陸佳揚(yáng) 張基永 張武哲 吳麗麗 謝文佳 謝良喜

(汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬腫瘤醫(yī)院放療科，廣東 汕頭 515041)

臨床上Eclipse放射治療計劃設(shè)計系統(tǒng)(Treatment Planning System，TPS，Varian Medical Systems，Palo Alto，USA)用于外照射光子劑量計算的常用算法是各向異性分析算法(AAA)。近年，Eclipse系統(tǒng)推出了一種全新的外照射光子劑量算法，全稱為Acuros External Beam Algorithm，簡稱 Acuros XB或 AXB。AXB與AAA的計算機(jī)制不同:AAA采用卷積/疊加(C/S)的方法進(jìn)行計算，而AXB則采用求解線性玻耳茲曼輸運(yùn)方程(LBTE)的方法進(jìn)行計算。目前國內(nèi)對AXB算法的研究報道很少。為了增加對這種新計算模型的了解，并為其在臨床放射治療實踐的安全應(yīng)用提供相關(guān)的物理實踐數(shù)據(jù)，有必要對新算法的特性進(jìn)行探討研究。本研究選擇鼻咽容積調(diào)強(qiáng)放療(VMAT)計劃，移植到臨床工作常用的模體上進(jìn)行劑量驗證，探討兩種算法驗證結(jié)果的差異，以及兩者計算效率的差別。

1 材料與方法

1.1臨床資料 隨機(jī)選取本科室已實際實施的19例鼻咽癌患者(年齡60～81歲)的VMAT計劃。腫瘤原發(fā)灶的計劃靶區(qū)的處方定義為95%靶區(qū)體積所接受的劑量，設(shè)為70 Gy。每個計劃均采用6 mV能量光子束的雙弧射野照射，機(jī)架旋轉(zhuǎn)幅度為358°，順時針方向弧形射野準(zhǔn)直器角度為30°，逆時針方向弧形射野準(zhǔn)直器角度為330°，機(jī)架旋轉(zhuǎn)每2°為一個控制點(control point)，平均機(jī)器監(jiān)測跳數(shù)(MU)為(540±69)。

1.2儀器設(shè)備 測量三維Gamma值采用Delta4(Scandidos，Uppsala，Sweden)三維半導(dǎo)體探測器陣列。Delta4是由測量部件鑲嵌于圓柱形模體中間所構(gòu)成。其測量部件是p型硅半導(dǎo)體，其圓柱形模體的材料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，有機(jī)玻璃)，密度為1.19 g/cm3，相對電子密度1.147。Delta4的CT影像為廠家提供的均勻PMMA等效的圓柱體(HU-密度轉(zhuǎn)換表:－1 024 HU=0 g/cm3，0 HU=1 g/cm3，217 HU=1.19 g/cm3)。測量點劑量采用IBA公司的驗證點劑量的I'mRT頭部模體(材料為RW3，密度1.045 g/cm3)，F(xiàn)armer型指形電離室 FC65-G(靈敏體積0.65 cm3，有效半徑0.31 cm)，以及劑量儀DOSE-1。治療計劃設(shè)計系統(tǒng)Ecliipse版本10.0，AXB算法版本10.0.28，使用dose to water劑量報告模式。直線加速器為Varian公司的TueBeam，按照美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)會(AAPM)TG-51報告進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.3方法

1.3.1制作模體計劃 將19例鼻咽癌VMAT計劃分別移植至Delta4和I'mRT模體圖像，生成驗證計劃。驗證計劃的機(jī)架、鉛門、MLC和MU數(shù)等治療參數(shù)與原治療計劃保持一致，計算網(wǎng)格尺寸為2.5 mm，加入虛擬治療床板Exact IGRT Couch top(thin)，分別使用AXB和AAA計算劑量分布;將計劃的RT dose和RT plan以DICOM格式文件從Eclipse計劃系統(tǒng)導(dǎo)入Delta4軟件中，為后面的測量做準(zhǔn)備。制作I'mRT模體計劃時，在計算完成后選擇模體劑量均勻處放置測量點，并以測量點為中心勾畫直徑為0.62 cm、體積為0.65 cm3的小圓柱體，模擬測量電離室靈敏體積，其平均劑量代表計劃中的點劑量〔1〕。同時，記錄兩種算法的計算耗時。AXB及AAA計算劑量的時候采用分布式計算框架(DCF)加快計算的速度，DCF的功能是利用局域網(wǎng)中閑置的Eclipse工作站資源(本科室擁有9臺Eclipse工作站)參與本機(jī)計劃的劑量計算。

