樊林　肖明勇　傅玉川

(1.四川大學(xué)華西醫(yī)院腫瘤中心， 四川 成都 610041；2.四川省腫瘤醫(yī)院放療中心， 四川 成都 610041)

·論著·

不同劑量計(jì)算算法在臨床肺癌調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的體積-劑量值差異研究*

樊林1,2肖明勇2傅玉川1

(1.四川大學(xué)華西醫(yī)院腫瘤中心， 四川 成都 610041；2.四川省腫瘤醫(yī)院放療中心， 四川 成都 610041)

【摘要】目的研究比較商用計(jì)劃系統(tǒng)蒙特卡洛算法(XVMC)和解析算法的差異，為肺癌臨床劑量計(jì)算算法選擇提供依據(jù)。 方法在以往大量針對(duì)模體研究的基礎(chǔ)上,選擇符合RTOG 1306規(guī)程的10例臨床肺癌病例，按規(guī)程用iPlan PB算法采用Sliding Windows IMRT技術(shù)完成治療計(jì)劃，再分別采用PBC、AAA、XMVC算法重算，計(jì)算結(jié)果統(tǒng)一按照1cGy精度間隔導(dǎo)出DVH參數(shù)，記錄臨床關(guān)心的靶區(qū)和器官參數(shù)，并行成對(duì)t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果照射劑量分布顯示，PB、PBC算法在54～62Gy間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義， XVMC算法和AAA算法在<58.2Gy和>61.8Gy時(shí)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P<0.05)，且XVMC算法與AAA算法結(jié)果差異比PB算法與PBC算法間差異大；臨床參數(shù)統(tǒng)計(jì)顯示，XVMC算法和AAA算法多項(xiàng)劑量參數(shù)差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P<0.05)。結(jié)論對(duì)RTOG 1306規(guī)程病例，相對(duì)XVMC算法，AAA算法高估靶區(qū)劑量，低估了肺的劑量體積，可能影響臨床醫(yī)師判斷，臨床選用時(shí)應(yīng)當(dāng)注意。本組數(shù)據(jù)差異在1%左右。

【關(guān)鍵詞】劑量計(jì)算法；肺癌；調(diào)強(qiáng)治療計(jì)劃；體積-劑量值

腫瘤放射治療需要利用放射治療計(jì)劃系統(tǒng)(treatment planning system，TPS)設(shè)計(jì)臨床可實(shí)施的放射治療計(jì)劃，而先進(jìn)的TPS系統(tǒng)必須以精確的劑量計(jì)算算法為基石，計(jì)算精度會(huì)影響計(jì)算出的患者被授予的輻射劑量值及其分布，從而通過影像醫(yī)師判斷影響最終的治療效果。提高計(jì)算精度是業(yè)界長期不懈的追求，臨床商用系統(tǒng)在計(jì)算精度和商業(yè)可行中權(quán)衡與提升。不同的商用放射治療計(jì)劃系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行劑量計(jì)算的算法各有不同，從本質(zhì)上可分為解析算法和蒙特卡洛算法(XVMC)兩類；解析算法目前大致可分為筆束算法類和更先進(jìn)算法兩個(gè)層次。蒙特卡洛算法被公認(rèn)為是針對(duì)粒子輸運(yùn)最精確的計(jì)算算法，但真正能應(yīng)用于腫瘤放射治療臨床工作的基于蒙特卡羅算法的放射治療計(jì)劃系統(tǒng)的推出卻經(jīng)歷了一個(gè)漫長的過程，目前已有商用系統(tǒng)推出[1]。

