X線(xiàn)蒙特卡洛算法與有限元筆形束算法在旋轉(zhuǎn)容積調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃中的劑量學(xué)比較

王 寧，陳阿龍

0 引言

近年來(lái)，隨著放療技術(shù)的不斷發(fā)展，旋轉(zhuǎn)容積調(diào)強(qiáng)治療（volumetric modulated arc therapy，VMAT）已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于前列腺、直腸、宮頸、食管等多種腫瘤的放射治療中。VMAT技術(shù)可通過(guò)在不間斷出束時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)治療機(jī)架的運(yùn)動(dòng)速度、劑量率和射野形狀以及準(zhǔn)直器角度來(lái)達(dá)到高度適形的劑量分布，大大縮短了治療時(shí)間，提高了治療效率，改善了相對(duì)生物效應(yīng)[1-4]。對(duì)于VMAT技術(shù)，需要更高要求的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制，放療計(jì)劃系統(tǒng)（TPS）劑量計(jì)算的精確度對(duì)實(shí)現(xiàn)控制腫瘤和保護(hù)正常組織的放療目標(biāo)是至關(guān)重要的。ICRU46號(hào)報(bào)告推薦TPS的劑量計(jì)算誤差精度應(yīng)≤±2%[5]。Jelen等人提出基于蒙特卡洛模擬數(shù)據(jù)的有限元筆形束劑量計(jì)算算法（finite size pencilbeam，F(xiàn)SPB），同時(shí)加入了橫向和縱向的三維密度修正，提高了不均勻組織的劑量計(jì)算精度[6-8]。蒙特卡洛模擬被證明是最精確的劑量建模方法[9-10]，但它因收斂速度慢和計(jì)算模擬耗時(shí)的原因而不能用于日常臨床中。對(duì)傳統(tǒng)蒙特卡洛模擬加以簡(jiǎn)化和改進(jìn)，在不過(guò)多損失計(jì)算精度的前提下，以提高運(yùn)行速度為目標(biāo)的所謂“新”蒙特卡洛方法，比如X線(xiàn)蒙特卡洛（X-ray voxelMonte Carlo，XVMC）算法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，XVMC算法的計(jì)算精度相比較國(guó)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?xún)?nèi)[11-14]。

本研究使用醫(yī)科達(dá)Monaco3.2治療計(jì)劃系統(tǒng)分別對(duì)食管癌病例和直腸癌病例進(jìn)行VMAT計(jì)劃的設(shè)計(jì)，利用計(jì)劃系統(tǒng)內(nèi)置的XVMC算法和FSPB算法來(lái)比較2種算法對(duì)2種腫瘤病例的靶區(qū)劑量分布、危及器官的受照射體積和劑量分布。

1 材料和方法

1.1 一般臨床資料

選取2013年7月至2013年11月在中山大學(xué)腫瘤防治中心行放療的7例食管癌患者和7例直腸癌患者。食管癌患者為男性4例、女性3例，年齡57～68歲，中位年齡62歲，病理類(lèi)型均為鱗癌；直腸癌患者為男性5例、女性2例，年齡50～75歲，中位年齡59歲，病理類(lèi)型均為直腸腺癌。

1.2 體位固定和CT掃描

使用飛利浦公司16排85 cm大孔徑螺旋CT模擬定位機(jī)進(jìn)行CT掃描。食管癌患者仰臥位，雙臂上抬交叉置于額頂；直腸癌患者采用俯臥位，雙手前伸。掃描層厚均為5mm。

1.3 靶區(qū)勾畫(huà)與劑量要求

由臨床醫(yī)生在每例食管癌和直腸癌患者CT圖像上根據(jù)ICRU50和ICRU62號(hào)報(bào)告勾畫(huà)出大體腫瘤靶區(qū)（gross tumor volume，GTV）、臨床靶區(qū)（clinical target volume，CTV）以及危及器官（organ at risk，OAR），包括脊髓、心臟、肺組織。根據(jù)擺位誤差數(shù)據(jù)對(duì)CTV進(jìn)行外擴(kuò)，得到各部分的計(jì)劃靶區(qū)（planning targetvolume，PTV），并定義為 PTV1、PTV2。對(duì)于食管癌病例，給予PTV1處方劑量為60Gy/28次，PTV2為50Gy/28次；對(duì)于直腸癌患者，給予PTV1處方劑量為50Gy/25次，PTV2為46Gy/25次。

1.4 治療設(shè)備與計(jì)劃設(shè)計(jì)

