質子弧形治療（Proton arc therapy, PAT）是一種新的質子治療技術，通過自動化的多束質子束遞送，改善劑量適形性和遞送效率，并提供更有利的傳能線密度（LET）分布。然而，與調強質子治療（IMPT）相比，PAT可能會擴大低劑量區域，從而影響輻射誘導的二次癌癥的發生可能，但先前不同模式的質子治療之間的比較研究有限。過往的研究認為，IMPT/筆形束（PBS）與光子調強放療技術相比可以降低二次癌癥風險。近期，美國佛羅里達大學質子中心的研究人員比較了PAT、IMPT和容積旋轉調強放療/調強放射治療（VMAT/IMRT）三種技術在六個解剖部位的放射治療中引發二次癌癥風險的影響。該研究成果發表在的綠皮雜志Radiotherapy and Oncology。

治療計劃

研究涵蓋了質子治療六個常見癌種（乳腺、顱底、頭頸部、胸椎、縱隔和前列腺）相關的解剖部位，每個部位選取五名患者，分別使用PAT、IMPT和VMAT/IMRT三種技術制定治療計劃。通用參數包括處方劑量，分次，以及依據機構臨床實踐進行的劑量歸一。所有質子計劃均進行了魯棒優化。

風險評估

使用Schneider的部位特異性致癌誘導模型來評估二次癌癥風險。該模型結合了線性無閾值（LNT）模型和線性二次模型（LQ模型）的特點，通過特定器官的LNT模型的初始斜率（β）、人群依賴參數（μ）和器官等效劑量（OED），計算超額絕對風險（Excess absolute risk, EAR）。OED通過風險等效劑量（Risk Equivalent Dose, RED）對每個體素的劑量進行加權求和得到。RED描述了癌癥誘導相關的劑量-反應關系，研究使用了兩種RED模型，其中機制模型（mechanistic model）將細胞殺傷、修復、再群體化等考慮在內，線性模型（linear model）則用器官平均劑量描述OED。終生歸因風險（Lifetime Attributable Risk，LAR）是指在患者一生中因接受放射治療而額外增加的癌癥發生風險，根據接受輻射時的年齡、達到年齡（attained age）和基線生存概率等進行計算。

技術間比較

通過劑量體積直方圖（DVH）評估計劃質量，比較不同技術對關鍵結構的劑量影響。二次癌癥風險通過對OED_IMPT/OED_PAT及OED_photon/OED_PAT的評價以及LAR的風險放大來進行不同技術間的比較。平均劑量和積分劑量均進行計算。

計劃質量

研究共創建了90個治療計劃，并用多種方式對計劃質量進行評估。所有計劃都可以代表臨床場景并可安全實施于患者。圖1和圖2顯示了頭頸腫瘤和前列腺腫瘤病例在三種技術間的典型劑量分布情況。

圖1.針對具有代表性的雙側頭頸部癌癥病例的PAT、IMPT和VMAT計劃比較。同時展示了劑量體積直方圖（DVH）比較，包括臨床靶區、食管和左側腮腺。

圖2.針對一例具有代表性的前列腺癌治療病例，對比分析PAT、IMPT和VMAT的放療計劃。

劑量比較

在大多數情況下，PAT的平均劑量和積分劑量最低。例如，在乳腺和縱隔的治療中，PAT顯著降低了肺部V20Gy、V10Gy和V5Gy劑量以及冠狀動脈左前降支（LAD）的最大劑量。在頭頸腫瘤患者中，PAT也能顯著降低腦干和脊髓的最大劑量以及食管和腮腺的平均劑量。該優勢在治療顱底腫瘤時未體現出對視神經管或腦干的保護，而是降低了對正常腦組織的平均劑量。表1顯示了六個部位在三個治療模式下的相關計劃指標。

表1. 在六個治療部位中，針對PAT、IMPT以及光子（VMAT或IMRT）計劃評估的關鍵結構相關計劃指標。數值代表每個部位五名患者的平均值。

二次癌癥風險

研究使用了平均劑量和積分劑量評估二次腫瘤的風險。除外少數情況，PAT都實現了最低的平均劑量和積分劑量。除外平均劑量低于0.1 Gy的組織區域，PAT相對于IMPT和VMAT的平均劑量比值分別為0.7-1.8和1.3-9.6，中位數分別為1.2和1.7。

當使用機制劑量反應模型（mechanistic dose–response model）時，PAT和IMPT之間的二次癌癥風險差異很小（OED_IMPT/OED_PAT比值范圍為0.7-1.8，中位數為1.1）。以治療部位看，在排除LAR小于0.1%的器官后，PAT在大多數器官中的二次癌癥風險估計值與IMPT相當或更低。僅在乳腺（縱隔腫瘤）和膀胱部位PAT的二次癌癥風險略高，但膀胱部位的風險增加同時伴隨著直腸的風險降低，而直腸的LAR相對最高，因而綜合風險得到平衡。

與VMAT相比，PAT的二次癌癥風險顯著降低（OED_photon/OED_PAT比值范圍為0.9-10，中位數為1.6）。其中僅腮腺區域的比值為0.9。使用線性模型時，OED_IMPT/OED_PAT在腮腺的比值為1.3-1.4，而使用機制模型時，比值則為0.8-0.9。OED比值在除腮腺外的其他器官則接近，PAT相對于IMPT和VMAT的OED比值分別為0.7-1.8和1.3-9.6，中位數分別為1.2和1.7。

對腮腺的差異進行了進一步的研究。圖3展示了腦干、肺、腮腺的平均劑量與OED的關系。為了增加數據點，作圖時未區分不同技術，且兩側腮腺均納入比較。以平均劑量和OED分別為x軸和y軸作圖，可以看到不同器官之間的相關性（R²）差異明顯。右圖展示了使用機制模型時不同器官的劑量反應曲線，可以看到不同器官組織具有不同的劑量-反應曲線的形狀，從而影響OED與平均劑量的相關性及對二次癌癥風險的評估。

圖3. 左側圖表顯示了在腦干、肺和/或腮腺接受可測量劑量的情況下，平均劑量與器官等效劑量（OED）之間的相關性。右側圖表展示了各器官的機制性劑量-反應曲線，這些曲線的不同形態特征突顯了它們對平均劑量與OED相關性模式的影響差異。

研究者對一例頭頸腫瘤患者案例進行了深入分析。用PAT和VMAT計劃時，對其左側腮腺和食管的差分劑量體積直方圖進行了比較。左側腮腺使用PAT時的LAR為0.09%，而使用VMAT時為0.07%。盡管PAT的LAR略高，但平均劑量和積分劑量卻更低。其中平均劑量PAT為24.8 Gy，VMAT為45.0 Gy。積分劑量PAT為860.4 Gy·cc，VMAT為1560.8 Gy·cc。這表明LAR不僅取決于平均劑量，還與劑量-反應曲線的形狀有關。而同時，食管在使用PAT時的LAR為0.72%，而使用VMAT時為1.15%。PAT的LAR更低，盡管差分DVH曲線的形狀與左側腮腺相似。這表明劑量-反應曲線的形狀對風險評估有重要影響，需要綜合考慮。

圖4. 頭頸部癌癥患者的左側腮腺（頂部）和食管（底部）在PAT和VMAT計劃中的差分劑量體積直方圖（DVH）曲線，以及兩個器官在機制模型中的劑量依賴性。

（質子中國 編譯報道）