乳腺/胸壁放疗中质子动态弧治疗（DynamicArc）与调强质子治疗（IMPT）的队列特异性剂量学及递送权衡

《International Journal of Radiation Oncology*Biology*Physics》：Cohort-specific dosimetric and delivery tradeoffs for proton dynamic arc vs. IMPT for breast and chest wall irradiation.

目的：比较质子动态弧治疗（DynamicArc）与常规调强质子治疗（IMPT）在多样化临床解剖中对乳腺/胸壁照射的作用。方法：研究人员分析了40例患者（每队列10例）：组织扩张器、永久植入物、无重建和双侧疾病。DynamicArc计划使用共面部分弧（150–160°）并采用弧回扫；配对IMPT计划使用2–4个静态野。RayStation 2023BDTK生成计划共享轮廓和处方（50.4 Gy[RBE]/28；双侧亚组42.56 Gy[RBE]/16），并以Monte Carlo剂量计算（0.5%不确定度，40000 ions/spot）和7.5 cm范围移位器进行稳健优化/评估（±5 mm摆位，±3.5%射程）。使用Wilcoxon符号秩检验并经FDR校正比较靶区覆盖和危及器官（OAR）终点。此外，比较稳健性通过率、LET_d指标和估计治疗时间。结果：DynamicArc获得与IMPT相当的靶区覆盖，并改善了选定靶区的稳健性通过率。在扩张器队列，DynamicArc改善了扩张器端口后方的覆盖，并增加了胸壁评估体积和淋巴结靶区的覆盖。D_95%改善伴随多个靶区V_105%增加。DynamicArc增加了多个队列的甲状腺平均剂量和皮肤V_95%，尽管皮肤D_2cc和皮肤V_100%仍较低。食管、心脏和LAD的局灶热点指标基本不变，扩张器队列中LAD D_0.03cc数值较低但无统计学显著性。同侧肺V_20Gy总体相似，植入物病例中降低。若干未校正显著发现在FDR校正后未保持显著。高剂量CTV LET_d在两种技术间大致相当，分布尾部有变化。DynamicArc增加斑点、能量层和束流开启时间，但计入IMPT房间进入和成像后，估计总治疗时间相当。结论：DynamicArc在挑战性解剖中实现相当靶区覆盖并改善稳健性，代价是V_105%、甲状腺平均剂量和皮肤V_95%增加，同时维持相当治疗时间。

研究背景：乳腺癌占所有女性癌症的30%，放疗常用于降低局部区域复发。然而，传统光子放疗技术可能无意中给心脏和肺等危及器官（OAR）显著剂量，并与长期心肺毒性增加相关，尤其左侧治疗。研究已显示电离辐射与心血管疾病在高剂量和低剂量均存在因果关联。质子治疗利用质子物理特性，尤其是Bragg峰，降低正常组织积分剂量，使高剂量递送至靶区并在肿瘤后方快速跌落；多项研究显示质子治疗较光子治疗显著降低平均心脏剂量。尽管如此，标准调强质子治疗（IMPT）依赖有限数量静态束角，可能限制OAR保护、显著依赖束路径组织变化并限制递送效率；对较大乳腺治疗体积，IMPT常需多等中心设置和/或床踢以补偿射野大小限制。质子动态弧治疗（DynamicArc）是新兴技术，通过质子束围绕患者连续旋转递送，每个控制点递送一个质子层，旨在改善计划质量、稳健性和治疗效率，并可能改善总治疗时间。与光子容积旋转调强放疗（VMAT）不同，质子弧治疗仍处于积极研究中，头颈癌研究有限，乳腺/胸壁照射的临床和回顾性计划研究也有限。目前多数临床经验来自常规质子治疗研究，亟需在扩张器、永久植入物和双侧疾病等多样化临床场景中评估质子弧治疗。

研究设计与关键技术方法：研究人员回顾性选择2020年1月至2025年10月接受IMPT治疗后的乳腺或胸壁患者，共40例，按四个队列各10例：同侧胸壁伴临时单端口组织扩张器、同侧胸壁伴永久植入物、同侧胸壁无重建、双侧乳腺或胸壁。处方为50.4 Gy[RBE]/28次，或双侧42.56 Gy[RBE]/16次，伴或不伴淋巴结照射。研究使用RayStation 2023BDTK研究版生成DynamicArc计划，采用共面部分弧（队列1和4为160°行程，队列2和3为150°行程），机架角空间2°、窗口1°、两次弧旋转；配对IMPT计划采用2–4个静态野。两种技术共享靶区、OAR轮廓、处方、临床目标和稳健性标准，稳健优化/评估采用±5 mm摆位和±3.5%射程不确定度，Monte Carlo剂量计算采用0.5%不确定度、40000 ions/spot，并使用7.5 cm范围移位器。依据BRE-009试验指标提取靶区覆盖和OAR指标，采用Wilcoxon符号秩检验并以Benjamini-Hochberg法进行FDR校正；比较稳健性通过率、高剂量CTV的LET_d指标及估计治疗时间。

