Summary
介绍了以前列腺癌为模型的质子治疗辐射规划和传递的基本原理。将这些原则应用于其他选定的疾病部位, 突出了质子放射治疗如何提高癌症患者的临床结果。
Abstract
放射治疗是治疗固体癌症的一种常用方法。虽然细胞杀伤的机制在所有形式的辐射中都是相似的, 但光子和质子束的体内特性差别很大, 可能被用来优化临床结果。特别是, 质子粒子在通过身体时, 以可预测的方式失去能量。这种特性在临床上用于控制质子束终止的深度, 并将辐射剂量限制在目标区域以外。这种策略可以大幅减少对位于肿瘤靶点以外的正常组织的辐射剂量。然而, 质子能量在体内的降解对组织密度仍然高度敏感。因此, 在治疗过程中组织密度的任何变化都可能显著改变质子剂量学。这种变化可能会通过改变体重, 呼吸, 或肠道填充物, 并可能导致不可取的剂量沉积。在这篇手稿中, 我们提供了一个详细的方法, 提供了使用被动散射和铅笔束扫描技术的前列腺癌的质子治疗。虽然所述程序直接适用于前列腺癌患者, 但该方法可用于治疗几乎所有的实体肿瘤。我们的目标是让读者更好地了解质子治疗的提供和结果, 以促进在癌症治疗期间适当整合这种方式。
Introduction
据估计, 2018年, 美国将有170万人被诊断出患有癌症, 60多万人死于癌症.目前的治疗方案包括使用手术、放射治疗 (rt) 和全身治疗的单模或多方式治疗。关于 rt, 四分之一的新确诊患者将接受 rt, 作为其最初癌症治疗的一部分, 近一半的患者最终将在第2、3 节的疾病过程中需要 rt。
rt 的出现可以追溯到 1895年, 当时威廉·康拉德·伦琴在德国维茨堡大学的实验室里使用阴极射线管时发现了 x 射线。不久后, 狼疮、癌症等多种疾病的患者正在接受使用的治疗。早期的并发症很快就意识到了, 皮埃尔·居里在他的诺贝尔奖演讲 5中甚至讨论了这些问题。由于辐射同时影响正常组织和肿瘤组织, 因此必须使用仔细控制的辐射剂量来最大限度地提高治疗率, 即肿瘤控制的概率与不可接受的毒性的概率。随着技术的逐步进步, 以及对放射生物学和物理学的更好理解, 这种治疗率随着时间的推移有了很大的提高。rt 的使用大大提高了几种癌症的疗效, 它被纳入了 6、7、8、9的国家癌症治疗准则就反映了这一点。在某些情况下, rt 可作为治疗10的唯一方式, 而在其他疾病中, 它可能被用作局部疾病控制或消除微观疾病的多方式治疗的一部分。虽然经常使用的治疗意图, 许多 rt 患者治疗的疼痛或其他症状, 从肿瘤引起的压缩, 入侵, 或破坏正常组织的设置, 局部区域或广泛转移,疾病。
rt 背后的基本原则很简单。随着辐射的应用, 能量通过原子的电离沉积到细胞中。这种能量虽然可能会使辐照区域的温度提高几个微开尔文, 但它产生的自由基可以通过 dna 损伤 12,13直接损害暴露的细胞。我们对高能粒子辐射及其与物质相互作用的理解, 很大程度上来自于20世纪初对宇宙射线及其在高层大气中的相互作用进行的理论和实验研究。高能 (mev 至 gev) 带电粒子主要通过电磁力与物质相互作用: 当这些粒子通过物质或组织时, 与轨道电子的非弹性碰撞导致目标物质的电离和激发,与原子核的弹性碰撞导致粒子路径的散射或偏转。此外, 核碰撞和与电子的硬碰撞导致一连串的二次辐射, 增加了粒子辐射的电离效应。因此, 穿越物质的高能粒子留下了电离原子、分子和自由电子的尾迹, 这些原子、分子和自由电子是化学反应的, 有可能引起生物变化或对暴露在这些电离场中的生物的损害。
放射治疗的一个主要长期目标是学习如何以有效治疗人类疾病的方式最好地利用这些电离场。临床上, 理想的辐射形式 (如光子、质子、电子或重离子) 应在疾病靶标中诱导足够的电离, 以提供治疗性的抗肿瘤效果, 同时在周围正常的情况下导致最小的电离组织, 以最大限度地减少有害影响。为 rt 选择哪种类型的辐射在一定程度上取决于正在治疗的疾病。对于位于体内较深的肿瘤, 也可能是手术无法手术的肿瘤, 巨光光子、质子和重离子被认为是最佳的 15,16。对于浅表癌症, 如涉及皮肤的癌症, 电子疗法可能是最佳的, 甚至比手术治疗宇宙期更可取。另一方面, 巨型光子的优势在于它们能够深入组织深处, 同时限制对皮肤的损伤。在带电粒子的情况下, 如电子、质子或重离子, 它们的主要优势在于它们的 "停止" 特性;也就是说, 带电粒子通过上述非弹性碰撞不断失去能量, 这种能量损失在毫米尺度上是高度可预测的。因此, 带电粒子束可以用精确的能量传递给患者所需的深度。此外, 带电粒子产生很少或没有出口剂量17。相比之下, 像光子这样的无电荷粒子随着深度的增加而出现指数衰减 (衰减), 这往往会导致大量的退出剂量, 从而损害与目标距离的健康组织。这些概念如图 1所示, 显示了临床上使用的各种辐射类型的辐射剂量 (电离) 特性。使用质子或碳离子代替光子来实现更深层次的肿瘤靶点的一个核心动机是, 在目标组织之外, 有最小剂量进入剂量和接近零出口剂量。表 1总结了光子和质子束的一些临床相关特性。