已有的關(guān)于不同算法精度對(duì)比研究報(bào)道，多集中于模體計(jì)算和非臨床系統(tǒng)比較，選用的參數(shù)和條件有時(shí)同臨床常用不一致。本研究采用RTOG 1306規(guī)程，數(shù)據(jù)來源于臨床IMRT實(shí)際病例，所用條件與臨床采用條件一致，以反應(yīng)臨床實(shí)際狀況，研究中采取各項(xiàng)措施盡可能減小非算法因素影響。研究選用iPlan net系統(tǒng)(版本4.5.1)的XVMC(x-ray voxel Monte Carlo)算法、PB(pencil beam)算法和Eclipse系統(tǒng)的AAA算法(analytical anisotropic algorithm，模塊版本8615)、PBC算法(pencil beam algorithms，模塊版本11031)；其中XVMC算法為簡化蒙特卡羅算法，PB、PBC、AAA算法為解析算法(Analytical algorithm)。

1材料與方法

1.1病例數(shù)據(jù)選擇從臨床采用調(diào)強(qiáng)放療(Intensity modulated radiation therapy，IMRT)技術(shù)治療的肺癌患者中，挑選符合RTOG 1306規(guī)程條件的患者數(shù)據(jù)，最終10例病例被納入研究，其基本情況見表1?；颊吖潭ǚ绞綖轶w部熱塑成型膜，固定器材為MED TEC體部固定架，取仰臥體位，雙手上舉抱頭[2]，采用Philips BigBore大孔徑CT用胸部條件掃描,掃描層厚層距均為3mm。按照RTOG 1306的要求調(diào)整修改感興趣區(qū)域(Regions of interest，ROI)及PTV等；按RTOG 1306計(jì)劃設(shè)計(jì)規(guī)程，劑量處方為給予靶區(qū)PTV 60Gy/30F。

表1　10例病例一般情況

1.2治療計(jì)劃設(shè)計(jì)流程治療計(jì)劃設(shè)計(jì)首先在iPlan net上采用PB算法進(jìn)行，PTV為靶區(qū)，脊髓、食管、左肺、右肺(健側(cè)、患側(cè)肺區(qū)別對(duì)待)為緊要器官，其余器官不納入優(yōu)化計(jì)算。選用治療機(jī)為VARIAN NTX加速器，X射線能量為6MV，120葉片多葉光攔(MLC)，射野以PTV中心為等中心點(diǎn)，患側(cè)為主采用6或7個(gè)射野Sliding Windows IMRT技術(shù)設(shè)計(jì)。處方和評(píng)估均按照RTOG 1306規(guī)程Table 6.7.1: Summary of Protocol Constraints and Compliance Criteria所列的劑量要求；靶區(qū)處方劑量為60Gy/30F，選用95.0% covers 95.0% of Target Volume方式優(yōu)化。在iPlan系統(tǒng)將用XVMC算法、Eclipse用PBC、AAA算法重新計(jì)算劑量。

1.3錯(cuò)誤排除和干擾因素控制對(duì)各種算法計(jì)算的計(jì)劃數(shù)據(jù)必須進(jìn)行一致性檢查，以避免IMRT實(shí)現(xiàn)中某項(xiàng)參數(shù)被明顯或者隱含的變更。將每個(gè)病例的完整DICOM RT數(shù)據(jù)集導(dǎo)入Varian Eclipse TPS系統(tǒng)，導(dǎo)入數(shù)據(jù)時(shí)提示識(shí)別錯(cuò)誤或檢查發(fā)現(xiàn)體積輪廓變化則淘汰數(shù)據(jù)，避免納入靶區(qū)或器官數(shù)據(jù)變化病例。各個(gè)算法實(shí)現(xiàn)的治療計(jì)劃數(shù)據(jù)，分別導(dǎo)入Impac Mosaiq系統(tǒng)，核對(duì)射野各項(xiàng)參數(shù)和控制點(diǎn)參數(shù)，每個(gè)病例抽查一個(gè)射野的MLC子野MLC位置序列數(shù)據(jù)核對(duì)，以此確認(rèn)患者數(shù)據(jù)一致，射野參數(shù)一致，MLC參數(shù)一致，在整個(gè)研究中未引入改變臨床實(shí)際參數(shù)的錯(cuò)漏。

