宫颈癌调强质子治疗和螺旋断层调强治疗计划质量和鲁棒性评估

宫颈癌是一种常见的妇科恶性肿瘤，约占女性癌症发病率的6.6%~7.5%，是导致女性癌症死亡的第四大原因。宫颈癌的高发年龄在50~55岁，但目前宫颈癌的发病呈现出低龄化趋势，越来越多年轻女性被诊断为宫颈癌。

放射治疗是治疗宫颈癌的一种主要方式。随着放射治疗技术的不断发展，各种新型的放射治疗设备也不断出现。螺旋断层放射治疗(HT)作为一种先进的结合影像引导系统的调强放射治疗方式，已被证实对宫颈癌的治疗是卓有成效的。此外，质子治疗作为一种新的放射治疗手段，由于其独特的布拉格峰物理优势，调强质子治疗(IMPT)与调强放射治疗(IMRT)、容积旋转调强放疗(VMAT)和螺旋断层放射治疗相比，调强质子治疗可在保持良好靶区覆盖率或一致性的前提下，更好地保护健康组织。

日前，来自中国科学院上海应用物理研究所等机构的研究人员对调强质子治疗(IMPT)和基于调强的螺旋断层放射治疗(HT)在宫颈癌调强放疗中的剂量学指标进行了对比研究，以此分析两种治疗模式计划的质量和稳健性。原文发表于《Radiation Oncology》杂志。点击“阅读原文”或联系质子中国小编(微信号：ProtonCN)获取全文。
研究方法
研究人员对18例宫颈癌患者分别制定了点扫描鲁棒性(SRO)质子调强计划和螺旋断层鲁棒性(TRO)调强计划。为了评估无剂量扰动下的标称计划的质量，根据临床经验对临床靶区(CTV)和5个危及器官(OARs)受量进行了计划评分(表1)。
表1：计划评分系统中的剂量标准详细信息
研究人员基于Lyman-Kutcher-Burman(LKB)模型(表2)计算了直肠和乙状结肠的正常组织并发症概率(NTCP)。与此同时，计算了28种受扰场景下的剂量体积直方图带宽(DVHBW)，以评估计划的鲁棒性。

表2：Lyman-Kutcher-Burman模型中使用的NTCP参数

研究结果
与TRO调强计划相比，SRO质子调强计划在临床靶区指标[V46.8Gy, V50Gy, 适形性和均匀性](16.5和15.1)和危及器官指标(60.9和53.3)的平均分数都更高。
SRO和TRO计划的(a)总计划得分，(b)临床靶区得分和(c)OAR得分。
其中，危及器官指标包括膀胱[V35, V45, Dmean, D2cc]、直肠[V40, V45, D2cc, Dmax]、小肠[V35, V40, V45, Dmax]、乙状结肠[V40, Dmax]和股骨头[V30, Dmax]。同时，NTCP计算结果显示SRO组直肠及乙状结肠毒性反应要低于TRO组(直肠:2.8% vs 4.8%, p<0.05; 乙状结肠:5.2% vs 5.7%, p<0.05)。SRO质子调强计划的靶区覆盖率带宽要小于TRO计划的带宽(0.6% vs 2.1%)，这意味着SRO质子调强计划在靶区覆盖率上更具有鲁棒性。
SRO和TRO计划的(a)膀胱评分，(b)直肠评分，(c)小肠评分和(d)乙状结肠评分。
结论
SRO质子调强计划能获得更好的临床靶区覆盖率和危及器官保护。根据正常组织并发症概率计算，SRO质子调强有望小幅降低直肠毒性反应。此外，SRO质子调强在临床靶区覆盖率上能够产生更具有鲁棒性的计划。
某例患者，横向最小剂量分布和最大剂量分布：(a)SRO计划的最小剂量分配；(b)TRO计划的最小剂量分布；(c)SRO计划的最大剂量分布；(d)TRO计划的最大剂量分布。
讨论
以往的研究工作已经证明了在保持良好的靶区覆盖率的前提下，质子治疗在保护危及器官方面相比于与光子放疗具有更好的的优势。如Marnitz的报告中曾提到的，质子治疗在宫颈癌治疗中对小肠和直肠提供了更好的的保护，这使得相关毒性反应在宫颈癌治疗中得到进一步降低。然而，该研究是基于计划靶区的概念进行的，而这一概念在光子放疗和质子治疗中一直备受争议。鲁棒性优化作为一种基于临床靶区的解决方案，已被证明可以保护不同肿瘤部位的正常组织。本研究中，研究人员将鲁棒性优化技术引入到宫颈癌的点扫描质子调强计划和螺旋断层调强计划中，并对计划的质量和鲁棒性进行了研究。
在SRO质子调强计划和TRO调强计划的鲁棒性优化中，相同的患者定位不确定性被引入其中。然而，在SRO质子调强计划中还应该考虑由于电子密度转换引起的射程不确定性，这对于光子放疗计划来说是可以忽略不计的。这就使得目标函数在SRO质子调强计划中更加难以实现。尽管如此，研究人员发现SRO质子调强计划仍然比TRO调强计划提供了更好的计划质量和鲁棒性。这些结果与前人的研究结果一致，即质子治疗可以显著降低危及器官在宫颈癌治疗中的毒性反应。此外，研究人员开发了两种新的定量分析工具(计划评分和剂量体积直方图带宽)，以评估SRO质子调强和TRO调强计划的计划质量和靶区覆盖率鲁棒性。结果表明，这些工具可以更有效、更定量地评估计划的质量和鲁棒性。
研究人员表示，这是首次对两种治疗模式在计划质量和计划鲁棒性方面的差异进行对比的研究。该研究结果为调强质子治疗的鲁棒性优化可以更好地保护危及器官提供了有力的证据，特别是在膀胱、直肠、小肠和乙状结肠方面。然而，一些限制因素也需要注意。目前，已知有几个因素会影响宫颈癌放疗剂量的分布。比如，盆腔内危及器官随着时间的推移会有位置和解剖学上的变化。膀胱和直肠充盈状态的任何变化都会引起靶区位置和形状的改变。传统的鲁棒性优化或评估不足以解释靶区和危及器官的位置和解剖变化。为了开发更好的鲁棒性优化算法来处理这些不确定性，需要付出相当大的努力。如果实现了这一点，在不确定性存在的情况下保持靶区覆盖率的同时，调强质子治疗在保护健康组织方面的优势便可能会得到充分利用。(质子中国 编辑报道)
参考文献：Shang H, Pu Y, Wang W, et al. Evaluation of plan quality and robustnessof IMPT and helical IMRT for cervical cancer[J]. Radiation Oncology, 2020,15(1): 1-11.DOI: 10.1186/s13014-020-1483-x.
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