包括质子治疗在内的放射治疗领域取得了两方面的进展: 1) 建立能够产生高能 (mev) 辐射的高效粒子加速器, 如同步加速器和回旋加速器; 2)开发复杂的计算方法, 结合疾病成像数据和辐射传输计算, 以允许计算机模拟的 "治疗规划"。对于治疗计划, 患者通常接受计算机断层扫描 (ct) 成像。ct 图像包含有关患者的三维解剖信息以及组织密度的精确定量。然后将 ct 图像和密度图用于计算机模拟, 以规划放射治疗: 对每个患者的辐射场的能量和强度进行了数学优化。磁共振成像 (mri) 扫描或正电子发射断层扫描 (pet) 扫描也可用于补充 ct 数据。
下面, 我们描述了患者如何在放射治疗过程中导航的一步一步的轮廓, 然后是某些肿瘤类型的例子, 使用质子治疗。
Protocol
确切的放射治疗计划和分娩方案将因疾病部位而异, 甚至可能需要每个患者的个性化。此外, 该程序还可能需要修改, 以适应机构偏好和设备的供应情况。为了本讨论的目的, 我们将概述用于前列腺癌典型病例中的质子规划的步骤, 因为这是在美国18 中心用质子治疗治疗的最常见的癌症。该协议描述了护理标准的临床程序, 因此不需要人类研究伦理委员会的机构批准。
1. 辐射治疗的计算机断层扫描模拟
- 将扩展的桌面插入处理表, 并确保其已锁定。
- 在桌面上放置一个充气的固定垫, 并在患者的膝盖水平上为腿部模具设置索引栏。
- 在桌子的顶部放一个坚实的头休息。从 f 大小的头部开始, 可容纳大多数患者。
- 确认患者在预定扫描时间前45分钟饮用16-24 盎司液体, 从而完成了整个膀胱过程。此步骤需要在步骤1.12 之前完成。
- 将患者注册到 ct 患者注册系统。
- 选择切片厚度为3毫米的前列腺扫描协议。
- 确认治疗同意、对比同意和模拟命令已由主治医生完成。
- 让病人换上长袍, 把腰部以下的所有衣服都脱了。
- 通过口头验证患者的姓名、出生日期和手术地点来确认患者身份。
- 给病人拍一张脸照片。
- 让病人坐在桌子上, 然后帮助病人进入仰卧起坐、头头先的位置。
- 将患者的腿放入充气固定垫, 并通过交叉手指、给病人一个蓝色戒指或在手臂周围施加皮带, 将患者的手臂放在胸部。
- 确认患者与激光系统的对齐。
- 将双真空泵连接到固定垫的喷嘴。
- 将腿放在固定垫, 这样模具就会包围腿部的一侧, 并在两腿之间形成屏障。确保固定垫在骨盆以下, 并延伸到脚部。
- 如果每位治疗医生在临床上注明, 则插入并充气乳直肠内球囊。
- 执行前后 (ap) 和外侧 (lat) 侦察千伏射线图像 (图图), 以确认患者的对齐优化。这包括验证 ap 图像上的直线度和侧向图像上的旋转对齐。使用这两个图像, 以确保肠道气体是最小的。定位都应通过重新成像进行校正和确认。如果肠道气体存在且过量, 请原谅患者到卫生间, 然后从步骤1.15 开始重新启动该过程。
- 一旦患者处于所需的位置, 使用 q-固定双真空泵从固定垫中取出空气, 在他们的腿和脚周围形成一个坚固的模具。
- 手动调整治疗表, 使激光十字线处于患者臀部的水平, 在髋关节的臀部和腹部的中线。使用标记笔指定患者的十字线位置。将定位标记放在十字线处, 以指定辐射传递过程中验证模拟的起点。
- 设置 ct 扫描参数, 包括从 l3 脊椎到股骨中部的盆腔区域。
- 使用前列腺扫描协议扫描患者。
- 确认扫描对于治疗计划是可以接受的。膀胱应该是满的, 直肠应该有最小的空气或大便。
- 将数字扫描文件导出到治疗计划软件, 并通知剂量测定。
- 在储存前使用之前, 用病人的身份证给病人固定坐垫贴上标签, 治疗医生的姓名和设置说明, 以便在治疗过程中使用。
- 如果患者正在接受铅笔束质子治疗, 请继续执行2.1 步。如果患者将接受被动散射质子治疗, 请跳到步骤3.1。
2. 铅笔束疗法的放射治疗计划
- 将 ct 模拟数据导入到处理计划软件 (tps) 中。
- 使用处理规划系统轮廓工具, 根据获得的 ct 图像定义所有相关的几何体积。这些结构包括膀胱, 直肠, 大肠, 小肠, 股骨头, 外体表面, 信托, 直肠间隔, 和/或内分泌直肠球囊。
- 创建一个额外的外部轮廓, 其中包括身体、治疗表和任何固定装置。辐射剂量将仅在此轮廓范围内计算。
- 接触第一个临床目标体积 (ctv1), 包括前列腺、精囊和涉及的淋巴结。ctv1 将被规定为 45.5.0 gy (rbe)。ctv1 体积将在轴向图像上出现 u 形结构。小肠、直肠和膀胱正常组织将位于 u 形靶体体积内。
- 轮廓第二临床目标体积 (ctv2), 包括前列腺和精囊。ctv2 的总剂量为34.2 戈瑞 (rbe)。
- 选择三个梁, 龙门角度 90, 180 和270度, 用于处理 ctv1 体积。仅选择90度和270度光束角度进行 ctv2 处理。
- 设计两个几何阻塞结构 (避免体积)。
- 创建一个 "中块" 回避卷, 包括 u 形 ctv1 体积内的正常组织。
- 用 "直肠阻滞" 在前列腺顶部以下的后前 (180 度) 梁的下侧块。
- 创建一个各向同性7毫米扩展的 ctv1, 以形成一个质子规划目标体积, 名为 ptv1。使用 ptv1 定义点放置体积, 以便规划优化器将质子布拉格峰 (也称为质子 "点") 定位到覆盖 ctv1。
- 与步骤2.6 中一样, 创建类似的 ctv2 体积扩展以形成 ptv2, 但在左右方向使用8毫米扩展, 在前后和上下方向使用5毫米扩展。