1.4計(jì)劃系統(tǒng)相關(guān)配置Eclipse和iPlan系統(tǒng)均采用Philips BigBore大孔徑CT用胸部條件掃描CIRS model062模體構(gòu)建相同CT值電子密度校正曲線，避免電子密度方面的差異[3]。計(jì)算網(wǎng)格PBC算法為2mm或2.5mm，AAA算法為2mm或2.5mm，iPlan系統(tǒng)PB算法為2mm，XVMC算法為1.7mm×1.7mm×1.5mm；XVMC算法控制精度為2%[4,5]。不定義治療床，以避免兩個(gè)系統(tǒng)處理有差異，患者臨床治療計(jì)劃則應(yīng)考慮治療床影響[6]。所有劑量體積參數(shù)均從Eclipse導(dǎo)出，數(shù)據(jù)導(dǎo)出精度間隔1cGy，數(shù)據(jù)讀取精度限制為讀取誤差不超過1cGy。

1.5數(shù)據(jù)擬合差異探查Eclipse和iPlan系統(tǒng)均針對(duì)同一臺(tái)加速器[VARIAN NTX，6MV X射線，HD120葉多葉光攔(MLC)]做Commissioning，原始數(shù)據(jù)一次采集；擬合后均通過臨床數(shù)據(jù)驗(yàn)收，絕對(duì)劑量偏差不大于2%，數(shù)據(jù)驗(yàn)證15例適形和IMRT相對(duì)劑量驗(yàn)證伽碼通過率優(yōu)于98%。為比較兩套計(jì)劃系統(tǒng)數(shù)據(jù)擬合差異，采用均質(zhì)模體設(shè)置不同3～15cm大小靶區(qū)設(shè)計(jì)適形和調(diào)強(qiáng)各5個(gè)共面測試計(jì)劃，設(shè)計(jì)采用PB算法完成并用XVMC、PBC、AAA算法實(shí)現(xiàn)，統(tǒng)計(jì)比較絕對(duì)劑量和相對(duì)劑量分布：系統(tǒng)內(nèi)(PB與XVMC、PBC與AAA)絕對(duì)劑量差異<1.5%，系統(tǒng)間(XVMC與AAA、PB與PBC)絕對(duì)劑量差異<2.5%。每個(gè)測試計(jì)劃均導(dǎo)入采用IBA OmniPro IMRT QA系統(tǒng)進(jìn)行伽馬分析，對(duì)等中心所在橫斷面進(jìn)行分析，3mm、3%條件下各系統(tǒng)內(nèi)(PB與XVMC、PBC與AAA)和系統(tǒng)間(XVMC與AAA、PB與PBC)伽馬通過率均優(yōu)于97.5%。

1.6數(shù)據(jù)獲取和分析照射劑量體積參數(shù)：以處方量(60Gy)的5%間隔(3Gy)記錄4種算法Body的劑量體積參數(shù)，處方量的±5%范圍內(nèi)增加記錄密度,記錄值達(dá)到某個(gè)劑量D的百分體積VD。臨床應(yīng)用參數(shù)：靶區(qū)PTV記錄最小劑量(Dmin)、最大劑量(Dmax)、平均劑量(Dmean)及5項(xiàng)百分體積劑量D98、D95、D90、D05、D02，并計(jì)算靶區(qū)覆蓋度指數(shù)(coverage index，CI)和靶區(qū)劑量均勻性指數(shù)(relative dose homogeneity index，HI)[7]。計(jì)算公式：CI=(VPTV95*VPTV95)/(Vbody95*VPTV volume)，CI越大越接近1表示覆蓋度越佳；HI=D05/D95，HI越小越接近1表示靶區(qū)劑量越均勻。食管記錄最大劑量Dmax、平均劑量Dmean，脊髓記錄最大劑量Dmax、平均劑量Dmean；肺記錄全程達(dá)到關(guān)注劑量的百分體積V5、V10、V20、V30、V40、V50、V60和平均劑量Dmean。因PB類算法在肺部的精度較差[3]，且臨床實(shí)際肺部腫瘤已經(jīng)少用PB類算法，不記錄PB算法和PBC算法的臨床劑量體積參數(shù)。數(shù)據(jù)采用Microsoft office excel 2003行配對(duì)t檢驗(yàn)分析[8]，記錄單尾臨界的P值，以P<0.01為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。照射劑量體積參數(shù)比較統(tǒng)計(jì)分析PB算法、PBC算法間差異和XVMC算法、AAA算法間差異；臨床應(yīng)用劑量參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析XVMC算法、AAA算法間差異。數(shù)據(jù)表記錄精度：P值、劑量和相對(duì)百分體積及方差均精確到兩位小數(shù)，P值小于0.01的記錄為“P<0.01”；CI、HI及其方差記錄精確到4位小數(shù)。

