),大部分PTV处方剂量为质子剂量。(b)不同治疗计划的DVH比较。

 

图2b比较了IMRT计划、IMPT计划与联合治疗计划的剂量体积直方图(DVH)。所有治疗计划具有相似的靶区覆盖率,但联合治疗计划在保证口腔总体剂量减少的同时可更好保护唾液腺及咽缩肌。固定质子束的束流排列(图1h)与入射剂量再分布相关,导致颞叶及垂体等部位照射剂量较高,但均远远低于耐受剂量。


表1 鼻咽癌、口咽癌及喉癌的IMRT计划、旋转机架IMPT计划、无旋转机架IMPT计划以及联合治疗计划的物理剂量参数。

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联合治疗计划相较于IMRT计划具有更低的危及器官平均剂量(表1),这些平均剂量差异可分别降低10%及9%的口腔干燥及口腔粘膜炎发生风险,但对于吞咽困难发生风险获益较小。


口咽癌病例

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图3. (a)口咽癌患者。(b)和(c)为IMRT计划和IMPT计划的剂量分布。(d)-(f)为质子(e)—光子(d)治疗计划的剂量分布及其累积剂量(f)。

 

对于口咽癌病例(图3),单纯IMPT计划对唾液腺的平均剂量相较于IMRT增加了49% (表1)。通过应用光子束改善剂量适形性,联合治疗计划实现了更优的唾液腺保护作用,并且正常组织减少的总照射剂量达到IMPT计划减少剂量的82%。与单纯IMRT计划相比,更低的对侧唾液腺照射剂量可降低6%的口腔干燥发生风险;口腔粘膜炎、吞咽困难及咽缩肌通气的发生风险也有轻微至中等程度降低。


喉癌病例

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图4. (a)喉癌患者。(b)和(c)为IMRT计划和IMPT计划的剂量分布。(d)-(f)为质子(e)—光子(d)治疗计划的剂量分布及其累积剂量(f)。

 

对于喉癌病例,IMPT计划相较于IMRT计划具有更优的物理剂量分布(表1)。联合治疗计划中质子剂量占靶区体积处方剂量的约2/3 (PTV平均剂量为47 Gy),光子束帮助实现治疗计划适形性;联合治疗计划同时减少了喉及软骨的平均剂量。联合治疗计划具有与IMPT计划相似的正常组织剂量减少(表1),相较于IMRT计划可降低5%的喉部抽气(larynx-based aspiration)发生风险,喉部水肿发生风险获益较小。


3. 结论


研究显示,质子-光子联合治疗计划可改善IMRT计划的剂量分布,降低毒性反应发生风险,同时保证质子治疗计划的正常组织总体剂量减少。作者表示,需要进一步评估这种概念的经济效益,如包含质子固定束及直线加速器治疗室的安装及运营成本等。此外,还需要验证这种系统在更多患者以及不同部位肿瘤治疗中的总体获益。


参考文献:Fabiano S, Balermpas P, Guckenberger M, et al. Combined proton-photon treatments - A new approach to proton therapy without a gantry. Radiother Oncol.2020;145:81-87.DOI: 10.1016/j.radonc.2019.12.013


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质子光子治疗

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