- 为了实现可靠的优化, 一个可以考虑设置不确定性、范围不确定性和肠道可变气体填充的功能, 可以创建两个人工 ("覆盖") ct 数据集: 第一个数据集具有整个小肠、大肠、直肠覆盖到空气的密度, 第二个有这些卷覆盖到肌肉的密度。
- 在优化之前, 为 ctv1 创建新的处理计划。指定用于规划的质子处理机, 在25个分数中分配 45 gy (rbe) 的规定剂量和分馏, 并定义 ctv1 的主要目标。使用所有3束 (右侧、左外侧和后前), 分配100% 的规定剂量, 以覆盖至少98% 的 ctv1 体积。
- 为 ctv2 创建另一个具有2束集的处理计划。首先, 只使用左侧向梁将 18 gy (rbe) 分10分传递给 ctv2, 并将 16.2 gy (rbe) 以9个分数分的形式传递给 ctv2, 仅使用右侧侧向光束。分配100% 的规定剂量, 以覆盖100% 的 ctv2 体积。
- 为 ctv1 计划的优化做好准备
- 将中块结构指定为侧梁的距离, 并将矩形块结构指定为后前梁的距离。
- 使用能量图层间距、点间距和目标边距的自动 (默认) 设置开始优化。
- 指定最大迭代次数为 40, "点筛选" 前的最大优化次数为 10, 最小点重为1.5 监视器单元。现场过滤可去除少于1.5 监测单元的质子点, 因为处理机器可以交付的质子数量有技术上的最小限制。
- 在 ctv1 的第一轮优化中, 将目标指定为 ptv1, 以建立质子点位置网格。指定的目标是 ptv1 的45.5 戈 (rbe) (重量 = 100) 和距离1厘米 (重量 = 2) 范围内的45至 0 gy (rbe) 的剂量衰减。
- 通过删除上面的 ptv1 目标, 开始 ctv1 的第二轮优化。然后使用新的目标和目标权重恢复优化。按如下方式指定这些参数, 以制定强度调制计划, 也称为多场优化 (mfo)。
- 对于外部体积, 将剂量衰减设置为45到 0 gy (rbe) 在1厘米的距离内, 重量为2。
- 对于 ctv1 体积, 将最小剂量设置为 45 gy (rbe), 重量为100。
- 对于 ctv1 体积, 设置45.5 戈瑞 (rbe) 的均匀剂量和100的重量。将这一目标设置为稳健。
- 对于 ptv1 体积, 将最大剂量设置为 46 gy (rbe), 重量为 100, 并将此目标设置为稳健。
- 对于直肠体积, 设置最大剂量为 45.8 gy (rbe), 重量为50。将这一目标设置为稳健。
- 对于膀胱体积, 设置最大剂量 45.8 gy (rbe), 重量为50。将这一目标设置为稳健。
- 对于小肠, 设置的最大剂量为 45.8 gy (rbe), 重量为50。将这一目标设置为稳健。
- 对于大肠, 设置一个最大剂量 45.8 gy (rbe) 的重量为50。将这一目标设置为稳健。
- 除了具体的目标外, 还分配鲁棒性设置, 以减轻5毫米位置变化、3.5% 的范围不确定性, 并纳入上述人工 ("重写") ct 数据, 以解决肠道气体的变化。仅将这些稳健性设置应用于上面指定为 "稳健" 的目标。
- 完成 ctv1 计划的优化, 并查看由此产生的优化计划, 以确保处方目标得以实现。
- 为 ctv2 计划的优化做好准备
- 使用 ptv2 完成 ctv2 计划的第一次优化, 以实现点放置网格作为 ctv1 计划。
- 删除 ptpv2 目标并恢复具有新目标的优化 (百分比与 ctv2 的处方有关)。对于 ctv2 计划, 分别为左、右光束优化这些目标。这就是所谓的单场优化 (sfo), 每个光束的目标如下。
- 对于外部体积, 在5毫米和2重量的距离内, 将剂量衰减设置为 34.2 gy (rbe) 到 0 gy (rbe)。
- 对于 ctv2 体积, 将最小剂量设置为 34.37 gy (rbe), 重量为120。
- 对于 ctv2 体积, 设置一个统一剂量 34.54 gy (rbe), 重量为100。将这一目标设置为稳健。
- 对于 ptv2 体积, 设置为 34.88 gy (rbe) 的最大剂量, 重量为100。将这一目标设置为稳健。
- 使用相同的鲁棒性设置进行优化。
- 分别完成左右侧梁的优化, 以创建2个平面梁集。这将允许使用左或右侧向光束将辐射传递给 ctv2。这与 ctv1 剂量输送形成鲜明对比, ctv1 要求所有3束 (rl、ll 和 pa) 用于每次治疗。
- 独立和总结地审查 ctv1 和 ctv2 治疗计划, 以确保它们满足 rtog 0126 试验19确定的前列腺癌照射剂量限制。
- 对于膀胱体积, 确保接受80戈的组织比例低于 15%, 接受75戈的比例低于 25%, 接受70戈的比例低于 35%, 接受65戈的比例低于50%。
- 对于直肠体积, 确保接受75戈的组织比例低于 15%, 接受70戈瑞的比例低于 25%, 接受65戈瑞的比例低于 35%, 接受60戈的比例低于50%。
- 对于球茎体积 , 请确保平均剂量低于 52 . 5 戈瑞。
- 对于 ctv1 和 ctv2 目标卷, 确保至少95% 的卷都接受规定的剂量。
- 如果计划和剂量分布符合公认的剂量约束准则和稳健性, 获得医生批准, 并将计划导出到治疗输送系统。
- 使用电离室阵列 (一种辐射探测器) 进行测量, 以确认计划剂量的准确性。
- 使用辅助独立剂量计算软件验证剂量计算的准确性。