2結(jié)果

2.1照射劑量分布PB算法和PBC算法在6～48Gy區(qū)間差異不具備統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P為0.15～0.44)；54.0～61.8Gy區(qū)間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P<0.01)，且區(qū)間PB算法結(jié)果大于PBC算法結(jié)果，平均劑量體積為PB算法的2.58%～0.67%與PBC算法的2.49%～0.13%。XVMC算法結(jié)果比AAA算法結(jié)果在60Gy下都偏大(平均劑量體積為XVMC算法的31.27%～0.85%與AAA算法的27.81%～0.83%)，60Gy及以上則反之(XVMC算法的0.56%～0.0%與AAA算法的0.66%～0.02%)；58.8～60.0Gy區(qū)間劑量體積差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P為0.06～0.41)，其余劑量差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。62.4Gy的體積，XVMC算法結(jié)果為0.0%，不納入比較。6.0～57.0Gy區(qū)間，XVMC算法與AAA算法結(jié)果差異比PB算法與PBC算法間的差異更大(3.09%～0.38%與0.35%～0.16%)，58.2～61.8Gy區(qū)間XVMC算法與AAA算法結(jié)果差異更小(0.26%～0.10%與0.34%～0.54%),見表2。

2.2臨床劑量參數(shù)比較靶區(qū)PTV的Dmin、D95、D90、D05、D025項(xiàng)及HI指數(shù)XVMC算法和AAA算法結(jié)果差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P<0.01)，Dmax、Dmean、D98及CI指數(shù)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P為0.09～0.30)。緊要器官：脊髓和食管兩種算法差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P為0.06～0.25)；兩種算法肺的V5、V10、Dmean差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)，而V20、V30、V40、V50、V60差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P為0.03～0.37),見表3。

3討論

照射劑量分布數(shù)據(jù)顯示，PB算法和PBC算法得到的照射劑量體積分布在54～61.8Gy區(qū)間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，劑量差異<1%，伽瑪分析3mm、3%條件劑量分布比較通過率98%以上，考慮到PB算法和PBC算法在兩套系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)PB算法后采用的不同命名(可有差異)，綜合認(rèn)為二者一致，表現(xiàn)出在54～61.8Gy區(qū)間用體積表現(xiàn)為較大數(shù)據(jù)差異，其差異來源于兩套系統(tǒng)的擬合和其他系統(tǒng)特性。XVMC算法和AAA算法得到的照射劑量體積分布，在6～58Gy都有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且XVMC算法與AAA算法結(jié)果間差異比PB算法與PBC算法間差異大，綜合認(rèn)為XVMC算法與AAA算法結(jié)果在胸部剔除數(shù)據(jù)擬合和兩套系統(tǒng)特性帶來的差異，結(jié)果仍然不一致，體現(xiàn)了XVMC算法和AAA算法間算法特性的差異；相對(duì)XVMC算法，AAA算法低劑量體積偏小且熱點(diǎn)偏大。