1.3.2劑量測量

1.3.2.1Delta4模體三維劑量測量 在使用Delta4對VMAT計劃進(jìn)行驗證之前，使用直線加速器和Delta4配套校準(zhǔn)模體對Delta4進(jìn)行校準(zhǔn)，包括參考劑量校準(zhǔn)、相對劑量校準(zhǔn)、絕對劑量校準(zhǔn)、方向性校準(zhǔn)。校準(zhǔn)完測量一個10×10 cm2四野開野盒式照射計劃并保存為日常校準(zhǔn)的參考基準(zhǔn)〔2〕。進(jìn)行計劃驗證測量時，連接Delta4硬件，預(yù)熱15 min，使用激光燈對齊，準(zhǔn)確擺位。打開Delta4軟件，校準(zhǔn)溫度，做一次日常校準(zhǔn)，與參考基準(zhǔn)對比，得出Daily Correction Factor校準(zhǔn)當(dāng)次加速器輸出量產(chǎn)生的誤差成分。對19例鼻咽癌VMAT模體計劃實施測量，測量完軟件自動保存測量數(shù)據(jù)。

1.3.2.2I'mRT模體點劑量測量 連接DOSE-1劑量儀與Farmer型指形電離室，電離室探頭放置于I'mRT模體中與計劃設(shè)計一致的測量點位置，經(jīng)氣壓、溫度和本底信號校準(zhǔn)后開始實施測量，記錄劑量儀讀數(shù)，并修正為吸收劑量。

1.4評估指標(biāo) 使用3 mm/3%(3 mm DTA，3%dose deviation)、2 mm/2%(2 mm DTA，2%dose deviation)兩種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行Gamma分析，記錄Gamma通過率，結(jié)果簡記為Gamma_3 mm/3%和Gamma_2 mm/2%〔3〕。Gamma_3 mm/3% ≥90%為驗證通過。點劑量誤差采用以下公式進(jìn)行計算:(計劃值－實測值)/實測值×100%。點劑量誤差≤ ±3%為驗證通過。

1.5統(tǒng)計學(xué)處理 使用SPSS19.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行雙尾配對樣本t檢驗。

2結(jié)果

使用Delta4驗證，AXB與AAA算法的Gamma通過率均大于90%，符合要求，兩者差異不顯著(P＞0.05)，兩種算法與實測劑量的符合度相似。使用I'mRT頭部模體和電離室進(jìn)行驗證，兩種算法點劑量誤差均＜3%，符合要求，兩者差異顯著(P＜0.05)，AXB比AAA更接近實測劑量:AXB的點劑量誤差比AAA的點劑量誤差小，但兩者差異的絕對值小，范圍是－0.3% ～2.1%。見表1。

表1 鼻咽癌VMAT計劃驗證中AXB與AAA算法的Gamma通過率及點劑量誤差(s，%，n=19)

表1 鼻咽癌VMAT計劃驗證中AXB與AAA算法的Gamma通過率及點劑量誤差(s，%，n=19)

評估指標(biāo) AXB AAA AXB-AAA 95%置信區(qū)間 t值 P值Gamma_3 mm/3% 99.8 ± 0.2 99.9 ± 0.2 －0.1 ± 0.3 (－0.3，0.1)－1.328 0.201 Gamma_2 mm/2% 95.7±1.8 95.5±2.3 0.2±1.7 (－0.6，1.0)0.517 0.611點劑量誤差 －0.2±0.6 －0.6±0.6 0.3±0.6 (0.0，0.6)2.192 0.042

在計算效率方面，如表2所示，分兩種情況:在DCF空閑時段，AXB與AAA的耗時相當(dāng)，統(tǒng)計學(xué)上差異不顯著(P＞0.05)，其中有6例數(shù)據(jù)顯示AAA比AXB快;在DCF繁忙時段，AXB明顯比 AAA 效率高，節(jié)省時間(9.5±9.9)min，P＜0.05，所有病例AXB均比AAA快。

表2 鼻咽癌VMAT計劃驗證中AXB與AAA算法的計算耗時(s，n=19)

表2 鼻咽癌VMAT計劃驗證中AXB與AAA算法的計算耗時(s，n=19)

計算時段 AAA AXB AAA－AXB 95%置信區(qū)間 t值 P值DCF空閑時 7.2±3.0 5.6±1.0 1.6±2.2 (－0.2，3.4)2.067 0.078 DCF繁忙時 16.0±10.7 6.5±2.0 9.5±9.9 (1.3，17.8)2.728 0.029