- 与医学物理学家一起查看计划的测量结果、计算结果和技术性能, 以确保质量控制。
- 生成治疗计划文件, 并由计划医生、物理学家和监督医生批准。
- 将所有治疗计划数据导出到治疗给送系统进行患者治疗, 并跳到步骤4.1 以进行质子治疗。
3. 被动散射或均匀扫描质子治疗的放射治疗计划:
- 将 ct 模拟数据导入到放射治疗规划系统中。
- 根据采集到的 ct 图像轮廓所有相关的几何体。这些结构包括膀胱, 直肠, 大肠, 小肠, 股骨头, 外体表面, 信托, 直肠间隔, 和/或内分泌直肠球囊。
- 创建其他外部轮廓。使用布尔操作工具包括身体、治疗表和任何固定装置。辐射剂量将仅在此轮廓范围内计算。
- 轮廓 ctv1 包括前列腺、精囊和涉及的淋巴结。ctv1 将被规定为 45.5.0 gy (rbe)。
- 轮廓 ctv2 包括前列腺和精囊。ctv2 的总剂量为34.2 戈瑞 (rbe)。
- 将 ctv1 展开7毫米以创建 ptv1, 并通过在所有方向上将 ctv2 扩展7毫米 (后置除外) 来创建 ptv2。
- 在处理计划系统上创建针对 ptv1 和 ptv2 的光束。ptv1 将使用单个 180° pa 光束作为目标, 而 ptv2 将使用90°和270°侧向光束作为目标。
- 为每束均匀边缘为0.5 厘米的光束添加方块, 使其达到 ptv1 和 ptv2 体积。
- 使用块大小, 根据每个 pPTV 音量的大小选择可能的最小光束孔径。光束光圈是黄铜定制的切口, 它将连接到龙门的鼻孔上, 以塑造每个质子光束的侧边。
- 通过选择适当的光束参数, 建立合适的蜡补偿器, 以确定每个质子束的远端和近端边缘, 如下所示。
- 输入3.5% 的范围不确定性值加上额外的 1-2 mm。
- 输入光圈与患者之间的适当气隙距离。
- 平滑并将补偿器形状涂抹到所需的剂量梯度。
- 将 ptv1 和 ptv2 的等中心设置为同一位置, 目标是最大限度地减少质子束输送所需的患者移位。
- 使用在步骤3.10.1 中输入的参数计算剂量, 3.10.4 pptv1 和 ptv2 目标计划。
- 独立和总结地审查 ptv1 和 ptpv2 治疗计划, 以确保它们符合 rtog 0126 试验19确定的前列腺癌照射剂量限制, 并在步骤 2.17.1-2.17.4 中描述。
- 如果未实现剂量覆盖的预期 oar 和目标目标, 则调整 tps 中的块和补偿器参数, 如步骤 3.8-3.10 所示, 直到目标实现为止。一旦目标实现, 获得医生批准, 并继续执行步骤3.14。
- 使用辅助独立剂量计算软件包验证批准计划中剂量计算的准确性。
- 与医学物理学家一起查看计划的测量结果、计算结果和技术性能, 以确保质量控制。
- 从适当的供应商处订购块和补偿器。
- 对从供应商处收到的块和补偿器进行 qa。
- 生成治疗计划文件, 并通过计划医生、物理学家和监督医生的数字签名对其进行批准。
- 将所有治疗计划数据导出到治疗给送出系统进行患者治疗, 然后继续执行步骤4.1。
4. 放射治疗
- 在治疗的第一天, 检查以确保辐射计划符合治疗系统中的计划参数。
- 安排治疗室, 重现 ct 模拟过程中使用的病人设置。确保固定垫标签与患者 id 匹配, 然后用正确的索引放置在治疗表上。将模拟时使用的头枕放在表的顶部。
- 与患者确认他们已完成整个膀胱过程, 并更换为治疗礼服。
- 护送病人进入治疗室, 并将其置于治疗桌上的仰视位置, 双手紧握在胸部和腿部固定垫上。
- 如果在模拟过程中使用, 则插入并充气直肠内球囊。
- 以电子方式将治疗表从负载位置移动到等分中心, 使患者与模拟过程中放置的标记对齐。调整表格以纠正患者定位中的任何严重错误, 如俯仰、旋转和打哈欠。
- 一旦患者正确地与模拟标记对齐, 完成从起始位置到剂量学治疗规划过程中确定的位置的转变, 以使患者与所需的治疗等中心对齐。
- 进行正交 kv 成像, 以确保患者内部与先前由泌尿外科放置在前列腺内的骨盆骨和基准标记物正确对齐。
- 根据规划 ct 模拟扫描中数字重建的 x 光片上覆盖采集到的 kv 图像, 确定是否需要位置调整。应用必要的班次以确保对齐。
- 如果 kv 图像显示肠道气体过多, 请患者在可能的情况下躺在治疗台上排出空气, 然后重新调整并重新成像。
- 如果患者无法在治疗台上释放, 中止治疗, 让患者去洗手间。患者从卫生间返回后, 从步骤4.3 重新启动质子传递过程。
- 一旦获得并确认了可接受的 kv 图像, 就完成了锥束 ct (cbct) 扫描, 以评估刀片/直肠填充。根据 cbct 扫描应用额外的患者定位调整。与基于 kv 图像的定位校正一样, 使用 cbct 数据所做的更改将直接从成像控制台发送到自动应用的处理表。
- 在质子治疗的第一天开始治疗之前, 请与治疗医生核实所有位置矫正。
- 启动治疗交付与声音验证两个治疗师之间的龙门角度, 监测单位, 扫描点和层数, 以及每个治疗角度的鼻子位置。这些参数显示在治疗控制台和由剂量学、物理和治疗医生签署的规划文件中。
- 治疗后, 标记治疗等尾孔进行日常对齐, 并取出标记。
- 对所有后续处理部分重复步骤 4.2-4.9。
Representative Results