研究结果：
靶区覆盖与危及器官剂量：通过40例配对计划比较，DynamicArc在大多数靶区获得相似或略高的D_95%。队列1中，DynamicArc提高CTV_AX的D_95%（中位50.65 vs 50.07 Gy[RBE]；p=0.010；q=0.023）、CTV_CW_Eval（49.36 vs 48.94 Gy[RBE]；p=0.037；q=0.048）、CTV_IMNs（50.39 vs 50.04 Gy[RBE]；p=0.037；q=0.048）和CTV_SC（50.69 vs 49.95 Gy[RBE]；p=0.002；q<0.006），并显著提高CTV_IMNs和CTV_SC的V_105%。队列2和3中，D_95%大多可比；队列2的CTV_AX（50.51 vs 50.13 Gy[RBE]；p=0.004；q=0.012）和CTV_IMNs（50.34 vs 50.01 Gy[RBE]；p=0.010；q=0.025）在DynamicArc中更高，队列3的CTV_CW更高（49.81 vs 49.54 Gy[RBE]；p=0.014；q=0.034）；V_105%在队列2和3的所有CTV中显著增加。队列4双侧病例中未观察到D_95%或V_105%显著差异。OAR方面，食管D_0.03cc、心脏平均剂量、皮肤D_2cc和皮肤V_100%在各队列两种技术间无显著影响。LAD D_0.03cc（p=0.037，q=NS）和平均剂量（p=0.027，q=NS）在队列1中DynamicArc显著更低，而队列3中平均剂量显著更高（p=0.040，q=NS）。同侧肺V_20Gy在队列2中DynamicArc显著降低（p=0.049，q=NS），其他队列无差异。皮肤V_95%在队列1–3中DynamicArc显著增加（队列1和2 p=0.027，q=NS；队列3 p=0.004，q=0.040）。甲状腺平均剂量在队列1–3中DynamicArc更高（队列1 p=0.004，q=0.044；队列2 p=0.002，q=0.044；队列3 p=0.004，q=0.042）。队列4无显著差异。基于BRE-009主要目标百分差的雷达图分析显示，队列1和3的LAD差异远低于试验目标；队列1–3皮肤V_95%和队列2同侧肺V_20Gy差异也低于试验目标；队列1–3甲状腺平均剂量超过次要偏差带；队列4按处方分层后，接受50.4 Gy[RBE]处方患者的心脏平均剂量可能存在临床显著变化。

稳健性通过率：所有队列和CTV组合在联合射程和摆位不确定性的第三最坏场景下均通过次要偏差水平（D_95%≥90%R_x）。DynamicArc在若干组合提高主要目标通过率（D_95%≥95%R_x）：队列1/CTV_AX为90% vs 40%，队列4/CTV_AX为70% vs 30%，队列1/CTV_CW_Eval为60% vs 30%，队列1/CTV_IMN为70% vs 40%，队列3/CTV_IMN为100% vs 80%，队列4/CTV_IMN为70% vs 0%，队列1/CTV_SC为90% vs 60%，队列4/CTV_SC为100% vs 10%。DynamicArc在队列2/CTV_CW（90% vs 100%）、队列2/CTV_IMN（90% vs 100%）和队列3/CTV_SC（70% vs 90%）中主要目标通过率较低。其余组合在主要目标上等效。

LET_d分布：高剂量CTV的LET_d中位数在两种技术中约为2.3–3.3 keV/μm。配对患者差异相对患者间变异较温和。队列1数据散布减小，多数患者中位LET_d较低或相当；队列2和4变异减小但结果混合；队列3散布相似且每例中位LET_d略低；队列4低处方者中位LET_d普遍增加。代表性剂量–LET密度图显示，CTV最高体素密度位于处方剂量附近，高剂量区内LET_d范围相似；主要变化在分布尾部：DynamicArc较IMPT更少体素位于低剂量（低于30 Gy[RBE]）和高LET_d（高于4 keV/μm）区域，更多体素集中于高剂量（高于40 Gy[RBE]）和低LET_d（低于1.5 keV/μm）区域。