使用帶有等中心處投影寬度為1 cm的40對(duì)多葉光柵的直線(xiàn)加速器（Synergy with MLCi，醫(yī)科達(dá)公司）的6MV光子線(xiàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。加速器標(biāo)稱(chēng)劑量率為7個(gè)固定擋，每擋數(shù)值為前一高擋的一半，最大葉片速度為2.4 cm/s，最大機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度為8.0°/s，最大標(biāo)稱(chēng)劑量率為600MU/min。對(duì)所選病例設(shè)計(jì)VMAT治療計(jì)劃，使用360°機(jī)架角度的單?。?180～180°）照射。要求處方劑量至少覆蓋95%PTV。計(jì)劃優(yōu)化完成后，先用XVMC算法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算網(wǎng)格為3mm，均方差為3%，得到相應(yīng)的劑量體積直方圖（dose volume histogram，DVH）。然后再應(yīng)用FSPB算法對(duì)該計(jì)劃進(jìn)行重新計(jì)算，計(jì)算設(shè)置在相同的射野參數(shù)，優(yōu)化通量和機(jī)器跳數(shù)（MU），得到相應(yīng)的DVH圖。

1.5 計(jì)劃評(píng)價(jià)

計(jì)劃的評(píng)價(jià)采用的劑量體積直方圖設(shè)置1 cGy和1 cm3的分辨率。

（1）根據(jù)ICRU83報(bào)告，采用近似最大劑量D2%、近似最小劑量D98%以及中位劑量D50%來(lái)評(píng)估靶區(qū)劑量分布。并引入適形性指數(shù)（conform index，CI）和均勻性指數(shù)（homogeneity index，HI）評(píng)估計(jì)劃劑量分布，其中：

式中，Dx%為X%靶區(qū)體積接受的劑量，TVRI為處方劑量線(xiàn)所包裹的靶區(qū)體積，TV為靶區(qū)體積，VRI為處方劑量線(xiàn)所包裹的體積。HI值越小，說(shuō)明靶區(qū)劑量分布均勻性越好；CI值在0～1之間，越靠近1，說(shuō)明靶區(qū)適形度越好。

（2）危及器官（OARs）：對(duì)于食管癌，需要評(píng)價(jià)脊髓 Dmax，肺 V5、V10、V20、V30和 Dmean，心臟 V30、V40和Dmean。對(duì)于直腸癌，需要評(píng)價(jià)小腸Dmax和V50，膀胱V50，股骨頭 V50。Dmax為最大劑量，Dmean為平均劑量，Vx為接受劑量的體積。

1.6 統(tǒng)計(jì)方法

利用SPSS20軟件對(duì)XVMC算法和FSPB算法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 靶區(qū)劑量分布

對(duì)于食管癌：XVMC算法和FSPB算法的結(jié)果在PTV1-D2%、PTV2-D2%和CIPTV2上沒(méi)有顯著性差異（P＞0.05）；其余PTV的各項(xiàng)指標(biāo)，XVMC算法結(jié)果均高于FSPB算法結(jié)果（P＜0.05），差值均小于3%；XVMC算法組的HIPTV1略微優(yōu)于FSPB算法組，同時(shí)CIPTV1略微差于FSPB算法組（P＜0.05），詳見(jiàn)表1。對(duì)于直腸癌：XVMC算法和FSPB算法的結(jié)果在HIPTV1和CIPTV2上沒(méi)有顯著性差異（P＞0.05）；PTV的各項(xiàng)指標(biāo)，XVMC算法結(jié)果均高于FSPB算法結(jié)果（P＜0.05），差值均小于3%；FSPB算法的CIPTV1略微優(yōu)于XVMC算法（P＜0.05），詳見(jiàn)表 2。

表1 食管癌2種算法靶區(qū)劑量比較（±s）

表1 食管癌2種算法靶區(qū)劑量比較（±s）

算法 PTV1 PTV2 D95%/Gy D2%/Gy D98%/Gy D95%/Gy D2%/Gy D98%/Gy HIPTV1 CIPTV1 CIPTV2 XVMC 60.67±0.65 63.83±0.8 59.89±0.85 51.66±1.95 63.50±0.76 49.64±2.28 0.063±0.022 0.525±0.103 0.676±0.044 FSPB 59.67±0.99 63.72±0.78 58.85±1.16 50.18±2.21 63.25±0.92 48.41±2.32 0.079±0.018 0.560±0.093 0.682±0.038差值 1.65% 0.18% 1.74% 2.87% 0.39% 2.48% -25.08% -6.59% -0.78%t值 4.949 0.281 5.991 7.896 0.585 4.445 -2.818 -4.336 -0.37 P值 0.008 0.793 0.004 0.001 0.59 0.011 0.048 0.012 0.73