现有数据表明, 质子治疗对某些癌症有很大的好处。pt 可能更适合于选定的儿科肿瘤、以前被照射的地区的复发性癌症, 或其他正常组织损伤风险较高的癌症。下面, 我们将讨论质子治疗前列腺、乳腺和髓母细胞瘤的应用和益处。我们的目标是让读者更好地了解质子治疗在男性、女性和儿童常见肿瘤中的应用。
在美国, 前列腺癌是男性中最常见的被诊断为恶性肿瘤, 也是男性癌症相关死亡的第二大常见原因。2018年估计将诊断出 64 690个新病例, 29 000多名男子将死于这种疾病。非转移性前列腺癌患者有资格获得治疗选择, 包括主动监测、根治性前列腺切除术、近距离治疗和光子或质子外束辐射 22。根据患者的解剖、合群、肿瘤阶段、医生判断和患者偏好, 做出明确的治疗决定。
早期前列腺癌的辐射传递仅限于前列腺。在中等风险前列腺癌的情况下, 近端精囊也是有针对性的。虽然部分前列腺疗法正在探索中, 但整个腺体疗法仍然是护理的标准。对于不良的中间和高危疾病患者, 通常包括闭塞、前囊、内胫骨和外髋关节节。
在放射治疗规划之前, 可以放置基准标记, 以便使用预处理过的千伏成像 (即标准 x 射线)进行图像引导治疗。此外, 还可以在 ct 模拟之前插入水凝胶间隔器, 以在直肠和前列腺之间形成缝隙, 进一步限制对直肠组织 24,25的剂量。在治疗计划中, 应使用定制的缓冲装置固定骨盆, 在仰角位置模拟患者。直肠球囊可放置在 ct 模拟处, 以限制前列腺运动和直肠体积和密度26的不确定性。建议一个舒适的全膀胱限制剂量的小肠和膀胱的前部27。mri 模拟也被建议允许更准确的目标体积划分26。
治疗应设计为给前列腺提供7.6-79.2 戈瑞的剂量, 建议对有可能发生显微镜疾病的结节或精囊区域进行选择性覆盖9的剂量为45-50.4 戈瑞。所有分数每天送一次, 每分数1.8 至2戈瑞。对于接受近距离治疗提升的中间和高危患者, 外部光束辐射剂量应限制在约45戈瑞。近距离治疗剂量110戈尔应用于 i-125 低剂量率永久植入物。通过导管提供高剂量率近距离治疗, 常用的促进方案包括13至 15 gy x 1 分数, 8 至 11.5 gy x 2 分数, 5.5 至 6.5 gy x 3 分数, 和4.0 至 6.0 gy x 4 分数9。
优化治疗计划剂量学, 以限制膀胱、直肠和肠道的剂量。基于光子和质子的治疗 (即imrt 与 impt 技术) 之间的剂量学比较表明, 后者方法28提高了对正常组织的剂量节省。
无论选择何种治疗方法, 患有早期疾病22的男性在10岁时的前列腺癌具体死亡率都低于2%。有了剂量强化 rt, 高危患者在9岁至29岁时, 前列腺癌特异性死亡率也很低, 为5%。死亡率仍然很低, 主要原因是有系统的治疗方法, 在转移性环境中仍然有效。imrt 和质子治疗的结果仍然是优秀的30,31。patiqol (nct01617161) 研究是质子束治疗 (pbt) 和 imrt 之间的一项持续的随机研究, 用于低风险和中度前列腺癌, 希望这将确定一种模式是否优于另一种模式。
乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤, 也是美国女性癌症相关死亡的第二大常见原因。2018年估计将诊断出 26 670 个新病例, 4 1 400名妇女将死于这种疾病1。与前列腺癌不同的是, 大多数患者接受放疗作为单一疗法, 乳腺癌患者术后接受辐射, 以降低癌症复发的风险11。根据所需的手术范围, 辐射可能针对肿瘤肿瘤切除术后的剩余乳房或乳房切除术 11,32后的胸壁。如果被认为有肿瘤扩散的危险, 则可能会针对腋窝、锁骨上和乳腺内区域淋巴结。
乳房患者的治疗时间表通常需要每天治疗一次, 每周5天。早期患者一般用常规分馏 (1.8-2.0 Gy/fraction; 50 gyy 总量) 或低分馏 (2.67 Gy/fraction; 40.05 42.56 戈尔总) 方案治疗整个乳房11,33。较先进但局部疾病的患者使用常规分馏到50戈 (1.8-2.0 gy/分数) 到整个乳房或胸壁和区域淋巴结。这些剂量是有效的亚临床疾病, 可能存在于手术后。
乳腺癌放射治疗的 ct 模拟通常是在仰角完成的。与前列腺癌不同的是, 两臂都被绑架在头顶上, 以便暴露胸壁或乳房组织。此外, 还经常使用定制的摇篮装置和胸板将胸部固定在凸起的位置上, 使与治疗表平行。这可确保乳房组织不会向颈部区域上坠落。
乳腺癌期间心脏的辐射照射会增加患未来缺血性疾病的风险 34.因此, 最大限度地减少心脏剂量的技术是至关重要的。一种方法是采用深层吸气保持 (dibh) 来增加胸腔内的空间和心脏与前胸之间的距离。正如该方法所暗示的, 接受 dibh 治疗的患者将暂停呼吸周期, 并在最大灵感点接受治疗。然而, 并不是所有的患者都能耐受足够持续的呼吸保持, 以允许这种技术。在一些患者中, 俯卧位可能是有利的, 可能会让乳房组织远离关键的正常组织, 包括心脏3 5.这种方法的一个缺点是它限制了针对淋巴管区域的能力。质子治疗可以实现大量的心脏剂量节省, 而不需要 dibh 和易发技术36,37。
