佛罗里达大学李左峰教授：器官运动的控制对于食管癌质子治疗至关重要

11月18日，在首届合肥国际质子重离子放疗论坛上，来自佛罗里达大学质子中心（UFHPTI）的李左峰教授做了题为《从技术角度探讨食管癌的质子治疗》的演讲。质子中国将演讲内容整理如下。

李左峰教授佛罗里达大学质子中心2003年动工，2006年开始收治患者，平均每年治疗700-800例患者，截至2017年8月共收治患者超过7000例。目前UFPTI在进行扩建，计划在原有治疗中心旁边增加一台单室质子治疗系统，新增治疗室开始治疗患者后，会将原有的第一间散射束治疗室暂时关闭升级为笔形束治疗室。扩建完成后，UFPTI将拥有4间治疗室，包括3间笔形束治疗室和1间散射束治疗室。更多UFPTI扩建相关信息，请见质子中国往期报道《李左峰：UFPTI新单室质子治疗系统拟2018年底投入使用，笔形束扫描是质子治疗技术的未来》。2017年5月，UFHPTI的一间治疗室升级为通用治疗头，可以进行笔形束质子治疗（PBS）和双散射治疗（DS）。目前每天工作约16-17小时，其中10-11小时使用PBS治疗，笔形束治疗结束后，转换机头工作模式开始使用散射束治疗患者。目前PBS治疗的病种多为乳腺癌、头颈部肿瘤及儿童脑部、颅底肿瘤等，未来计划治疗位于全脑全脊髓、盆腔、头颈部肿瘤以及骨肉瘤等。尽管短期内UFHPTI没有使用PBS治疗移动肿瘤的计划，但仍然会努力开发治疗移动肿瘤的能力。放疗技术比较优势劣势调强放疗（IMRT）鲁棒性较好处方剂量适形性较好剂量均匀性较好低/中剂量区剂量适形性差对解剖位置变化敏感双散射束质子治疗（DS）低/中剂量区适形性优于IMRT对器官运动和相互作用相对不敏感射程不确定性对分割间误差敏感对解剖位置变化敏感RBE不确定性笔形束质子治疗（PBS）处方剂量适形性强低/中剂量区剂量适形性最优剂量分布比较均匀射程不确定性对分割间误差敏感对器官运动更敏感对解剖位置变化敏感RBE不确定性面对上述质子治疗的不确定性，技术方面的解决方案如下：射程不确定性远端和近端扩展边缘束流特异性PTV（beam-specific PTV）鲁棒性评估鲁棒性优化分割间摆位误差DS专用射程补偿器鲁棒性评估PBS鲁棒性优化器官运动相互作用效应模拟采用一种或多种器官运动管理方法运动半影计算验证解剖学变化根据患者周期性影像成像或CBCT图像制定自适应治疗计划食管癌放疗的器官运动管理美国的食管癌多发生于食管下段及胃食管交接处，虽然食管本身也会蠕动，但幅度不大，并且由于食管周围器官的密度变化不大，因此食管癌本身的运动对质子射程的影响并不大。食管癌的放射治疗面对的运动问题主要包括呼吸运动、横膈运动和心脏跳动。对于呼吸运动引起靶目标移动问题，临床上使用4D-CT和内建立靶区（ITV）等方法就可以减小运动对射程的影响；可以为患者进行3-5次温和屏息CT扫描，并通过比较扫描结果来决定是治疗中是否需要屏息技术，但通常食管癌放疗过程中是不需要屏息的。由于美国的食管癌多为位于食管下段和胃食管交界处，而食管癌的治疗放射线从后部进入人体，因此治疗时束流会穿过横膈，横膈的运动对束流的射程影响非常大。使用相互作用模拟软件工具或可以评估靶区和横膈运动对束流射程的影响。尽管4DCT的扫描速度不够快，不能完整捕捉到心脏的运动，但仍能捕捉到一部分变化。1秒内心脏的跳动范围可达2-3厘米，因此治疗质子束一般从后部入射体内，避开心脏。运动管理方法自由呼吸，ITV：这种防范简单且高效，但可能需要与其他运动管理方法联合使用。屏息：缺点是患者可能无法长时间屏息，并且需要重复验证屏息周期之间靶目标/器官的位置。屏息所需要的设备的安装需要额外的时间。门控：需要重复验证靶目标和表面标记的位置，束流传递效率比较低。逐层/容积重复扫描：这种方法会降低束流传递效率，每一层/容积重复扫描时都需要治疗系统进行验证如何选择合适的运动管理方法要评估器官运动的特点，明确患者是否能够因屏息技术而显著获益，包括患者能否屏息≥20秒，靶目标/器官的位置在屏息间隙是否改变。