《Journal of Applied Clinical Medical Physics》杂志2025年3月5日在线发表日本 Kasugai General Rehabilitation Hospital的Toshihiro Suzuki , Masahide Saito , Ryutaro Nomura等撰写的《立体定向放疗治疗转移性脑肿瘤：VMAT、螺旋断层治疗、射波刀、伽玛刀和ZAP-X的剂量分布比较分析 Stereotactic radiotherapy for metastatic brain tumors: A comparative analysis of dose distributions among VMAT, Helical TomoTherapy, CyberKnife, Gamma Knife, and ZAP-X》（doi: 10.1002/acm2.70046. ）。
简介
本研究评估了治疗转移性脑肿瘤（BT）的各种放疗技术，重点是非共面体积调强电弧放疗（NC-VMAT）、共面体积调强电弧放疗（C-VMAT）、螺旋断层放疗（HT）、射波刀（CK）、伽玛刀（GK）和ZAP- X。
据报道，在整个癌症患者队列中，约有20%至40%出现脑转移。治疗方案包括手术干预、靶向治疗、免疫治疗和放射治疗。此外，在某些情况下，这些组合在一起。目前，在放射治疗领域，有一系列可用的技术，包括体积调强电弧放射治疗（VMAT），立体定向放射外科（SRS）和立体定向放射治疗（SRT）。治疗设备包括一系列仪器，包括直线加速器（LINAC）、螺旋断层治疗（tomotherapy，HT), (Accuray, Sunnyvale， CA）、射波刀（CK,Accuray, Sunnyvale， CA）、伽马刀（GK, Elekta Ininstruments AB，瑞典）和ZAP - X系统（Zap - x, Zap Surgical Systems Inc, San Carlos， CA）。
其中，ZAP-X是近年来发展起来的一种陀螺仪放射外科设备，用于治疗颅内和颈椎病变。它已经得到了日本监管部门的批准，并在几家医疗机构中运行。ZAP-X是完全自屏蔽的，使用3MV直线交流电源。此外，它还配备了一个钨旋转准直器，提供8种不同的准直器尺寸，范围从4到25毫米。3mv x射线以1500 MU/min的剂量率传送到靶标，源到轴的距离为450-mm。在辐照过程中，实际传输剂量可以通过放置在LINAC对角线上的MV成像仪实时监测。如果检测到与预期传输剂量的差异大于10%，则停止辐照。有一些关于ZAP-X和各种治疗装置的比较研究，可能是因为ZAP-X是最近才被引入的。
本研究旨在评估和比较非共面VMAT （NC-VMAT）、共面VMAT （C-VMAT）、HT、CK和GK与ZAP - X在转移性脑肿瘤（BT）治疗计划中的剂量学和照射参数。
材料和方法
我们利用了12例因单发BT而接受CK治疗的患者的CT图像和结构。为每个计划装置创建12个治疗方案。
2.1 患者
本回顾性研究经我院机构伦理审查委员会批准（批号：2023-4）。2019年3月至2023年10月，纳入12例使用CK进行BT放疗的患者。在网站上以选择退出的形式获得知情同意。
2.2 治疗方案
所有计算机断层扫描（CT）图像均使用Optima CT660 （GE Medical Systems, Milwaukee，WI）在以下设置下获取：120 kV， 400 mA， 1.25 mm层厚，300 mm视野，512 × 512像素。使用CK MultiPlan Treatment PlanningSystems (TPS) （Accuray）上的CT和磁共振图像（Vantage Elan 1.5 T, Canon MedicalSystems, Japan）描绘勾画所有结构。CT图像和结构通过DICOM - RT转移到各自的TPS，以制定治疗计划。结构包括肿瘤总体积（GTV）、计划靶体积（PTV、GTV +1.0-mm或1.25 mm）、脑干、眼、晶状体、视神经、视交叉。