臨床應(yīng)用參數(shù)部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示，XVMC算法與AAA算法許多體積參數(shù)差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，特別是影響臨床判斷的最常用參數(shù)之一。以靶區(qū)PTV的D95參數(shù)為例，XVMC算法為(54.71±2.26)Gy，AAA算法為(54.36±1.74)Gy，相差0.35Gy，相對(duì)偏差0.6%。PB算法與PBC算法照射劑量體積分布結(jié)果差異較小，可認(rèn)為兩套系統(tǒng)數(shù)據(jù)擬合即設(shè)備參數(shù)高度吻合。PB、PBC算法在非均勻組織區(qū)域要慎用已經(jīng)是共識(shí)。本研究數(shù)據(jù)顯示，對(duì)RTOG 1306規(guī)程使用肺癌病例，XVMC算法、AAA算法得出的靶區(qū)和肺劑量體積參數(shù)差異，可影響到臨床醫(yī)師對(duì)完全相同的計(jì)劃得出不同的結(jié)論。相對(duì)于XVMC算法結(jié)果，AAA算法高估了靶區(qū)低端劑量，低估了肺的劑量體積。

表2　不同算法的照射劑量體積參數(shù)比較±s)

表3　XVMC算法與AAA算法臨床應(yīng)用參數(shù)比較

Irina Fotina等[9]用模體對(duì)比研究了多種商用TPS的XVMC和解析算法精度，結(jié)論為XVMC算法和先進(jìn)核算法都在用于高精度的劑量計(jì)算，商用TPS的XVMC算法比先進(jìn)核算法在非均勻模體和界面上劑量計(jì)算更加準(zhǔn)確。本研究的數(shù)據(jù)與結(jié)論同該模擬研究吻合。Wambaka 等[10]研究對(duì)比了XVMC算法和SHM、CCC、SP算法對(duì)肺SRT的精度，認(rèn)為在肺SRT中，CCC和SP算法接近XVMC模擬結(jié)果，CCC、SP算法適合于肺腫瘤的SRT治療。張彥秋等[11]報(bào)道對(duì)2 cm×2 cm～8 cm×8 cm射野，相對(duì)XVMC算法，AAA算法與PBC算法均高估了骨介質(zhì)區(qū)域的劑量，均低估了(PBC算法2 cm×2 cm射野除外)肺介質(zhì)后區(qū)域的劑量。張富利、張玉海等[12，13]比較AAA算法和PBC算法在肺癌IMRT中的劑量學(xué)差異，建議臨床肺癌放療采用AAA算法。本研究XVMC算法和AAA算法結(jié)果有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，靶區(qū)臨床參數(shù)差異多在1%左右，小于TPS的數(shù)據(jù)擬合差異控制在2%以內(nèi)的要求。

商用TPS發(fā)展基于蒙特卡羅算法(XVMC)程序，是提高劑量計(jì)算精度的一個(gè)途徑。雖然蒙特卡羅算法的特性決定實(shí)現(xiàn)精度越高需要的計(jì)算能力越強(qiáng)，在計(jì)算機(jī)軟硬件的投入越大。實(shí)際上，臨床TPS應(yīng)用時(shí)的實(shí)際精度既受制于數(shù)據(jù)擬合因素、原始數(shù)據(jù)測量結(jié)果和驗(yàn)證精度的綜合影響，又受到計(jì)算網(wǎng)格選擇、CT密度校準(zhǔn)等因素影響，是一個(gè)多方面作用的結(jié)果。算法選擇導(dǎo)致的差異應(yīng)當(dāng)?shù)玫街匾?，它影響到使用不同算法的系統(tǒng)在基本劑量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性上存在系統(tǒng)性差異。基于蒙特卡羅算法的系統(tǒng)通常速度慢且隨精度提高計(jì)算量呈幾何級(jí)數(shù)增加，即使采用GPU加速等技術(shù)手段獲得數(shù)十倍的加速[14，15]，研究采用的VXMC算法及其計(jì)算處理設(shè)置，是該系統(tǒng)處理RTOG 1306病例可以實(shí)現(xiàn)精度和計(jì)算時(shí)間等達(dá)到臨床上可接受的程度，而更加精確地實(shí)現(xiàn)需要更加深入研究。目前有更多的商用系統(tǒng)采用基于蒙特卡羅算法并作為主要算法用于臨床治療。

