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《Journal of Appllied Clinical Medical Physics》2023年1月 19日在线发表 美国Yale University School of Medicine的Emily Draeger , Zhe Jay Chen , James E Hansen,等撰写的《固定源和旋转源立体定向放射外科系统的初步剂量学比较。Preliminary dosimetric comparison between fixed and rotating source stereotactic radiosurgery systems》（doi: 10.1002/acm2.13907.）。
目的: Akesis Galaxy RTi (AK)是基于60Co的新型旋转颅脑立体定向放射外科(SRS)系统。虽然类似的系统已经与固定源Leksell伽玛刀(GK)系统进行了比较，但与GK相比，该系统或任何其他旋转系统的剂量计划质量尚未特征化。本研究旨在通过回顾性地对我们医院以前GK治疗过的患者重新计划，以衡量与GK相比较的AK剂量学性能。 Leksell伽玛刀(GK)立体定向放射外科(SRS)系统自20世纪60年代以来一直在使用，大量文献已经证明了基于GK的SRS的有效性。根据GK模型，该单元包含192到201个源。该系统的主要缺点之一是相对大量的60Co源，因为它可能导致安全问题和较高的源替换成本。反过来，这可能会使预算有限和/或低收入地区的诊所无法获得GK。此外，主要由于大量的源，源加载(或重新加载)通常会导致数周的停机时间，中断SRS计划和患者治疗。 为了解决大量源所带来的问题，亚洲和美国的研究人员一直在探索新的旋转伽玛源系统。旋转传输方法是基于围绕等中心轴旋转包含约 50个高强度源的前提下，以模拟具有~ 200个源的固定源静态传输。其中一个这样的系统，Akesis Galaxy RTi，是一个旋转的伽玛源系统，只有30个60Co源。将源的数量从200个减少到30个有可能降低系统成本，并缩短源(重新)加载的停机时间。旋转伽马系统的一般剂量学和力学方面在以前的工作中已经在程式化的头部体模上进行了描述，包括临床治疗计划与旋转系统和机器人立体定向放射外科系统的比较。然而，旋转系统和最新的ICON型伽玛刀系统之间的剂量学计划质量比较还有待探索。此外，之前的大部分测试已经在先前版本的旋转伽马系统上完成，不包括最近获得FDA批准的Akesis Galaxy RTi，其源配置与先前测试的系统不同。这项剂量学研究回顾性地重新利用了我们医院以前接受过GK治疗的患者的患者特异性图像、轮廓和剂量分布。AK的合成剂量分布与GK的剂量分布一起使用靶剂量统计和计划质量指数进行检查，以便为AK性能提供有意义的基准。 方法: 13例先前使用Icon型GK 治疗的患者在AK治疗计划系统上重新计划，使用与原始GK计划相同的处方剂量和等剂量线。队列包括接受脑转移瘤、神经鞘瘤、垂体腺瘤、三叉神经痛和动静脉畸形治疗的患者。用靶覆盖率指标(Dmin, Dmean, D95%， V150%)和剂量适形性指数(放疗肿瘤学组适形性指数(CI)，选择性，Paddick适形性指数(Paddick CI ，PCI)，梯度指数(GI)来评估计划。 Akesis Galaxy RTi (AK)是一个旋转的伽马系统，包含30个60Co源，在一个外壳“碟（tray）”中排列，以每分钟1.5转(RPM)的速度旋转时产生30个不重叠，非共面弧。自动准直系统在处理过程中与碟同步旋转，并将每个射线源准直到(在等中心处测量)直径为4,8,14或18毫米的相同孔径尺寸。系统需要8秒来切换准直器大小。所有30个源都装载到碟中，在源重新装载期间，碟与新装载的碟完全交换。在(重新)加载时，该系统使用最大孔径(约6000 Ci of 60Co)在等中心处具有≥3 Gy/min的剂量率系统如图1所示。患者可以以70度、90度和110度的gamma角(即患者头部框架和治疗床之间的角度)停靠在桌子上，以更好地适应位于脑部外围的病变。系统的整体定位和放射精度为0.5毫米。最后，源-轴距(SAD)，或从单个源到等中心的距离为388毫米。
