王寧，陳阿龍，夏景濤

1.中山市中醫(yī)院 放射科，廣東 中山528400；2.中山大學腫瘤防治中心 放療科，廣東 廣州 510060；3.南方醫(yī)科大學南方醫(yī)院，廣東 廣州 510515

Monaco與Xio治療計劃系統(tǒng)調(diào)強放療劑量驗證的比較研究

王寧1，陳阿龍2，夏景濤3

1.中山市中醫(yī)院 放射科，廣東 中山528400；2.中山大學腫瘤防治中心 放療科，廣東 廣州 510060；3.南方醫(yī)科大學南方醫(yī)院，廣東 廣州 510515

目的通過比較調(diào)強放療劑量驗證的結(jié)果，評價Monaco和Xio治療計劃系統(tǒng)的臨床治療準確性。方法選取Xio治療計劃系統(tǒng)20例鼻咽癌調(diào)強治療計劃，Monaco治療計劃系統(tǒng)20例鼻咽癌調(diào)強治療計劃，用IBA二維電離室矩陣Matrixx進行劑量驗證，分別以2%/2 mm、3%/3 mm、5%/3 mm為標準進行Gamma通過率分析。結(jié)果Monaco系統(tǒng)在3種標準下的Gamma平均通過率均高于Xio系統(tǒng)。差異在2%/2 mm、3%/3 mm下具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），5%/3 mm下無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。結(jié)論兩種治療計劃系統(tǒng)都能應(yīng)用于臨床調(diào)強放療，但Monaco計劃系統(tǒng)的準確性要優(yōu)于Xio計劃系統(tǒng)。

Xio治療計劃系統(tǒng)；Monaco治療計劃系統(tǒng)；調(diào)強放療；劑量驗證；Gamma通過率

0 前言

隨著腫瘤放療技術(shù)的發(fā)展，調(diào)強放療（Intensity-Modulated Radiation Therapy，IMRT）越來越多地應(yīng)用于臨床。IMRT可利用治療計劃系統(tǒng)（Treatment Planning System，TPS）在醫(yī)學影像（如CT、MRI、PET圖像）上勾畫腫瘤靶區(qū)和周圍正常組織的輪廓，獲得一系列感興趣區(qū)域，并在圖像上進行計劃設(shè)計、條件優(yōu)化、劑量計算和劑量評估。TPS在調(diào)強放療中起著至關(guān)重要的作用，不同TPS的算法模型和優(yōu)化方式可能不同，而算法準確與否直接影響劑量計算結(jié)果的精度，因此患者治療計劃執(zhí)行前的劑量驗證是確保治療準確性的關(guān)鍵[1-5]。本文對瑞典Elekta公司的Monaco和Xio計劃系統(tǒng)在鼻咽癌調(diào)強放療計劃中的劑量驗證結(jié)果進行比較分析。

1 材料與方法

1.1 調(diào)強放療計劃系統(tǒng)

Monaco和Xio治療計劃系統(tǒng)基本情況，見表1。

表1 兩種治療計劃系統(tǒng)

Monaco和Xio計劃系統(tǒng)調(diào)強優(yōu)化參數(shù)設(shè)置均為：調(diào)強治療實現(xiàn)方式：子野式靜態(tài)調(diào)強（ss-IMRT）；計算網(wǎng)格大小：3 mm×3 mm×3 mm；最小子野跳數(shù)：4 MU，最小子野面積：4 cm2，最小子野寬度：0.5 cm。

1.2 一般資料

選取2013年1月～6月在中山大學腫瘤防治中心行初次根治性放療的鼻咽癌病例40例，Xio和Monaco上各取20例，每個計劃系統(tǒng)上取T1期、T2期、T3期、T4期各5例。根據(jù)ICRU50和ICRU62號報告勾畫靶區(qū)和危及器官，處方劑量PGTV為70 Gy，PTV1為60 Gy，PTV2為54 Gy，所有治療計劃都采用同步加量技術(shù)，分30次同期完成治療。采用9野靜態(tài)調(diào)強照射，射野角度為160°、120°、80°、40°、0°、320°、280°、240°和200°，準直器角度均為0°，全部照射野均行調(diào)強劑量驗證。

1.3 設(shè)備

使用帶有等中心處投影寬度為1 cm的40對多葉光柵的直線加速器（Synergy with MLCi，Elekta公司）的6 MV光子線進行計劃設(shè)計。加速器標稱劑量率為7個固定檔，最大劑量率為600 MU/min。劑量平面測試儀為IBA公司的二維電離室矩陣Matrixx[6]，有效探測面積是24.3×24.3 cm2，共1020個電離室（外方4角上有4個溫度氣壓收集點），電離室間隔7.62 mm，有效測量點深度為0.3 cm。分析軟件為IBA公司的OmniPro IMRT 1.6系統(tǒng)。驗證模體為Matrixx配套模體，為PMMA材料，該模體在Matrixx上下的物理厚度均為5 cm。