三維適形仍然在臨床大量應(yīng)用[16]，并作為一種規(guī)范治療模式，同時(shí)臨床采用改變劑量分割模式、配合化療等[17，18]綜合治療手段來改善治療效果。單純?cè)诩夹g(shù)方面，IMRT技術(shù)在臨床肺癌治療中有一定的優(yōu)勢(shì)。勞小芳[19]的研究結(jié)果指出，三維適形放療與調(diào)強(qiáng)放療同步化療治療Ⅲ期非小細(xì)胞肺癌的臨床療效相近,但調(diào)強(qiáng)放療能更好地保護(hù)周圍正常組織,減輕放療毒副作用。陳金梅等[20]報(bào)道了IMRT相比3D CRT的劑量學(xué)優(yōu)勢(shì)。由于臨床IMRT技術(shù)系統(tǒng)的普及和IMRT系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)3D CRT對(duì)正常組織更加有利的保護(hù)，臨床更大比例的采用IMRT技術(shù)進(jìn)行肺癌的治療是必然的。鑒于臨床肺癌放療實(shí)際越來越多地采用基于IMRT的治療技術(shù)，且算法差異不因治療技術(shù)的差異而改變，該設(shè)備臨床上最常見的治療模式是合適的。

4結(jié)論

對(duì)RTOG 1306規(guī)程病例，相對(duì)XVMC算法，AAA算法高估了靶區(qū)劑量，低估了肺的劑量體積，臨床應(yīng)用參數(shù)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可能影響到臨床醫(yī)師判斷，臨床選用時(shí)應(yīng)當(dāng)注意到算法特性差異帶來的影響。本組數(shù)據(jù)XVMC算法與AAA算法靶區(qū)劑量差異在1%左右。

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Differences in dose-volumetric data among different algorithms in planning of intensity modulated radiation therapy for lung cancer in clinic

FAN Lin1，2,XIAO Mingyong2,FU Yuchuan1

(1.CancerCenter,WestChinaHospital,Chengdu610041,China; 2.CenterofRadiotherapy,SichuanCancerHospital,Chengdu610041,China)

【Abstract】ObjectiveMonte Carlo simulation has been known as the most accurate algorithm for particle transport. In recent years, great development has been realized on commercial TPSs based on Monte Carlo algorithm. In this paper, instead of phantoms, clinical patients with lung cancers suitable for RTOG1306 protocol were selected for different algorithms comparisons. Methods The patients according to RTOG1306 procedures were treated with Sliding Windows IMRT by iPlan PB algorithm. The planning of sliding window intensity modulated radiation therapy for lung cancer was carried with Pencil Beam (PB) algorithm implemented in iPlan, analytical anisotropic algorithm (AAA) in Eclipse and Voxel Monte Carlo(XVMC) algorithm in iPlan, respectively. Differences in dose-volumetric data among different algorithms were analyzed by student t test. ResultsThere were significant difference between the dose distribution of PBC and PB algorithm as the dose in the number of prescriptions(54.0 to 62.4Gy). Between the dose distribution of XVMC and AAA algorithm, it was wider range(6 to 57.6Gy). The difference between XVMC and AAA algorithm were significant difference between PBC and PB algorithm. ConclusionThere are significant differences in the clinical parameters of the XVMC algorithm and AAA algorithm, which may affect the clinical doctors. The data of RTOG1306 cases in this study are about 1%.

【Key words】Dose calculation；Algorithm；Lung cancer；IMRT plan；Dose-volumetric data

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(81101697)

通信作者：傅玉川，E-mail：ychfu@hotmail.com

【中圖分類號(hào)】R 73; R 815

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

doi：10.3969/j.issn.1672-3511.2016.06.014

(收稿日期：2015-11-02; 修回日期： 2016-03-31； 編輯： 母存培)