Icon型Leksell GK 包含192个60Co源。源分为8个独立的扇区24个源，并分为5个环。每个扇区可以单独准直到4毫米，8毫米，16毫米，或阻挡，并可以在准直器尺寸之间切换约1秒。在(重新)加载时，该体系含有6000-6600 Ci的60Co，剂量率≥3 Gy/min系统如图2所示。
该系统可以容纳70度、90度和110度的伽玛角，其位置和辐射精度均优于0.5毫米。所有射线束相交于机器等中心点，该等中心点SAD（源轴距）介于374毫米和433毫米之间，这取决于机架内的固定射线源位置。 患者队列包括13例在我们医院接受过治疗的GK患者，他们的疾病部位和计划的复杂性各不相同。患者表现包括5例转移瘤，2例神经鞘瘤，2例垂体腺瘤，2例三叉神经痛(TN)和2例动静脉畸形(AVM)。来自GK的现有患者图像集和轮廓勾画被匿名化并导出到AK TPS，以便重新剂划。我们医院的治疗计划是通过前瞻性计划完成的。为了保持AK系统的一致性，靶点和准直器的选择也采用了正向规划。因此，完成治疗计划的物理学家或剂量测量师选择靶点和准直器，以使剂量分布最好地符合各种靶体。这允许在两个系统之间进行直接比较。为了便于在两个系统之间进行直接剂量学比较，AK计划使用与原始GK计划相同的处方剂量和等剂量线水平，因此AK计划与临床批准的GK计划相匹配。在此过程中，处方剂量保持不变，需要相同的等剂量水平来覆盖两个计划的目标。处方剂量和等剂量线标准化是基于我们的机构政策，这些政策基于临床试验和结果数据。最后，为了确定AK的可实现性能，所有计划都进行了重新优化，而不受与原始GK计划保持相同处方等剂量线的约束。 使用几种剂量学和计划质量指标进行治疗机器之间的剂量学比较，包括:靶剂量统计、放射治疗肿瘤组(RTOG)适形性指数(CI)、选择性、Paddick适形性指数(PCI)和梯度指数(GI)。这些计划质量指标如表1所示，根据处方照射体积(PIV)、靶体积(TV)、处方等剂量线水平覆盖的靶体积(TVPIV)和处方等剂量一半覆盖的总体积(PIV0.5)计算得出。靶剂量统计包括最小靶剂量(Dmin)、平均靶剂量(Dmean)、达到靶剂量95%的剂量(D95%)和接受处方剂量150%的体积(V150%)。本研究使用的数据可根据要求提供。
表1。用于方案比较的方案质量指标:计算方法和理想值 结果: 与GK计划相比，AK计划使用更少的靶点和较大的准直器，导致治疗时长在统计学上显著减少达88.4分钟(p = 0.047)，同时保持可比较的靶V100%。对于大多数转移瘤患者，GK产生较高的Dmin (16.0-25.9 vs. 12.5-24.3 Gy, p = 0.008)，而AK产生较高的V150% (0.03-14.92 vs. 0.02-11.59 cc, p = 0.028)。对于非转移瘤患者，GK具有较高的适形性指数（CI） (p = 0.025)和梯度指数（GI） (p = 0.044)。其余指标没有发现统计学上的显著差异。 方案对比及概述 表2总结了为AK和GK创建的计划的最终统计数据，包括治疗时长、使用的准直器设置和靶点数。图3所示为转移瘤患者GK和AK的等剂量线比较。对于这两个系统，传送时间（ delivery time）指的是总出束时间（total beam on time），加上切换准直器、旋转(如果适用)和治疗床移动所需的时间（plus the time needed for collimator switching, rotation (if applicable), and table movement）。在本文中，治疗时长（treatment time）被定义为出束时间的总和（the sum of the beam-on times）。每台机器的出束时间均按剂量率3 Gy/min进行缩放，以确保使用相同的射线源强度进行比较。在本研究中，AK和GK的治疗时长仅指照射所有靶点所需的时间，不包括准直器切换时间和治疗床移动时间。AK计划的处方剂量和等剂量水平与原GK计划相同。一般来说，AK使用较少的靶点(p = 0.045)和较大的准直器设置。结果，在评估的13个患者方案中，11名患者的AK治疗时长比GK治疗时长短(p = 0.047);每例AVM患者治疗时长缩短88.6 min(62%)。然而，对于两名转移瘤患者(AK0001和AK0005)， GK确实产生了达到有8.7分钟(27%)的更快的计划。