1.4 驗證方法

測量驗證前，使用10 cm×10 cm標準射野對Matrixx進行絕對劑量校準，最大程度上減少治療機輸出劑量的波動對測量結(jié)果的影響。將Xio系統(tǒng)中的20例和Monaco系統(tǒng)中的20例鼻咽癌調(diào)強計劃移植到驗證模體中，射野機架角度全部歸零，其他射野參數(shù)（射野、子野）不變；等中心設(shè)置為Matrixx測量點中心（借助驗證模體表面3個金屬標記點確定），計算劑量，生成驗證計劃；分別輸出兩種TPS中射野等中心處的平面劑量數(shù)據(jù)并保存為ASCII的文件格式，輸出時劑量分布的分辨率設(shè)置為1 mm[7]。

1.5 分析方法

使用OmniPro IMRT 1.6 軟件對射野劑量數(shù)據(jù)進行采集和分析處理。采用Gamma方法的3種閾值對兩種計劃系統(tǒng)生成的平面劑量圖和Matrixx實際測量得到的平面劑量圖進行對比分析，均采用絕對劑量進行對比。統(tǒng)計的Gamma誤差限定條件為2%（劑量誤差）/2 mm（位置誤差），3%/3 mm和5%/3 mm。

1.6 統(tǒng)計方法

采用SPSS20.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析，數(shù)據(jù)以均數(shù)±標準差表示。Monaco和Xio的3組樣本通過率呈非正態(tài)分布，宜采用獨立樣本的非參數(shù)秩和檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

Monaco計劃系統(tǒng)在2%/2 mm、3%/3 mm、5%/3 mm閾值下的Gamma通過率都比Xio計劃系統(tǒng)的高，兩種計劃系統(tǒng)在3%/3 mm、5%/3 mm閾值下的通過率都＞90%，均能滿足臨床要求。兩種計劃系統(tǒng)Gamma通過率差異在5%/3 mm閾值下無統(tǒng)計學意義（P=0.072），在2%/2 mm和3%/3 mm閾值下有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。結(jié)果見表2。

表2 Monaco和Xio調(diào)強計劃Gamma通過率

表2 Monaco和Xio調(diào)強計劃Gamma通過率

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3 討論

放療計劃系統(tǒng)的劑量驗證誤差是由從計劃設(shè)計到治療實施的各個環(huán)節(jié)所有小的誤差疊加產(chǎn)生的，主要有以下5個方面：① 機器驗收時允許范圍內(nèi)的機械誤差，如等中心位置，臂架角度，準直器、激光燈、治療床的運動，MLC的走位等；② TPS原始數(shù)據(jù)的誤差。TPS在裝機時需測量加速器的各種參數(shù)，實際測量過程中，因受測量設(shè)備擺位、精度、穩(wěn)定性等的影響，誤差不可避免；實際測量得到的有限數(shù)據(jù)還必須經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合建模后才能供TPS調(diào)用，而數(shù)據(jù)擬合過程中也會有誤差產(chǎn)生；③ 算法誤差。不同計劃系統(tǒng)采用的劑量算法不同，如Xio系統(tǒng)采用的是多柵格超級迭代（Multigrid Superposition）算法，Monaco系統(tǒng)采用的是X線蒙特卡洛模擬（X-Ray Voxel Monte Carlo，XVMC）算法，而無論采用何種算法，所得結(jié)果都會與實際測量值間存在一定誤差；④ 治療計劃實施時的機器誤差。主要包括：每天的氣壓和溫度變化導(dǎo)致的機器輸出劑量絕對量的偏差；劑量傳遞準確性欠佳導(dǎo)致的治療機的機械誤差、MLC走位誤差等；⑤ 二維電離室矩陣使用時產(chǎn)生的誤差，如Matrixx的擺位誤差、數(shù)據(jù)采集的精度誤差、數(shù)據(jù)處理的插值誤差等。