质子疗法适用于乳腺癌患者, 并已被证明优于基于光子的技术, 对关键结构, 如肺和心脏38剂量的节省效果。可利用具有距离移位器的单场铅笔束扫描 (pbs) 方案来管理质子辐射到胸壁和区域节点。也可以采用被动散射方法。如果由于现场限制, 需要多个字段才能处理整个胸壁和区域节点, 那么就必须采用现场匹配技术。一种策略是采用匹配的锁骨上和胸壁场, 与锁骨头下2-4 毫米的皮肤缝隙相匹配.在辐射过程中, 场边界在不同的时间点移动超过1厘米的距离, 以尽量减少热点和冷点。
乳腺癌辐射的临床结果表明, 在20年的随访中, 早期疾病11和当地晚期患者的总存活率为 50%, 当地晚期患者的总存活率为 37%。鉴于缓解期较长, 尽量减少治疗相关毒性是一个非常值得关注的问题。尽管质子治疗有望降低心脏毒性风险, 但正在进行的 radcomp 联盟试验 (nct026103341) 正在研究这一问题, 该试验正在将乳腺癌妇女随机分为光子或质子放疗。
癌症仍然是美国1-14岁儿童第二大最常见的死亡原因, 仅因事故而超过。2018年, 10 590名儿童将被诊断出患有癌症, 1 180 人将因恶性肿瘤1而死亡。在这一组中, 250-500 患者将被诊断为髓母细胞瘤。诊断髓母细胞瘤的中位年龄为4-6岁。鉴于脑脊液参与和传播的高风险 (30-40), 颅端照射 (csi) 是这些患者的标准护理, 约80% 的患者通过适当的治疗生存。
髓母细胞瘤患者根据其年龄、发育不或转移的存在以及手术切除后残留肿瘤的数量, 分为标准风险和高危人群。无论哪种情况, 治疗都包括术后辐射。rt 治疗髓母细胞瘤涉及最初的 csi, 剂量为23.4-36 戈瑞。然后给肿瘤床额外剂量, 使原发肿瘤部位40的剂量达到50.4-55.8 戈瑞。治疗计划的考虑因素包括脑干和脊髓的最大剂量限制为54戈瑞和45戈瑞。csi 可以使用光子或质子治疗。ct 模拟和治疗往往需要麻醉, 以确保患者在治疗过程中不移动41。
由于辐射的目标区域较大, 基于光子的 rt 技术会导致大量照射脊髓前的胸腔和腹部结构, 包括肺、心脏、肠道和乳房。这些区域可以避免过度辐射与质子治疗 (图 3)42。基于 pt 的 csi 需要两个稍微倾斜的侧场来照射上颈椎和大脑, 以及一个或多个针对下颈椎、胸部、腰椎和颈椎区域的后前梁。由于 csi 的目标 ctv 包括从脑头延伸到椎管的整个脑脊液空间, 通过 s2s3 椎口的水平上的马尾, 因此需要多个领域 (图 3)。脊柱长度决定治疗所需的脊柱场总数。脊椎上部的上边界与颅内的下边界相匹配。如果脊椎场不能覆盖整个脊椎, 那么第二个脊椎场就与上脊椎场的下边界相匹配。如果较高的患者需要第三个字段, 则可能会重复此过程。对于15岁以下的患者, 脊柱场的前边界扩大到包括整个椎体, 以确保所需的均匀剂量的骨骼, 以防止未来发育中的骨骼生长异常。对于15岁以上的人, 脊柱前场边界在椎管以外延伸2-3 毫米进入脊柱。
csi 42, 43 都使用了被动散射和 pbs 技术.csi 治疗的具体目标包括脑脊液 (csf) 到脑神经囊 (s2 或 s3) 低端的均匀辐射剂量, 前颅底和边缘板的全剂量, 对视神经结构的剂量最小化, 甲状腺的限制不超过处方剂量的 5%, 并尽量减少食道43的剂量.
被动散射处理规划通常从颅骨场的创建开始。通过手动编辑的范围补偿器通常需要在大脑中创建均匀的剂量分布, 同时限制眼睛和耳蜗的剂量。对于脊柱, 补偿器在甲状腺水平增厚, 以最大限度地减少剂量。然后特别注意颅内和脊柱之间以及多个脊柱场之间的场连接, 并在需要时。接合部区的定义是字段相邻的 1.25-1.5 厘米长。该连接点每周在颅骨或尾端方向移动, 以防止热或冷剂量区域的发展。理想情况下, 剂量方差保持在处方剂量的95-108% 之间。为实现这一目标43, 采用了场加权、光圈编辑和补偿器编辑。
安德森癌症中心的研究人员为 csi 规划42制定了一项循序渐进的策略。这种方法包括制定一个 mfo 计划来治疗颅骨和下脊柱领域, 然后为胸椎制定 sfo 计划。在交界处使用剂量梯度。然后将 sfo 计划复制到最初的 mfo 计划中, 以制定最终的综合 mfo 计划。脊柱连接处在4周的治疗过程中被转移一次由2厘米。与被动散射 csi 相比, 基于 pbs 的 csi 可大幅降低镜片、耳蜗和腮腺的辐射剂量, 但代价是甲状腺剂量增加42。
髓母细胞瘤患者可以预期事件免费生存率 60-80%, 这取决于风险地层44。鉴于 csi 照射组织面积大, 且儿科患者的敏感性, 长期副作用风险相当大, 包括神经认知障碍、继发性恶性肿瘤、垂体功能障碍、听力损失、心脏病, 不孕不育, 甲状腺功能减退, 血管病, 干眼症, 白内障形成, 视力下降, 和放射性坏死性骨炎。因此, 基于质子的 csi 可能为许多患者提供实质性的好处。
图 1: 放射治疗的深度剂量曲线.剂量分布作为水中深度的函数, 显示在各种临床辐射光束。请点击这里查看此图的较大版本.
图 2: 质子和光子乳房辐射的比较.当地晚期乳腺癌患者接受 imrt (a、 b) 或质子 (c, d) 放射治疗, 并显示心脏辐射剂量大幅减少的百分比剂量分布情况;肺与质子。请点击这里查看此图的较大版本.
图 3: 质子和光子头旋辐射的比较.使用质子 (a) 或 imrt (b) 接受颅底照射并显示胸腔内和腹内区域辐射剂量大幅减少的髓母细胞瘤患者的百分比剂量分布与质子。请点击这里查看此图的较大版本.
