手术只适用于极少数I期的小细胞肺癌患者（大约只占所有小细胞肺癌患者的2-5%）。术后如果发现有淋巴结转移，应在化疗的基础上进行同步放疗。对于局限期小细胞肺癌，应当强调化疗和放疗联合，并且放疗越早参与，越可能提高生存率—一般需在化疗第一疗程或第二疗程时，进行同步放疗。考虑到小细胞肺癌快速生长的特性，放疗通常需较常规疗程缩短时间，以控制肿瘤细胞的加速再增殖。
局限期小细胞肺癌，同步放化疗的有效率可达到70-90%，放疗的加入使得局部复发率降低25-30%，并显着延长了患者的生存时间。早开始同步放疗，要比晚开始同步放疗降低21%的5年死亡风险。局限期小细胞肺癌在取得了较好的胸部控制疗效后，就应该考虑脑预防性放疗。但在开始脑预防性放疗之前，请务必做脑磁共振检查确认无脑转移灶。超过50%的小细胞肺癌患者会出现脑转移。脑预防性放疗可以减少将近一半的脑转移发生，并且显着提高生存率。
广泛期小细胞肺癌，含铂类的两药联合方案全身化疗占据主导地位。但不幸的是，更多药物联合、维持化疗、不同耐药机制的药物交叉使用、抗血管生成药物以及靶向免疫药物等，这些都未能进一步改善广泛期小细胞肺癌的疗效。正是因为对小细胞肺癌来说，已被证实有效的化疗药物非常少，而单纯化疗的控制时间相对较短，并且一线治疗失败后再次治疗的有效率更低，故全身化疗后如果胸腔内病灶完全或大部分退缩（同时胸腔外转移灶控制较佳），应在这个窗口期通过胸部放疗巩固治疗效果，有望延长疾病控制时间、提高长期生存率。广泛期小细胞肺癌在化疗有效的基础上，脑预防性放疗也起到了与局限期相似的减少脑转移发生的作用，但究竟是否需要做脑预防性放疗目前还未有定论。建议这部分广泛期患者要么做脑预防性放疗，要么通过定期的脑磁共振扫描密切随访（每3-4个月一次）以尽早发现和控制脑转移灶。
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