计划复杂度与估计递送时间：DynamicArc在所有队列使用相等或更少射野，但每队列均需要更多能量层和斑点。例如队列1中位斑点和层数从IMPT的25396.0/130.5增加到DynamicArc的34417.5/159.0。估计束流开启时间在队列1–3中增加（分别+1.5、+5.3和+6.2 min），队列4增加超过一倍（+12.3 min）。当计入房间进入、机架/床旋转和验证成像时间后，估计总时间差异较小，队列1中DynamicArc最大节省7.5分钟。

讨论与结论：讨论指出，DynamicArc靶区覆盖通常与IMPT相当，并在若干靶区的主要目标稳健通过率上改善。由于进行了大量靶区比较，若干未校正Wilcoxon p值在FDR校正后未保持显著，因此应结合剂量学效应的大小和方向解释。队列1中CTV_CW_Eval覆盖改善与扩张器端口后方区域相关；优化CTV仅排除扩张器端口加5 mm边缘，DynamicArc显著提高该优化结构的D_99%（中位46.07 vs 34.01 Gy[RBE]，p=0.002），可能贡献了CTV_CW_Eval的D_95%覆盖和稳健性通过率改善。V_105%增加表明覆盖与均匀性之间存在权衡。胸壁靶区中，所有队列DynamicArc的V_105%均低于试验允许的3%主要目标阈值，除队列4右侧胸壁仍低于5%次要偏差；CTV_SC和CTV_IMNs中，除队列1 CTV_IMNs外，所有DynamicArc计划超过BRE-009试验V_105%次要偏差；CTV_AX中部分队列低于主要或次要阈值，队列4超过次要偏差。尽管DynamicArc总体使用更多斑点和能量层，但这些递送元素分布于多个弧角。对于浅表、弯曲的胸壁和淋巴结靶区， optimizer优先稳健覆盖冷点区域时，重叠切向剂量贡献可能增加接受>105%剂量靶体积，在IMNs和锁骨上等狭窄淋巴结靶区更明显。最一致的OAR权衡是队列1–3中甲状腺平均剂量增加和皮肤V_95%增加。甲状腺平均剂量增加可能反映旋转质子递送产生更宽的低至中等剂量浴，尤其治疗上淋巴结靶区时；甲状腺平均剂量超过BRE-009次要偏差阈值，可能具有临床相关性。皮肤V_95%增加而皮肤D_2cc和绝对皮肤V_100%低，提示DynamicArc增加近处方剂量在浅表胸壁皮肤表面的空间范围，而非显著更高局灶皮肤热点；皮肤指标仍处于BRE-009次要偏差阈值内。食管和LAD的D_0.03cc热点大多未受影响，除队列1 LAD热点显著降低，提示DynamicArc主要影响中/低剂量暴露而非最大剂量区域。同侧肺V₂₀大多不变，除队列2显著降低。局限在于临床递送的IMPT计划和回顾生成的DynamicArc计划未使用完全相同目标集或规划方法，尽管处方、临床靶区覆盖、OAR和稳健性目标相同，优化策略和计划者交互可能影响剂量比较。由于质子生物效应随LET变化，研究以95%处方剂量为阈值评估CTV高剂量区LET_d；各队列中位LET_d在两种技术间范围相似，许多队列LET_d值散布减小。剂量–LET密度图显示DynamicArc改变体素水平剂量–LET组合分布，差异主要在尾部而非高剂量区均匀偏移；该数据集和阈值选择下，DynamicArc未系统性增加高剂量LET_d。未来需结构特异性感兴趣区和可变RBE剂量建模。DynamicArc通过回扫弧替代多个静态机架角，减少射野数，但增加层和斑点，导致估计束流开启时间增加；计入室内总时间后差异因队列而异，队列1扩张器病例估计节省7.5分钟。这些结果依赖机构工作流程，提示DynamicArc时间优势取决于房间进入、成像频率和能量切换特征，可能在IMPT需要多野、床踢或额外重新定位时更有利。

研究结论翻译：在这项对40例乳腺和胸壁患者进行的队列分层规划研究中，质子DynamicArc在扩张器、植入物、无重建和双侧疾病场景中，与常规IMPT相比实现了相当的靶区覆盖。OAR结果取决于队列，并倾向于向前方以及甲状腺和食管周围散布低剂量，而心脏终点大多相似。高剂量CTV LET_d指标在两种技术间总体相似，配对差异相对于患者间变异较温和。DynamicArc减少射野数，但增加斑点和能量层，其估计治疗时间影响取决于机构递送工作流程。这些发现为临床实施策略提供证据，并为乳腺和胸壁照射中质子弧治疗的未来前瞻性评估提供信息。