三名临床医学物理学家、一名神经外科医生和一名放射技术专家根据获得的数据，使用各自的TPS为NC-VMAT、C-VMAT、HT、CK、GK和zap - x制定了72个治疗方案。负责每个TPS的策划人员都有三年以上的经验；ZAP-X neuro-surgeon;VMAT (NC-VMAT, C-VMAT)，医学物理师；HT，医学物理师；CK，医学物理师；分别是GK和放射技术专家。
由于每种治疗设备在治疗计划的技术方法上略有不同，因此计划的设计不受计划时间的限制；相反，所有计划的设计都是使处方剂量尽可能接近PTV的99.5%，PTV范围内的最大剂量设定为处方剂量的200%。尽管本研究没有包括近距离发生危及器官风险（OAR）的病例，但所有计划都是基于TG 101的危及器官风险（OAR）剂量约束制定的。
表1列出了12例患者的特征。处方剂量和分次数采用临床实际值计算。12例(中位[范围]年龄63.5岁[46-91]岁；5名男性和7名女性均为单BT患者。在本研究中，为了根据靶标大小评估差异，将患者1 -6作为SRS组（36个治疗方案），将患者7- 12作为SRT组（36个治疗方案）进行比较。
2.3 NC-V
对于NC-VMAT，治疗计划由RayStation version 10A （RaySearch Laboratories,Stockholm, Sweden）执行。所有平面图均为一个共面全弧（顺时针181◦−179◦，倾角0◦）和三个非共面半弧。准直器角度均为15◦，用于全弧和半弧。三个半弧的龙门角度分别为179◦到359◦（逆时针），359◦到179◦（顺时针）和181◦到359◦（顺时针），沙发角度分别设置为315◦，270◦和45◦。处方剂量采用塌陷锥卷积算法计算，分辨率为1 × 1 × 1-mm。所有NC-VMAT计划都由Elekta synergy - energy单元的6 MV FFF x射线光束交付，该单元带有Agility龙门头，具有160个5毫米的MLC leaves （Elekta AB, Stockholm, Sweden）。
2.4 C-VMAT
对于C-VMAT，治疗计划也由RayStation version 10A执行。所有计划使用一个完整的弧度（181◦−179◦顺时针），准直角为15◦，沙发角为0◦。所有C-VMAT计划也由Elekta Synergy单元的6 MV FFF x射线光束交付，该单元带有Agility龙门架头部，具有160个5毫米MLC叶片。
2.5 HT
对于HT，使用tomotherapy planning Station version 5.1.1 （Accuray）进行治疗计划。使用的场宽和间距分别为1.05 cm和0.127。处方剂量计算采用精细剂量网格卷积/叠加算法。所有HT方案均由TomoHD （Accuray）公司的6 MV FFF x射线束传送。由于TomoTherapy planningStation缺乏缩放功能，因此我们进行了优化，以实现处方剂量超过D99.5%但尽可能接近它（即D99.5%≤处方剂量< D100%）。
2.6 CK
CK采用CK Multi-Plan TPS version 3.2.0 （Accuray）进行处理计划。采用CK G4固定直准直仪作为治疗机。选择使用的准直仪是不超过肿瘤最大直径和小于肿瘤最大直径的准直仪的组合。SRS组使用的准直器尺寸为1 - 3，从5、7.5和10 mm中选择；SRT组使用的准直器尺寸为3 - 5，从7.5、10、12.5、15、20和30 mm中选择。为了调整所有情况下的剂量分布，考虑到准直器的尺寸，在PTV外创建了三个壳，并使用顺序优化进行了计划。处方剂量采用蒙特卡罗算法计算，不确定度为2%，分辨率为1 × 1 × 1.25 mm。所有的CK计划都是通过6 MV的CK x射线束与Iris准直器进行的。
2.7 GK
对于GK，使用leksell GammaPlan TPS与(商业上称为Lightning version 11.3.2 ）（Elekta）快速逆向计划剂量优化器生成治疗计划。本研究中使用的GK Icon型系统由8个可移动扇区组成，总共有192个Co源，其中扇区可以设置为三种不同的准直器尺寸（直径为4、8和16毫米）和光束阻挡位置，以使治疗体积与预期靶体积紧密匹配。以2.365 Gy/min的剂量率计算治疗时长（t-time）。处方剂量采用TMR10算法计算，分辨率为1× 1× 1-mm。