表2。总结两种系统的计划特点，包括使用的系统、疾病类型、处方剂量和等剂量线、治疗时长、使用的准直器设置和靶点数。 图3GK(左)和AK(右)比较的单发转移瘤患者接受18 Gy治疗的50%等剂量线。
我们的医院不创建作为三叉神经痛临床治疗的勾画部分。因此，这些病例被排除在需要描述靶体积的任何统计分析之外(如靶剂量统计和计划质量指数)。为了进行分析，其余的患者被分为两类:“简单”和“复杂”，每个类别的特征在以下小节中概述。 患者病例被分类为“简单”，靶体较小(2cc)，圆形，并且距离任何危及器官(即视觉，脑干，耳蜗)>2.5 cm。大约一半的队列(5/13)被归类为简单组。脑转移瘤病例一般可分为简单型。简单病例的靶剂量统计数据和计划质量指标见表3。 表3。简单病例患者的靶剂量统计和计划质量指标。
计划统计：简单病例 对于该队列中的大多数转移瘤病例，与AK(分别为12.5-24.3 Gy和23.9-33.3 Gy)相比，GK具有较高的Dmin (16.0-25.9 Gy)和较高的Dmean (21.5-34.2 Gy)。然而，只有Dmin的差异有统计学意义，p = 0.008。AK具有较低的Dmin，较高的D95% (19.1-29.2 Gy vs. 17.4-28.5 Gy GK)，较高的V150% (0.03-14.92 cc vs. 0.02-11.59 cc GK)和较大的低剂量照射体积(V4Gy 6.91-368.47 cc vs. 4.76-320.09 cc GK)。只有V150%的差异产生了有统计学意义的结果，p = 0.028。较低的Dmin和较高的V150%都意味着AK计划靶内的剂量异质性较大。在计划质量指数方面，AK倾向于在RTOG CI、选择性和PCI方面给出更接近理想的结果，这表明AK计划更符合靶。然而，这些指标的差异性均无统计学意义。 计划统计:复杂病例 被归类为复杂的病例是那些包含较大、非球形和/或靠近关键结构(视神经或脑干)的靶的病例。动静脉畸形、神经鞘瘤和垂体腺瘤常被归类为复杂病例。表4列出了这些病例的靶剂量统计数据和计划质量指数。 表4。复杂病例的目标剂量统计和计划质量指标。
对于所评估的复杂病例，与GK(分别为9.4-17.6 Gy和13.2-24.5 Gy)相比，AK提供较高的Dmin (9.4-20.6 Gy)和较高的D95% (14.6-22.2 Gy)，以及较大的低剂量体积(V4Gy 0.47-132.88 cc vs. GK 0.57-113.63 cc)。这些指标的差异无统计学意义。AK提供了较高的剂量，GK提供了较好的选择性、PI、PCI和GI，对1.04-1.67的病例进行了评估。两种系统的CI和GI差异有统计学意义，p值分别为0.025和0.044。这表明，对于复杂病例，与AK相比，GK提供了较多的适形剂量分布和较陡峭的梯度。完成了3例患者(AK0006、AK0011和AK0012)危及器官的轮廓勾画，并比较了GK和AK危及器官受照的剂量。这些结果如表5所示。在这个有限的队列中，GK似乎为评估的危及器官提供了较好的剂量约束，左右视神经的最大受照剂量低于8 Gy。AK计划显示视神经剂量较高，最大剂量超过9.5Gy。AK确实为AK0006的耳蜗勾画提供了略低的受照最大剂量，最大剂量为2.9 Gy，而GK计划为3.6 Gy。 表5。勾画出危及器官患者的GK和AK危及器官受照剂量的比较
计划统计:AK优化剂量分布 结果载于第三节2 - iii。其中3个是基于AK计划，该计划故意与原始GK计划匹配到相同的处方等剂量水平，以方便比较。5例患者(AK0001-AK0005)在没有处方等剂量水平限制的情况下，对AK系统进行了重新优化。这些重新优化的方案和原GK方案的结果如表6所示，剂量统计数据和方案质量指标如表7所示。 表6。重新优化的AK计划与GK计划的比较。
表7。重新优化AK计划的剂量统计和计划质量指数