| 光子 | 质子 | |
| 粒子类型 | 玻 色子 | 复合费米翁 |
| 充电 [c] | 0 | + 1.602 x 10-19 |
| 质量 [公斤] | 0 | 1.672 x10-27 |
| 自 旋 | 1 | 半 |
| 能量· [mev] | 0.1-25 | 10-250 |
| 常见来源 | 直线加速器, co-60 放射性同位素, x 射线管 | 回旋加速器或同步加速器 |
| 交货方式 | 准直固体梁, 多叶准直器, 强度调制, 弧形 | 被动散射, 磁扫描 |
| ·通常用于治疗人类癌症的能量范围 | ||
表 1: 质子和光子辐射的比较。
Discussion
癌症的放射治疗规划和分娩是一个高度定制的过程, 为每个患者和他/她的特定癌症个性化。现代放射治疗是在定制的辐射规划模拟过程中获得的基于图像引导的干扰 ct 图像。ct 成像是强制性的, 因为它包含有关患者的三维 (3d) 解剖信息, 以及准确定量的组织密度在不同的位置在身体的剂量计算所需的。在 ct 成像过程中, 患者被放置在机动桌子上。在成像和随后的 rt 分娩过程中, 通常使用几种机械固定装置来限制患者的活动。根据所需的精度, 这些设备的范围从简单的模塑式垫子和塑料网格, 符合患者表面, 然后硬化以限制运动, 更多的侵入性设备, 如刚性颅骨设备, 在适当的地方钻孔。通常情况下, 固定装置所需的精度取决于肿瘤组织与附近关键结构的接近程度。例如, 最具侵入性的固定装置, 头部光环钻到位, 有时在需要单毫米精度来治疗眼睛或视神经附近的肿瘤时使用, 以最大限度地减少患者移动可能出现的失明机会在治疗过程中进入不正确的位置。
ct 成像信息也可用于优化内部正常组织解剖。例如, 膀胱扩张通常用于最大限度地减少膀胱和小肠暴露从照射前列腺如上文中所述。同样, 如果在模拟上腹部照射 (例如胃、肝、远端食道) 时, 胃明显与食物扩张, 那么在让食物通过胃和肠道后, 患者就会重新模拟.这将缩小胃, 减少在上腹部肿瘤放射治疗期间辐射照射的机会。在胃或膀胱本身是辐射靶点的情况下, 它们可能会被故意扩张或清空, 以优化剂量分布。
在某些情况下, 肿瘤在 ct 上没有得到充分或可靠的显示, 但可以通过 mri 或 pet 扫描更准确地识别。在这种情况下, pet 或 mri 扫描被用来补充 ct 数据, 因为后者仍然需要剂量计算。这是通过将 mri 和 pet 图像注册到 ct 图像进行规划治疗来实现的。mri 扫描通常比 ct 提供更大的视觉对比度和更高的分辨率, 这可能有助于识别大脑或肝脏等肿瘤的薄、软组织边界。pet 提供了注射到患者体内的放射性标记示踪分子分布的功能视图。
一些肿瘤出现在胸腔或腹部, 在那里他们可能会显著移动与呼吸。为了解释这种运动, 以确保辐射的准确性, 四维 ct, 一种 "电影模式" ct 成像, 可用于捕捉3d 患者解剖, 因为它在呼吸过程中随着时间的推移而变化。对于一些胸腔和腹部靶点, 在治疗过程中可以使用压缩带或其他缓解运动的方法来限制运动, 限制肿瘤位置的不确定性45。
一旦患者模拟治疗, 就会考虑到癌症组织学、肿瘤位置和解剖特征, 制定个性化的治疗计划, 这些特征会影响辐射光束、粒子类型、能量、和每个患者的剂量水平。对于每个患者, 临床团队最初会考虑一些基本问题, 以制定最佳的治疗方案。作为起点, 必须选择最适当的辐射形式。选项包括光子、电子或质子。这通常是选择用于辐射传递的光束角度。大多数 rt 机器包括一个机器人病人定位台和一个旋转龙门, 允许 rt 光束以几乎任何角度进入病人体内。该决定涉及找到最有效地使用 rt 打击目标的路径, 并最好地避免可能位于选定横梁路径中的非目标。在某些情况下, 光束角度是由规划系统本身在输入肿瘤和正常组织的辐射目标后决定的。这个过程被称为 "逆规划", 通常是在 imrt 的情况下进行的, 它涉及到以与时间相关的方式调节多个传入辐射光束的强度, 提供统一的目标剂量, 但可能导致高度不均匀的剂量在目标之外。虽然光子或质子治疗都可以被调强, 但逆规划主要用于基于光子的 imrt。如果要使用固体辐射光束, 可以制作定制的金属准直器, 使辐射光束的形状与肿瘤的形状相匹配。
如果选择了质子治疗, 那么需要随后就被动散射或 pbs 技术的使用做出决定。就 pbs 而言, 需要就使用 mfo 或单场优化/单场均匀剂量 (sfo/sfud) 策略作出额外决定。在 mfo 治疗中, 需要多个光束来治疗肿瘤的每一部分, 因为每个光束只针对目标的一部分。相反, 对于 sfo 计划, 每个光束都覆盖整个目标。mfo 通常适用于靠近临界结构的肿瘤 (例如, 视神经附近的脑瘤), 在这种情况下, 各种光束角度可能有利于塑造辐射剂量。mfo 策略还确保所有辐射波束点不会 "结束范围" 进入同一区域, 由于布拉格峰值效应, 剂量可能会出现意外的高。另一方面, sfo 是首选的目标附近的解剖不确定区, 如前列腺可以移动, 由于不同的膀胱和直肠充盈。sfo 对由于解剖差异而引起的剂量变化具有增强的鲁棒性。
一旦确定了基本的规划策略, 下一阶段的处理规划通常涉及辐射场的数学优化。入射辐射的能量、强度和空间分布 (空间变化通量) 通常是优化中的自由参数。随着 ct 患者解剖的大三维矩阵表示, 这些自由变量导致一个非常大的问题大小和相应的大优化矩阵 (例如, 数千个 ct 值和数千个可能的光束强度必须被考虑)。这些矩阵是在一个客观函数, 这是一个数学公式的 "治疗计划的目标"。如上所述, 治疗目标的优先次序是首先达到目标的规定剂量, 其次是尽可能低剂量的正常组织。为了最大限度地减少这一目标函数, 需要高计算能力来快速执行填充矩阵的 rt 传输计算, 并使用数值优化方法 (如梯度搜索算法) 来快速搜索函数。这些最小值对应于每个独特患者的最佳治疗计划。计算机在治疗规划中的作用怎么强调也不为过。如果没有过去三十年的计算机进步, 现代放射治疗和诊断放射学是不可能的。
作为最后阶段, 优化的治疗计划由医疗团队 (医生、剂量师和物理学家) 审查。在许多情况下, 可以进一步调整或重新优化该计划, 以实现不同的目标, 提高整体质量。一旦发现该计划是最佳的, 则由物理学家审查该计划的技术参数, 并将其转移到处理交付机。
在许多情况下, 患者返回进行多个治疗部分 (疗程), 通常每个工作日几个星期。与单分数治疗12相比, 多天分馏可以强化急性辐射引起的副作用, 但可以减少潜在的后期、更严重的副作用。多分数方法是快速分裂或无法修复 rt 亚致死损伤的肿瘤的最佳方法。然而, 这取决于确切的治疗部位和附近正常组织的敏感性。由于放射治疗的目标是在每一部分进行相同的治疗, 即使是几毫米的运动或不确定的病人位置可能会导致粒子治疗治疗计划的退化。因此, 在多分数 rt 中, 机载图像制导系统至关重要, 因为在多分数 rt 中, x 射线成像仪、锥束 ct 扫描仪或光学、激光扫描表面成像仪都可用于此目的。这些设备允许成像引导放射治疗 (igrt) 通过成像解剖地标, 肿瘤目标, 或替代无线电不透明的坐骨标志物。igrt 图像与原始模拟扫描进行比较, 并在辐射的每一部分之前根据需要进行调整。