3討論

AXB有兩種劑量報告模式:dose to medium和dose to water。由于傳統(tǒng)光子束放療劑量計算通常報告dose to water〔4〕，包括AAA算法，為了保證可比性，本研究采用AXB的dose to water劑量報告模式與AAA進(jìn)行對比。

AXB算法的特點是使用數(shù)值的方法確定性地直接地求解LBTE。LBTE描述了放射粒子的傳輸并與物質(zhì)相互作用的宏觀行為，求解LBTE可以得到受照體積內(nèi)劑量的精確描述〔5〕。

美國Varian公司從Eclipse V10.0版本開始嵌入了AXB算法〔5〕，而這種算法近一兩年來才開始在國內(nèi)應(yīng)用。新算法需要有充分的物理實踐數(shù)據(jù)的支持才能安全地應(yīng)用于臨床。然而，目前國內(nèi)尚無研究AXB與模體實測數(shù)據(jù)差異的報道。雖然國外已有部分學(xué)者對AXB算法的特性進(jìn)行了研究，如Fogliata等〔5〕在簡單照射野條件下研究均勻水模體中AXB的基本特性，Han 等〔6〕、Bush 等〔7〕和 Fogliata 等〔8〕學(xué)者使用 AXB 與作為金標(biāo)準(zhǔn)的蒙特卡羅算法進(jìn)行比較，Han等〔9，10〕在頭頸部和胸部仿真模體中對AXB與實測劑量的差異進(jìn)行研究等。然而，在臨床工作常用到的工具，如 Delta4、I'mRT〔11〕、ArcCheck〔12〕等模體中進(jìn)行測量的研究報道卻幾乎沒有，本文彌補(bǔ)了這方面的空白，為新算法在日常實踐工作中應(yīng)用提供參考。

本研究的數(shù)據(jù)進(jìn)一步證實在均勻模體中AXB與AAA的差異很小。Fogliata等〔5〕也發(fā)現(xiàn)在均勻水模體中AXB和AAA僅有少量的偏差，開野條件下在1%以內(nèi)，楔形板射野條件下在2%以內(nèi)，與本研究結(jié)果一致。然而，他們僅在均勻的水模體中驗證測量，而且采用的是最簡單的照射技術(shù)，只能驗證AXB的基本特性，而在復(fù)雜的放射治療技術(shù)(比如VMAT)和復(fù)雜病例(比如鼻咽癌)的研究卻未有涉及。

在計算精度方面，本研究結(jié)果顯示，AXB擁有較高精度。Hoffmann等〔13〕報道在均勻模體小野照射中AAA精度會變差，而對AXB的精度影響不大。鼻咽癌VMAT計劃比較復(fù)雜，包含較多小野。因此鼻咽癌驗證計劃使用AXB進(jìn)行計算可以獲得更為準(zhǔn)確的驗證結(jié)果，這對保證鼻咽癌VMAT技術(shù)的安全實施具有一定的意義。

在計算時間方面，國外文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)均顯示在VMAT計劃中AXB 的計算速度比 AAA 快，F(xiàn)ogliata等〔8〕與 Han等〔9〕報道 AXB比AAA快4～6倍。這是因為VMAT計劃的控制點很多，例如本實驗采用的雙弧共有356個控制點(2°/control point)，相當(dāng)于需要計算356個照射野，AAA算法在如此多控制點的情況下計算會非常耗時。而AXB計算時間對射野數(shù)目的依賴性很弱，它的主要影響因素是輸出網(wǎng)格大小和輸出網(wǎng)格范圍內(nèi)的受照體積大小。臨床實踐工作中經(jīng)常會使用DCF進(jìn)行計算，然而文獻(xiàn)中尚無報道。筆者的數(shù)據(jù)得出，在DCF空閑的時候，AXB與AAA相比并沒有明顯的優(yōu)勢。這是因為，至少在目前，AXB不能將計算資源分配給局域網(wǎng)中其他計算機(jī)進(jìn)行計算，只能由本機(jī)進(jìn)行單獨計算，而AAA可以利用局域網(wǎng)的其他計算機(jī)進(jìn)行計算，因此在這種情況下兩者效率相當(dāng)。當(dāng)然，在DCF繁忙時，或在沒有DCF時，AXB仍然能夠體現(xiàn)出計算效率高的優(yōu)勢。本研究使用的驗證工具僅局限于均勻模體，對于非均勻模體我們將在后續(xù)的研究中進(jìn)一步探討。綜合考慮計算精度和計算效率，驗證鼻咽癌 VMAT計劃時，推薦使用 AXB作為鼻咽癌VMAT驗證計劃的常規(guī)計算算法。

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