一般来说，相对于GK方案，AK方案中使用较少的靶点和较大的准直器设置。与原始AK方案相比，重新优化(AKop)方案的Dmin (15.9 - 25.7 Gy)、Dmean (18.3 - 39.0 Gy)和D95% (15.9-27.0 Gy)分别高于GK方案(12.0 - 24.3 Gy、17.3 -30.4 Gy和13.2 -26.8 Gy)， V150% (0.000 - 0.10 vs 0.02-5.14 cc)。与GK相比，重新优化的方案还提供了较好的RTOG CI、选择性和PCI。AK、AKop和GK具有相似的GI，这表明即使在重新优化后，两种机器的剂量下降也比另一种机器明显较好。 讨论： 目前尚不清楚剂量学特征或计划质量指数（dosimetric characteristics or plan quality indices ）的哪种组合最重要。事实上，在不同的患者之间，这种“理想”计划的概念可能是不同的。例如，患有富乏氧细胞的患者可能受益于较高的处方剂量(增加Dmin, Dmean)，但以适形性降低为代价（a trade-off for less conformity）。对于这些患者，方案中的异质性也被认为是一个积极的特征，因为肿瘤中心的高剂量被认为在控制肿瘤的乏氧和抗辐射部分方面更有效，从而导致更好的结果（heterogeneity within the plan is also thought to be a positive feature, as higher doses in the center of the tumor are thought to be more effective at controlling hypoxic and radioresitant portions of the tumor, leading to better outcomes）。 另一方面，对于靶区靠近关键结构(如视觉器官)的患者，策略可能是视路受照较低的照射靶区的剂量，代价是极紧缩的靶区边缘(改善RTOG CI, PCI)[the strategy for a patient with a target near a critical structure such as the optics may be to accept lower dose to the target in exchange for extremely tight margins on the target (improved RTOG CI, PCI)]。因此，本研究旨在比较AK和GK之间大量常见指标的一般差异。 治疗时长（treatment times） 在我们的队列中，对于复杂方案，AK系统的治疗时长始终比GK的短，在一个病例中缩短了88.6分钟(62%)。Kann等认为，除了延长照射时间带来的实际问题，较短的治疗时长实际上可能产生放射生物学上的优势（In addition to practical concerns stemming from protracted delivery, the shorter treatment times may actually yield a radiobiological advantage,）。 对于可用的最大准直器尺寸(AK为18毫米，GK为16毫米)，AK和GK都最初校准到输出因子为1.000。较小准直器的剂量率是根据相对于最大准直器的相对输出进行缩放的。最终，因为较大比例的射线束被阻挡，较小的靶点尺寸比较大的靶点尺寸需要更多的时间来提供相同的剂量（The dose rates for the smaller collimators are scaled based on relative output with respect to the largest collimator. Ultimately, a smaller shot size takes more time to deliver the same dose than a larger shot size because a larger proportion of the beam is blocked）。正因为如此，不同准直器尺寸的AK的相对输出因子分别为1.000 (18 mm)、0.986 (14 mm)、0.980 (8 mm)和0.837 (4 mm)，而本研究中使用的GK的相对输出因子分别为1.000 (16 mm)、0.900 (8 mm)和0.814 (4 mm)。 虽然两种最大的准直器都具有相同的相对输出因子，但AK将相同的剂量率分配给比GK更大的体积，从而提高了其总体输送效率。此外，与相应的GK准直器相比，AK准直器对4毫米和8毫米靶点的实际剂量率更高，这进一步提高了传送效率。 