尽管质子治疗的有限范围限制了出口剂量, 但治疗计划中通常看到的范围预测的精度在几毫米左右。不同患者组织的确切能量损失是不确定的, 首先, 因为组织的确切分子成分是模糊的, 其次, 因为患者的解剖结构随着时间的推移而变化, 都是在较短的时间尺度 (如呼吸) 和更长的时间范围 (例如, 体重减轻, 肿瘤收缩, 正常的解剖变化)。为了解决这种不确定性, 目标体积增加了一个 "远端边缘", 这是正常组织的额外边缘, 刚刚超过最大肿瘤深度。这样的边缘确保了即使在范围预测的不确定性下, 整个肿瘤深度也会得到高度的信心处理。不幸的是, 正常的组织边缘可能因此暴露在完整的 rt 剂量, 这可能会导致重大的 rt 副作用, 在该组织。相反, 由于光子不会停止, 而是会退出目标, 因此不需要这样的远端边缘来补偿范围不确定性。在光子治疗中, 几何边缘仍被用来解决目标的位置不确定性, 但光子对目标上游患者组织的精确状态的敏感性远远低于质子。因此, 光子所需的边距有时可能比质子小。这可以通过考虑到质子在组织中经历连续的能量损失, 这极大地影响了它们的范围位置, 而光子则没有电荷, 在原子与其轨道之间的空白空间中自由移动, 但罕见的除外与电子或原子核的碰撞。组织中的密度差异,例如金属物体或空气腔, 然而, 仍然影响光子剂量和质子剂量, 但幅度较低。
最后一个重要的不确定性涉及不同形式辐射的放射生物学有效性。rbe 是指从参考辐射类型和试验辐射类型的剂量比率, 条件是两种辐射类型产生相同的生物效应。rbe 越高, 对组织中单位能量沉积的辐射的危害就越大。rbe 比是参照光子辐射来定义的。尽管有这种简单的描述, 但与光子相比, 带电粒子的 rbe 值实际上存在很大的不确定性。光子和带电粒子在微米和纳米尺度上的空间剂量分布的差异导致了生物效应的差异, 即使宏观剂量是相同的。这可以通过在不同剂量和不同动能下暴露于带电粒子后 dna 损伤的空间模式来理解。不同的动能和不同的质子 (+ 1) 和碳离子 (+ 6) 电荷导致患者在不同深度的能量传递的差异, 而对于光子, 能量传递相对较低, 也更均匀。病人。虽然理论上理解, 但辐射肿瘤学界对准确预测此类生物效应的能力存在重大争议。对于碳离子疗法, 对于如何最好地模拟这些生物效应缺乏共识, 不过大家一致认为, 必须对这些效应进行建模, 以提供治疗。对于质子, 大多数临床中心目前在没有明确模拟 rbe 效果的情况下规划治疗, 但使用的校正因子为 1.1, 但随着新的商业治疗规划系统开始发展, 这种情况在不久的将来可能会改变。包括生物建模软件工具来模拟质子治疗的 rbe。
随着包括 radcomp、partiqol 和 rtog 1308 在内的随机试验的完成, 我们应该有更具体的答案, 分别说明哪些形式的辐射可能优于乳腺癌、前列腺癌和肺癌。计划对其他疾病部位进行类似的研究, 这些研究可能有助于更好地确定这些肿瘤类型的最佳治疗方式。然而, 已经有足够的数据表明质子在某些环境中的优越性, 特别是在儿科人口中, 大量正常的组织保存可以大大降低毒性的发病率, 包括继发性物质的发病率。恶性肿瘤。
Disclosures
a. h. 有来自阿斯特雷卡、拜耳和诺华的酬金。a. h. 与 astrazeneca、birstol-myers squibb 和 bayer 进行了磋商, 并担任法国基金会的发言人。
Acknowledgments
s. r. 感谢国家卫生研究院贷款偿还计划提供的赠款。a. h. 得到了拜耳、克洛维斯、星座、阿根西、索蒂奥、塞鲁利安和卡利瑟拉的资助。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Proton beam cyclotron and gantry delivery system | Varian | N/A | Allows for generation and delivery of protons for radiotherapy |
| kVUE One Proton Couch Top | Qfix | RT-4551KV-03 | Permits patient placement for radiotherapy |
| CT simulator with 4D scanning capability | GE | N/A | Permits CT simulation for radiation planning |
| 100" x 70" Qfix VacQfix Cushion | Qfix | RT-4517-10070F30 | Immobilizes patient for more precise radiation delivery |
| Timo Foam Head Support | Qfix | RT-4490-F | Ensures minimization of head motion during radiotherapy |
| 3 CT Localizers Localization Markers | Beekley Medical | REF 211 | Ensures concordance of external markers and internal patient anatomy from CT simulation |
| VacQfix Indexer | Qfix | RT-4517-IND01 | Ensures VacQfix cushion placement is reproducible for every radiatiion treatment |
| Radiation treatment planning software | Raystation | N/A | Allows for personalized radiation planning for every tumor with robust optimization and multi-criteria optimization |
| Proton Range Compensator | .Decimal | RC-AC 1018 | Adjusts the range of the proton beam to achieve distal dose conformality |
| Proton Beam Aperture | .Decimal | AP-BR 1800 | Shapes the proton beam treatment area |
| Proton Range Shifter | .Decimal | RS-AC 1018 | Adjusts proton beam tissue depth penetration |
| Endorectal Balloon | Radiadyne | ILG-90F | Ensures uniform rectal filling and prostate positioning |
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