在對兩種計劃系統(tǒng)的劑量驗證的對比研究中，使用的是相同的治療機和劑量驗證設(shè)備，所以二者具有相同的實驗環(huán)境誤差；同時，二者的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和執(zhí)行傳遞方式也相同。因此，兩種計劃系統(tǒng)的劑量驗證差異主要來自于劑量算法模型的差別。在利用TPS進行調(diào)強放療的計劃設(shè)計時，鼻咽癌因其組織結(jié)構(gòu)多、交錯復(fù)雜、體積小，導(dǎo)致設(shè)計出的治療計劃非常復(fù)雜，子野數(shù)量多并且面積小，因而劑量驗證能很大程度上反應(yīng)TPS的精準度。本研究顯示，Monaco在3種閾值標準下的Gamma通過率均高于Xio，且標準越高，差異越大。在劑量誤差放寬的條件（5%/3mm閾值）下，兩種計劃系統(tǒng)差別較小，且無統(tǒng)計學意義。蒙特卡洛模擬被證明是最精確的劑量建模方法[8]，但傳統(tǒng)的蒙卡模擬收斂速度慢，計算模擬耗時，不適用于日常臨床。對傳統(tǒng)蒙特卡洛算法加以簡化和改進，在不過多損失計算精度的前提下，以提高運行速度為目標的所謂“新”蒙特卡洛算法，即Monaco系統(tǒng)采用的XVMC算法的計算精度相較于國際醫(yī)學領(lǐng)域通用的基于蒙特卡洛方法的EGS程序，偏差在1%以內(nèi)[9-10]。XVMC算法能反映機器特性和病人屬性，能完全模擬所有粒子的運輸過程，計算和存儲每個粒子在每個體素中吸收能量的沉積情況，具有極高的計算精度。

本研究不足之處在于使用二維矩陣對放射治療進行質(zhì)量保證和質(zhì)量控制有其局限性，如需要將機架角度歸零后進行驗證，不能實現(xiàn)實際角度下的劑量驗證，忽略了驗證機架的轉(zhuǎn)動誤差、重力對多葉準直器葉片走位精確度的影響和治療床對劑量分布的影響等問題。另外，二維測量只能截取冠狀面的劑量數(shù)據(jù)進行驗證，不能對橫斷面和矢狀面的劑量數(shù)據(jù)進行驗證。全新的Delta4、ArcCheck等三維驗證工具，可以在真實機架旋轉(zhuǎn)的情況下，實時測量三維空間劑量分布。二維矩陣上擺放的是均勻PMMA模體，而真實人體結(jié)構(gòu)由一系列非均勻組織構(gòu)成，因此計劃系統(tǒng)在非均勻組織中計算的誤差遠大于均勻組織。下一步可使用三維驗證工具配合非均勻組織模體對Monaco和Xio劑量驗證結(jié)果進行更精確的比較評估。

4 結(jié)論

調(diào)強放療技術(shù)的出現(xiàn)，使得腫瘤的放療精準度和療效都有了顯著提高。對于IMRT技術(shù)，TPS劑量計算的精確度對實現(xiàn)控制腫瘤和保護正常組織的放療目標至關(guān)重要。

本研究通過對應(yīng)用Monaco和Xio計劃系統(tǒng)設(shè)計的鼻咽癌調(diào)強放療計劃進行劑量驗證，表明兩個計劃系統(tǒng)均能應(yīng)用于臨床調(diào)強放療，但Monaco計劃系統(tǒng)的計算精確性要優(yōu)于Xio計劃系統(tǒng)。

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Comparative Study on the Dosimetric Verif i cation of Intensity-Modulated Radiation Therapy of Monaco and Xio Treatment Planning Systems

WANG Ning1, CHEN A-long2, XIA Jing-tao3
1.Department of Radiology, Zhongshan Traditional Chinese Medicine Hospital, Zhongshan Guangdong 528400, China; 2.Department of Radiotherapy, Sun Yat-sen University Cancer Center, Guangzhou Guangdong 510060, China; 3.Nanfang Hospital, Southern Medical University, Guangzhou Guangdong 510515, China

ObjectiveTo evaluate the clinical accuracy of Monaco and Xio treatment planning systems (TPS) by comparing the dose verification results of intensity-modulated radiation therapy (IMRT) of the two treatment planning systems.MethodsThe dose verif i cation of IMRT plans for nasopharyngeal carcinoma formulated by Xio TPS (n=20) and Monaco TPS (n=20) was conducted by IBA Matrixx. Then Gamma pass rate analysis was conducted according to various criterias including 2%/2 mm, 3%/3 mm and 5%/3 mm.ResultsThe average Gamma pass rate of IMRT plans of Monaco TPS was higher than that of Xio TPS according to all the criterias. There were signif i cant differences between Monaco TPS and Xio TPS on the Gamma pass rate according to 2%/2 mm and 3%/3 mm criterias (P＜0.05) while there were no signif i cant differences between the two treatment planning systems on the Gamma pass rate according to 5%/3 mm criterion (P＞0.05).ConclusionBoth of Monaco and Xio treatment planning systems can be applied to clinical IMRT while the accuracy of Monaco TPS is higher than that of Xio TPS.

Xio TPS; Monaco TPS; IMRT; dose verif i cation; Gamma pass rate

R730.55

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.07.006

1674-1633(2014)07-0020-03

2014-03-06

2014-04-09

本文作者：王寧，碩士。

作者郵箱：wn5626026@gmail．com