对于评估的大多数方案，AK使用较少的靶点，再加上提高了每个靶点的输送效率，从而节省了大量的治疗时间。在一个病例(AK0007)中，AK使用了29个靶点，而GK使用了41个靶点，更重要的是，它避免了使用有较低的输出因子，会延长治疗时长的较多的4毫米靶点。 对于两例患者，AK0001和AK0005, GK被观察到比AK提供更快的计划。在AK0001的计划中，GK使用的靶点数目是AK的两倍。然而，GK只使用16毫米和8毫米准直器，而AK也使用8毫米和4毫米准直器。尽管AK计划大体上靶点较少,使用较大的准直器的GK计划导致总治疗时长为37.7分钟，而相比之下,AK计划总治疗时间为46.4分钟。AK0005计划,计划利用8和4毫米准直器,然而AK计划使用四个4mm靶点和一个8mm靶点,而GK计划使用两个4mm靶点和一个8mm靶点。这导致AK的总治疗时长为22.9分钟，而GK的为16.7分钟。 靶区剂量统计 我们的研究表明，对于简单情况，GK计划的Dmin (p = 0.008)和Dmean (p = 0.369)高于AK计划，而AK计划的D95% (p = 0.960)和V150% (p = 0.028)较高。另一方面，对于复杂病例，观察到一个几乎相反的趋势:AK比GK提供较高的Dmin (p = 0.062)， Dmean (p = 0.485)和D95% (p = 0.955)， V150% (p = 0.716)。此外，除了一个病例外，观察到AK比GK提供更大的低剂量体积(V4Gy, p = 0.846)。在我们的机构，没有完成三叉神经痛病例的轮廓勾画，因此这些病例不符合目标剂量统计分析的条件。AK计划中较大的低剂量体积可能有几个原因。GK剖面的剂量学精度已经得到了表征，表明用GK进行的物理测量与治疗计划系统非常吻合，并且可以准确地模拟野的大小和半影。将AK的8毫米和4毫米准直器的野尺寸(半宽度[full width at half maximum])和80%-20%半影值与GK的进行比较，如表8所示。这个表格说明了两种系统之间的一些差异。GK倾向于在Z方向上有较小的野尺寸和半影(进出机器，垂直于源环/弧)，AK在X和Y方向上提供较小的野尺寸和半影(平行于源环/弧)[While the GK tends to have smaller field size dimensions and penumbra in the Z direction (into-out of the machine, perpendicular to the source rings/arcs), AK provides smaller field dimensions and penumbra in X and Y (parallel to the source rings/arcs).]。半影在X和Y维度上的减少并不一定会减少正常组织照射的低剂量体积，因为射线束是从这些方向进入组织的。然而，由于没有沿Z轴方向的射线源，因此，该方向的小野和半影有助于保留正常组织（ A reduction of the penumbra in the X and Y dimensions will not necessarily reduce the low dose volume of normal tissue irradiated, as beams are entering the tissue in these directions. However, there are no sources oriented along the Z axis, therefore, a small field size and penumbra in this direction will help to spare normal tissue.）。 表8。GK和AK的8毫米和4毫米准直器在半野宽度和80%-20%半影方面的比较。