2.8 ZAP-X
对于ZAP - X，使用ZAP -X TPS版本1.8.58.12369 （Zap Surgical Systems）进行治疗计划。选择多个等中心和准直器来对准PTV的形状和尺寸。
对于某些病例，根据肿瘤的形状，采用正向计划和GK来确定50%等剂量线，而其他病例则采用逆向计划来计算。SRS组使用的准直器尺寸从4、5、7.5、12.5和15mm中选择，SRT组使用的准直器尺寸从7.5、10、12.5、15、20和25mm中选择。在其他情况下，逆向规划在正向规划之后进行。这包括预先计划医生所打算的等中心点放置，以实现最初的大致覆盖，然后进行逆向计划，以提供更适形的照射。处方剂量计算采用射线追踪算法，分辨率为1× 1× 1-mm。所有的ZAP-X计划都是通过3MV x射线束交付的。
2.9 剂量学和辐照参数
用于比较的剂量法包括：梯度指数（GI）、Paddick适形性指数（CI）、V12 Gy和V24Gy。辐照参数为t-time。GI是一种低剂量扩散到靶体积外周围正常组织的测量。 GI计算公式如下：
GI = PIV50%/PIV
其中PIV50%为处方等剂量线的50%，PIV为处方等剂量线所覆盖的体积。
CI计算公式为：
CI = TVPIV/TV × TV PIV/PIV ，
其中TVPIV为处方等剂量线覆盖靶体的体积，TV为靶体体积。放射性脑坏死（RBN）是SRS和SRT后发生的并发症。先前的研究已经将RBN的风险与SRS的V12 Gy和SRT的V24 Gy联系起来。因此，SRS组和SRT组分别在V12 Gy和V24 Gy时进行评价。
t-time是使用TPS计算的，它表示记录的持续时长，如果包含设置时间，则去除设置时间（The t-time was calculated using the TPS andrepresents the recorded duration, excluding the setuptime if it was included.）。
结果
所有计划均采用处方剂量法，计划靶体积D99.5%。他们被分为立体定向放射外科（SRS）(处方剂量；21-23 Gy)和立体定向放疗（SRT）(处方剂量；30 - 36.5 Gy)组，其参数包括梯度指数（GI）、Paddick适形性指数（CI）和治疗时间（T-time）。SRS组GI、CI均值分别为：NC-VMAT（4.28, 0.60）、C-VMAT（5.61, 0.44）、HT（4.68, 0.42）、CK（4.31, 0.61）、GK（2.81, 0.82）、ZAP-X（2.99, 0.80）。SRT组：NC-VMAT（3.27, 0.84）、C-VMAT（3.81, 0.82）、HT（3.76, 0.65）、CK（2.98, 0.77）、GK（2.61, 0.90）、ZAP-X（2.80, 0.84）。
ZAP-X与GK两组CI、GI均值比较差异无统计学意义（p < 0.05）。两组NC-VMAT和C-VMAT的t-time均短于其他技术。
SRS组和SRT组的中位PTV分别为0.4cc（0.3-1.0）和12.2 cc（2.4-26.9）。图1显示了SRS组六种计划技术的代表性病例（患者3:PTV 0.3 cc，处方剂量22 Gy）的(a)剂量分布和(b)剂量-体积直方图（DVH）。C-VMAT、CK、GK和ZAP-X的剂量分布比C-VMAT和HT更陡峭。NC-VMAT、C-VMAT、HT、CK、GK和ZAP-X的V12 Gy分别为1.91、2.35、2.65、1.32、0.74和0.88 cc。对于DVH， HT的PTV最大剂量小于其他技术。
图2显示了SRT组六种计划技术的剂量分布和DVH（患者9:PTV 24.0 cc，处方剂量36.5 Gy）的代表性病例。与SRS组的病例相似，C-VMAT、CK、GK和ZAP-X的剂量分布比C-VMAT和HT的更陡峭。NC-VMAT、C-VMAT、HT、CK、GK、ZAP-X的V24 Gy分别为42.60、46.01、52.26、41.18、37.91、42.03 cc。对于DVH，所有技术的PTV最大剂量大致相同。