此外还要明确治疗中束流传输路径是否通过横膈和心脏。对于屏息技术，在选择屏息技术之前，应该考虑运动幅度、稳定性以及可重复性，同时要考虑患者屏息的时间以及是否能够重复完成屏息动作。如果选择了屏息技术，那么需要为患者做屏息训练。但临床上如果屏息后患者的横膈等的移动还是超过2cm，那么采用屏息技术对正常器官的保护就不是很大，就不需要采用屏息技术了。此外，还需要为患者进行CT扫描，作为选择运动管理方法的参考。治疗计划制定IMRT和DS治疗计划均可以应用扩展ICTV以获得PTV，治疗计划的优化为95% PTV受到处方剂量照射，使用平均4DCT图像制定治疗计划。目前IMRT治疗计划也会考虑到器官运动对光子放疗的影响，因此最小的子野为12cm²，每个照射野有5个子野；DS治疗计划则会覆盖膈肌，以保证靶区剂量。但无论是IMRT还是DS，都没有做4D动态剂量分析。因为散射相当于一分钟600次重复扫描，因此从这个角度看剂量分布已经足够可靠了。对于PBS治疗计划目前还没有进行动态剂量分析，但首要的优势是照射野少了，仅用2个照射野，散射需要5个照射野，临床中可以每次照射轮换3个野使用，以减少每次照射时间。对于移动器官，应用单照野优化（SFO），即用单照射野对整个靶区提供处方剂量分布。对于食管癌的质子治疗，由于两个照射野都是从后方进入，因此野均会穿过横膈。在进行PBS治疗计划时，除了调整机架角度外，研究人员还会注重光斑在人体中的分布，以保护正常器官，如设定距心脏7mm处无光斑。在剂量计算完成后，可能会根据需要手动调整光斑的位置，以减少皮肤表面放射线剂量、保证光斑远离危机器官、减少危及器官潜在RBE增量等。虽然每个计划的优化条件不尽相同，但单照野均一剂量（SFUD）是评估治疗计划的重要因素。治疗计划中不同算法笔形束算法的准确性取决于TPS的实施情况，大空气间隔+射程转换器、大的倾斜角度+射程转换器和组织密度严重不均匀都会降低笔形束算法的准确性。目前UFHPTI使用MC算法进行PBS治疗计划的制定。治疗计划优化治疗计划优化方面，鲁棒性优化可以在存在保卫和射程不确定性的情况化获得靶目标和危及器官的鲁棒性剂量，同时还能够在存在分割间或屏息间隙靶目标或危及器官位置变化的情况下，获得靶目标和危及器官的鲁棒性剂量分布。可以使用4DCT进行鲁棒性优化，但使用4DCT进行鲁棒性优化获得剂量分布不是动态剂量分布。现有的鲁棒性优化只能能设定射程不确定性和等中心平移。应用了鲁棒性优化后，能够保证靶区和危及器官都具有较好鲁棒性。在治疗移动靶器官时，目前需要有一个动态模型来进行动态测量，下一步要使用一系列计算工具来分析动态测量的结果。总结与IMRT相比，质子治疗食管癌显著降低了心脏，肺，肝和其他危及器官的剂量；被动散射质子治疗在膈肌运动方面具有鲁棒性；笔形束扫描对膈肌运动敏感，治疗中需要使用其他的运动器官管理方法，如屏息+鲁棒性优化、自由呼吸+鲁棒性优化，这些运动管理方法还可以联合逐层或容积再扫描，在选择运动管理方法时，需要对相互作用效果进行模拟和确认。（质子中国 现场报道）特别鸣谢：李左峰教授校审本文HIFPHIR 2017相关报道佛罗里达大学Michael Rutenberg教授：质子治疗食管癌可显著降低副反应发生率MD安德森朱晓荣教授：从物理学角度考虑肺癌的精准质子治疗MD安德森廖仲星教授：无精准，不质子！儿科专家Dr. Andrew Chang：质子治疗能为儿童患者带来获益，且可以用于肿瘤复发患儿的再程放疗【HIFPHIR 2017】合肥离子医学中心：引进项目计划2019年1月第一台旋转机架安装调试；自主研发项目2018年整机调试王绿化主委谈我国质子重离子治疗发展：有序发展，注重人才，机遇与挑战并存【HIFPHIR 2017】首届合肥国际质子重离子放疗论坛暨第三届合肥国际放射医学物理论坛举行