除了野大小和半影的不同，这两台机器在源的数量和源的方向上也有所不同。对于AK, 30个光源围绕患者旋转，形成30个非共面弧。对于GK, 192个光源以5个弧线围绕患者。弧线越少，射线束入射点越少，导致正常脑组织受到低剂量照射的区域越少。此外，由于AK源围绕患者旋转，射线束可以沿着这30条弧从任何角度进入，这与GK中的192个固定源相比，可以导致较大体积的正常组织受到照射（beam can be entering from any angle along these 30 arcs, which can lead to a much larger volume of normal tissue irradiation compared to the 192 fixed sources in the GK）。 虽然在靶区范围内的高剂量，理论上可以产生较高水平的控制，但之前的研究人员认为，Dmin可能最终决定了总体的肿瘤控制概率，尽管这还没有得到临床证明（While higher doses within the target can theoretically produce higher levels of control, previous investigators have suggested that Dmin may ultimately dictate the overall tumor control probability, though this has not necessarily been demonstrated clinically）。需要进一步的分析和较大的队列来确定这可能对临床治疗疗效和长期生存的影响。因此，虽然这些初步结果确实显示出有利于GK治疗简单病例和AK治疗复杂病例的的总体趋势，但仅基于靶的剂量统计可能没有明显更好的方法（ while these preliminary results do show general trends favoring GK for Simple cases and AK for Complex cases, there may not be a clearly superior approach based on target dose statistics alone.）。 重新优化的AK计划 为了便于在两个系统之间进行直接比较，新的AK计划的处方等剂量水平最初是从原始的GK计划中指定的处方等剂量水平。然而，我们后来的研究表明，许多AK计划的剂量指标可以在不受处方等剂量水平限制的情况下进一步改进。5例患者(AK0001-AK0005)的结果采用典型的AK处方等剂量水平(50% - 85%)而不是标准的GK处方等剂量水平(50%)。在使用不同的等剂量线重新优化后，AKopt计划优化进一步提高了Dmin、Dmean和D95%;但降低V150%。 旋转与固定源系统 颅内SRS的临床结果数据基于固定源60Co机器(如GK)提供的治疗。这些机器，虽然被证明是非常有效的，确实有几个实际的缺点，除了前面提到的潜在的放射生物学效应。单元(192-201)中大量的60Co源会产生高昂的换源成本。此外，GK患者必须在机器故障、装配、源加载和测试所需的3 - 4周时间内推迟治疗。 像AK这样的旋转系统可以缓解这些问题。由于源围绕患者旋转，与GK相比，使用的源更少，同时仍保持相似的源覆盖范围和治疗角度。较少的源降低了材料的整体生产成本，也允许所有的源被安置在一个碟中，可以在源交换期间完全移除和更换，与GK相比，这大大减少了源交换期间的停机时间(~ 2周vs. ~ 1个月)，降低了源交换成本(~ 50万美元vs. ~ 100万美元)。最后，AK由于相对输出因素较大，可以缩短治疗时长。与本研究中提到的GK相比，这种较短的治疗时长，以及相似的性能和计划质量，表明了旋转系统的潜在优势。 然而，由于旋转源的机械磨损，以及与源旋转相关的不确定性，人们还必须考虑两个系统之间停机时间（down time）的潜在差异，这些因素在本研究中都没有被量化。 结论: 该队列研究表明AK系统能够获得与GK相当的剂量学结果，通常治疗时长较短。正在进行更大规模的进一步调查。 本研究对先前接受过GK治疗的一小群GK患者进行了旋转源立体定向AK系统与常规固定源GK系统剂量学性能的基准测试。在这个队列中，AK系统为转移瘤病例提供了更好的适形性和剂量下降，但与GK系统相比，也表现出较大的剂量异质性。另一方面，对于该队列中的非转移瘤病例，GK系统提供更好的适形性和剂量下降，而AK提供较高的剂量。来自这一有限队列的结果表明，AK可以产生与GK大致相似的剂量分布和可比的剂量指标。 |
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