表2显示了SRS组和SRT组各治疗方案剂量学参数的平均值和标准差（SD）。SRS组GI均值最低的顺序为：GK、ZAP-X、NC-VMAT、CK、HT、C-VMAT。以ZAP-X为对照，仅GK差异无统计学意义（p = 0.995）。CI均值最高的顺序为：GK、ZAP-X、CK、NC-VMAT、C-VMAT、HT。
与ZAP-X比较，仅GK与ZAP-X比较差异无统计学意义（p = 0.998）。V12 Gy均值最低的顺序为：GK、ZAP-X、CK、NC-VMAT、HT、C-VMAT。以ZAP-X为对照，C-VMAT和HT比较差异有统计学意义（p < 0.05）。SRT组GI平均值最低的顺序为：GK、ZAP-X、CK、NC-VMAT、HT、C-VMAT。以ZAP-X为对照，C -VMAT和HT比较差异有统计学意义（p < 0.05）。CI 均值最高的依次为GK、ZAP-X、NC-VMAT、C-VMAT、CK、HT。以ZAP-X为对照，仅HT 有显著性差异（p < 0.05）。V24 Gy平均值最低的顺序为：GK、CK、ZAP-X、NC-VMAT、C-VMAT、HT。
以ZAP-X为对照，各治疗方法间无显著差异。考虑到较大的可变性，为了提高可靠性，排除了肿瘤体积较大的患者8和9的数据。分析其余4例的平均值和标准差。4例患者V24 Gy平均值最低的顺序为：GK、ZAP-X、CK、NC-VMAT、C-VMAT、HT。以ZAP-X为对照，各治疗方法间无显著差异。表3给出了SRS组和SRT组各治疗方案t-time的平均值和标准差。SRS组t-time均值最短的顺序为：C-VMAT、NC-VMAT、HT、ZAP-X、ck、GK。以ZAP-X为对照，仅CK无显著差异（p = 0.990）。SRT组t-time均值最短的顺序为：C-VMAT、NC-VMAT、HT、ZAP-X、GK、CK。对照ZAP-X， CK （p = 0.160）和GK（p = 0.560）无显著差异。
讨论
该研究调查了BT放射治疗的各种治疗技术，比较了SRS组和SRT组的剂量学和传递参数。研究的技术包括NC-VMAT、C-VMAT、HT、CK、GK和新设备ZAP-X。本研究评估了V12和v24 Gy作为正常脑受照剂量指标。先前的研究表明，V12和V24 Gy剂量分别高于10.0和16.8 cc时，RBN的风险增加。在SRS组中，所有治疗技术的平均V12 Gy始终低于10.0 cc，而在SRT组中，平均V12 Gy都超过16.8 cc。
由于所有技术中V24 Gy的SD 值都很大，因此排除肿瘤体积较大的患者来计算和评估平均值。其余4例的平均V24 Gy为16.8 cc或更低。处方剂量、肿瘤大小和肿瘤形态均影响V12和V24。因此，这样做的原因可能是该研究是使用非实际临床实践的处方剂量进行评估的，包括高处方剂量的病例。此外，我们认为这是由于纳入了肿瘤体积较大的病例。SRS组的GI、CI和V12 Gy的平均值，GK的优于其他治疗方法。关于GI和CI，结果与Paddick等人报道的结果相似。此外，SRT组的GI、CI和V24 Gy的平均值，GK的也优于其他治疗技术。
Wang等使用CK、GK和ZAP-X对单发BT病例的剂量特性进行了比较研究。研究采用了不同的归一化方法对GK和其他技术；他们报告说，GK的CI显著低于ZAP-X的和CK的，而GI在两种技术之间没有显著差异。虽然该研究没有直接比较CK和GK，但RT组CK和GK的结果与ZAP-X的无显著差异，趋势与既往研究的相似。
与SRS组相比，SRT组NC-VMAT、C-VMAT、HT的剂量测量结果均有改善。特别是NC-VMAT接近ZAP- X、CK和GK的平均值。Kim等报道，当前庭神经鞘瘤（VS）肿瘤体积大于0.5 cm3时，VMAT的CI优于GK。此外，Dong等比较了GK、CK和VMAT对>30 cm的BT的影响；在该研究中，GI、CI和t-time值相似。
