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，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(xué)腫瘤防治中心 放療科，廣東 廣州 510060；3.南方醫(yī)科大學(xué)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(xué)腫瘤防治中心 放療科，廣東 廣州 510060；3.南方醫(yī)科大學(xué)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)進行Gamma通過率分析。結(jié)果Monaco系統(tǒng)在3種標(biāo)準(zhǔn)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(xué)意義（P＜0.05），5%/3 mm下無統(tǒng)計學(xué)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(zhǔn)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(xué)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(zhǔn)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(zhǔn)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?。? 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(xué)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(zhǔn)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)射野對Matrixx進行絕對劑量校準(zhǔn)，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(biāo)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(xué)分析，數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(xué)意義（P=0.072），在2%/2 mm和3%/3 mm閾值下有統(tǒng)計學(xué)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)度。本研究顯示，Monaco在3種閾值標(biāo)準(zhǔn)下的Gamma通過率均高于Xio，且標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(biāo)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(xué)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(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)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