【文献快递】伽玛刀放射外科治疗中头颅大小对正常脑受辐射剂量的影响
《Acta Neurochirurgica Supplement》 2021年7月1日刊载[128:151-155.] 美国University of California San Francisco (UCSF)Lijun Ma, Shannon Fogh , Steve E Braunstein,等撰写的《在伽玛刀放射外科治疗中头颅大小对正常脑辐射剂量的影响:一项初步研究的结果。Impact of the Skull Size on the Normal Brain Radiation Dose During Gamma Knife Radiosurgery: Results of a Pilot Study》(doi: 10.1007/978-3-030-69217-9_17. )。
目的:本研究的目的旨在评估在伽玛刀外科(GKS)治疗中头颅大小的变化和正常脑受辐射剂量的变化之间的相互关系。
方法:通过在Leksell GammaPlan中对15个被分析的病例中的每一个进行系统建模，通过测量值从0到±3厘米的变化，头颅可以被“扩张”和“收缩”（"expanded" and "contracted"）。在对15例被分析的病例中，Leksell GammaPlan (瑞典斯德哥尔摩Elekta AB)通过每例的测量值从0到±3厘米的变化，头颅“扩张”和“收缩”。然后计算每例调整后的头颅大小的平均正常脑受辐射剂量，并与原始治疗方案进行比较。照射到选定的关键解剖结构的不同的最大点剂量也被研究。
结果:头颅半径在±3cm内变化，平均正常脑受辐射剂量的最大绝对偏差为0.8%。随着头颅半径的增加，平均正常脑辐射剂量也线性增加(置信水平>99%)，正斜率为每厘米半径长度变化0.2%。所有评估的关键解剖结构的最大点剂量偏差均未超过0.5%，总体趋势是剂量增加与头颅半径增加平行。
结论:儿科患者头颅尺寸小可能与GKS治疗期间保护正常脑的剂量学优势有关。
伽玛刀放射外科(Gamma Knife surgery, GKS)是一种被广泛接受的治疗良恶性肿瘤、动静脉畸形(arteriovenous malformations, AVM)、癫痫等脑功能障碍等颅内多种病变的方法。GKS的特点是辐射剂量陡降，最大限度地保护邻近正常组织，从而允许在靶区周围处方以高的剂量。例如，对于颞叶内侧癫痫的治疗，应按50%等剂量线照射24-25Gy的剂量，以覆盖7-8 cc的靶体积，而为了实现AVM闭塞的高概率，边缘辐射剂量应为18Gy。然而，一个主要的担忧是，高剂量GKS可能导致毒性增加和与疏忽（ inadvertent）照射正常脑组织相关的晚期神经认知后遗症。这在治疗儿童期间可能特别重要。因此，问题就出现了:儿童患者的小的头颅大小是否会对放射外科中保护正常大脑产生任何负面影响。本初步研究的目的是评估GKS治疗期间头颅大小变化和正常脑受辐射剂量变化之间的相互关系。
图1伽玛刀放射外科治疗的下丘脑错构瘤患儿的冠状位(a, b)和矢状位(c, d)颅骨扩张模型。在本例中，正常脑平均受辐射剂量和照射特定重要功能的正常解剖结构的最大点辐射剂量的变化可以忽略不计。
分析是基于7例儿童和8例成人患者的治疗数据，他们接受GKS治疗癫痫、下丘脑错构瘤、AVM和前庭神经鞘瘤(VS)。所有患者都采用Leksell伽玛刀融合(瑞典斯德哥尔摩Elekta AB)。靶体积范围为1.0 - 8.0 cc，处方剂量从12.5Gy(VS)到24Gy(癫痫)不等。通过使用Leksell GammaPlan (Elekta AB)中的系统建模，在每个被分析的病例中，患者的头颅通过头颅测量值从0到+3cm的变化，以1 cm的增量进行扩张和收缩(图1)。与头颅大小调整相对应，正常大脑的区域使用先前报道的方法进行测量。然后计算每一种调整后的头颅大小的平均正常脑受辐射剂量，并与原始治疗计划进行比较，以确定变化的任何潜在趋势。为减少部分体积效应造成的扭曲伪影（ aliasing artifacts），平均脑受照剂量D按下式计算：
其中，公式中的分子是三维剂量D对整个正常脑容积V的积分（the three-dimensional dose D integrated over the entire normal brain volume V）。此外，对重要功能的正常解剖结构，即耳蜗、脑干、前视觉通路(视神经和视交叉)照射的最大点剂量的差异也按每种校正的颅骨大小的变化加以研究。
头颅半径+3厘米的变化,所有15例被分析病例的平均正常大脑受辐射剂量最大绝对偏差的为0.8%(图2)。随着头颅半径的长度增加,平均正常大脑受辐射剂量也随半径长度每厘米的变化按正斜率为0.2%线性增加。根据数据拟合结果(R2>0.999)，正斜率的置信水平为>99%。在所有15例被分析的病例中，4个被评估的关键解剖结构的最大点剂量偏差不超过0.5%，总体趋势是剂量增加与颅骨半径增加平行(图3)。
图2。在所有被分析的患者(N)中，(以与原治疗方案比较后的比值表示的)对应头颅半径“扩张”或“收缩”建模后的的平均正常大脑受辐射剂量(Δ)的变化。与半径长度的每个变体相关联的竖条表示数据范围。正常脑受辐射剂量的最大绝对偏差为0.8。
图3在所有被分析的患中，所研究的有重要功能的正常解剖结构(以与原始治疗计划比较后的比值表示)在头颅半径扩张或收缩建模后的最大点剂量(Δ)的变化。最大剂量偏差不超过0.5%，总体趋势是受照射剂量增加与头颅半径增加平行。
之前的几项物理研究调查了与头颅外轮廓变化相关的辐射剂量计算偏差，并注意到后者的小的随机变化不会显著影响剂量计算。与这些报告相比，目前的分析评估了头颅大小相对较大的变化(最高可达几厘米)是否会显著影响GKS治疗期间正常大脑平均受辐射剂量。应用系统的头颅扩张或收缩模型的目的是模拟其从婴儿期到成人期的成长中大小的变化。结果显示，随着头颅半径长度的增加，正常脑平均受辐射剂量也呈线性增加(置信水平>99%)。从物理角度来看，这意味着随着头颅大小的增加，对于每个射线束，入射剂量(entrance dose)对平均脑受照剂量(D)的贡献大于出口剂量（exit dose）。因此，较小的但可测量的正常脑受保护获益（normal brain–sparing benefit）与相对较小的头颅大小相关，这可能有利于接受GKS治疗的儿科患者。据我们所知，这种发现以前没有报道过。需要进一步的调查来揭示观察到的与头颅大小变化有关的正常脑受辐射剂量的变化是伽玛刀独有的，还是也可归因于其他放射外科方式(例如，直线加速器[LINAC])。
对头颅扩张和收缩的系统建模显示，GKS治疗期间正常的脑受辐射剂量随头颅半径的增加而轻微增加。因此，儿童患者相对较小的头颅大小可能与GKS期间保护正常大脑的剂量学优势有关。