关于基于靶体积的评价，由于本研究病例数量有限，需要进一步研究。然而，这些发现表明NC-VMAT、C-VMAT和HT的计算结果随着肿瘤体积的增加而改善。此外，两组中ZAP-X和GK的GI都较好，这可能归因于ZAP-X利用低至3毫伏的能量，从而减少了散射半影。此外，ZAP-X在450毫米处的短反射面有助于减少几何半影。
SRT组NC-VMAT的GI和V12 Gy均小于SRT组的GI和V24 Gy。这一结果与Zhang等报道的结果相似，显示了非共面辐照的剂量衰减优势。此外，在他们的研究中，C-VMAT是用2个电弧进行的，而在本研究中，是用1个电弧进行的。这些结果表明，增加C-VMAT的弧数并不能改善其分布。在SRS组中，特别是在PTV较小的病例中，HT的最大PTV剂量低于其他治疗方法的。其原因是电场宽度为1.05厘米，不允许较高的中心剂量。HT的CI平均值最小，因为HT以螺旋平行扇形光束传递剂量，而ZAP -X、NC-VMAT、CK和GK使用的是不同角度的非等中心、非共面光束。 SRT组平均v24 Gy最大。这一结果与Agostinelli等报道的正常脑剂量随着靶体积的增加而增加的发现相似。
ZAP-X、CK和GK治疗的t-time（治疗时长）均值较其他治疗的t-time均值长。NC-VMAT， C-VMAT和HT在治疗长时间保持仰卧位困难的患者时是有利的。这些结果与以前的研究结果相似。
较长的平均GK -t- time可能是由于准直器的最大直径（16mm），需要多个靶点和较低的剂量率。在本研究中，剂量率为2.365 Gy/min，但使用新源可以缩短时间。ZAP-X和ck 可能会受到kV成像位置校正所需时间的影响。此外，ZAP-X在两个旋转轴上移动，所以光束的平移重新定位是不可能的。因此，必须移动患者躺椅以获得光束相对于患者的新平移位置。这是增加所需t-time的另一个因素。基于这些原因，根据肿瘤体积和患者情况选择治疗方法是很重要的。
这项研究有几个局限性。首先，在本研究中，处方等剂量体积和PTV最大剂量尽可能与GK和ZAP-X的对齐，以便在对齐条件下进行比较评估。但是，在NC-VMAT、C-VMAT、HT和CK治疗时，通常在创建计划时采用不同的方法。此外，处方等剂量线的差异改变了本研究评估的剂量学参数。其次，值得注意的是，虽然本研究中使用了CK MultiPlanTPS进行CK计划，但目前的CK计划系统已经迁移到PrecisionTPS （Accuray）。由于使用了newVOLO算法，这种替换在CK结果中产生了潜在的可变性。Shüler 等报道，与顺序优化相比，使用VOLO优化时CI、GI没有显著变化。然而，在MU跳数、射束数和t-tiem方面有显著改善。此外，Thiele等0报道，在CK治疗VS时，VOLO对OAR的最大剂量明显低于顺序优化的，差异具有统计学意义。这些报告表明，VOLO的计划方法可能会影响本研究中CK的结果。第三，本研究对两组各6例患者进行评估。然而，增加样本量可能会潜在地改变结果。此外，观察到的体积的巨大变化，特别是在SRT组中，可能会影响结果。这些问题需要在今后的研究中进一步探讨。第四，在本研究中，NC-VMAT和C-VMAT所用的MLC尺寸均为5mm的叶片。使用更小的微型MLC设备可能会改变结果。特别是，据报道，当使用微MLC时，CI比使用5毫米MLC叶片时得到改善。第五，虽然在本研究中没有接近OAR的病例，但未来的研究应该评估在这种情况下每种技术的特点。最后，本研究未对剂量雕刻进行评估。应该在以后的研究中加以评价
结论
ZAP-X在小肿瘤的CI和GI方面相对优越，与GK相似，而与NC-VMAT和CK的差异随着肿瘤体积的增大而缩小。无论体积大小，ZAP-X、CK和GK的T-time都比其他治疗技术的长。
与GK相似，ZAP-X对小肿瘤具有较好的CI（适形性指数）和GI（梯度指数）。然而，ZAP-X、NC-VMAT、CK和GK之间的差异减少了肿瘤体积的增加。与肿瘤体积无关，NC-VMAT、C-VMAT和HT的T-time（治疗时长）较ZAP-X、CK和GK的短。
基于本研究的结果，如果以时间效率为主要考虑因素，则t-time较短的VMAT更适合治疗单发BT，本研究获得的数据将对BT的放射治疗选择决策至关重要和有益。
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