表2 食管癌2種算法危及器官劑量比較（±s）

表2 食管癌2種算法危及器官劑量比較（±s）

算法 肺V5/% 肺V10/% 肺V20/% 肺V30/% 肺D mean/Gy脊髓D max/Gy心臟V30/%心臟V40/%心臟D mean/Gy XVMC 47.8±19.35 36.6±13.96 20.63±7.81 10.48±4.71 10.75±3.7 43.27±1.66 5.32±5.88 2.75±3.6 6.65±6.48 FSPB 43.52±16.28 33.78±12.64 18.47±6.83 9.426±4.41 9.69±3.34 42.21±2.31 4.94±5.85 2.53±3.57 6.08±6.03差值 8.96% 7.71% 10.46% 10.06% 9.84% 2.43% 7.11% 8.01% 8.69%t值 2.086 2.855 3.708 4.692 4.97 2.95 1.442 2.038 2.354 P值 0.105 0.046 0.021 0.009 0.008 0.042 0.223 0.111 0.078

2.2 危及器官劑量分布

對(duì)于食管癌：心臟的各項(xiàng)指標(biāo)和肺V5，XVMC算法和FSPB算法的結(jié)果沒(méi)有顯著性差異（P＞0.05）；其余各項(xiàng)指標(biāo)，XVMC算法結(jié)果均高于FSPB算法結(jié)果（P＜0.05），肺的指標(biāo)中最大差值達(dá)到10%，詳見(jiàn)表3。對(duì)于直腸癌：XVMC算法結(jié)果均高于FSPB算法結(jié)果（P＜0.05），差值小于 3%，詳見(jiàn)表 4。

表3 直腸癌2種算法靶區(qū)劑量比較（±s）

表3 直腸癌2種算法靶區(qū)劑量比較（±s）

算法 D95%/Gy D2%/Gy D98%/Gy D95%/Gy D2%/Gy D98%/Gy HIPTV1 CIPTV1 CIPTV2 PTV1PTV2 XVMC 51.84±0.47 53.55±0.51 51.51±0.46 46.72±0.39 53.09±0.46 46.1±0.43 0.039±0.011 0.357±0.034 0.719±0.063 FSPB 51.38±0.5 53.13±0.5 51.01±0.52 45.68±0.27 52.68±0.48 45.09±0.31 0.041±0.011 0.431±0.027 0.713±0.05差值 0.89% 0.78% 0.97% 2.21% 0.77% 2.20% -5.11% -20.78% 0.73%t值 4.243 2.904 4.255 18.003 4.740 11.36 -1.287 -6.630 0.447 P值 0.013 0.044 0.013 00.000 0.009 00.00 00.268 -0.003 0.678

表4 直腸癌2種算法危及器官劑量比較（±s）

表4 直腸癌2種算法危及器官劑量比較（±s）

算法 小腸D max/Gy 小腸V50/% 膀胱V50/% 左股骨頭V50/% 右股骨頭V50/%XVMC 44.66±3.53 48.89±0.69 40.57±5.27 41.46±4.39 43.61±1.60 FSPB 43.39±3.67 47.46±0.79 39.64±5.38 40.62±4.34 42.37±1.74差值 2.84% 2.92% 2.28% 2.02% 2.84%t值 17.579 16.94 8.251 10.609 15.096 P值 000.00 00.00 0.001 00.000 00.000

3 討論

XVMC算法能反映機(jī)器特性和患者屬性，能完全模擬所有粒子的運(yùn)輸過(guò)程，計(jì)算和存儲(chǔ)每個(gè)粒子在每個(gè)體素中吸收能量的累加，具有極高的計(jì)算精度，相對(duì)計(jì)算耗時(shí)，達(dá)到數(shù)小時(shí)。FSPB算法加入了橫向和縱向的三維密度修正，例如側(cè)向電子不平衡導(dǎo)致射野半影增大的修正因子，提高了不均勻組織的劑量計(jì)算精度。

本文研究顯示，對(duì)于食管癌和直腸癌的旋轉(zhuǎn)容積調(diào)強(qiáng)治療，在相同的射野參數(shù)設(shè)置、優(yōu)化通量和機(jī)器跳數(shù)下，除了適形度和均勻性外，F(xiàn)SPB算法在2種病例其余所有指標(biāo)數(shù)值上都低于XVMC算法。FSPB算法未能考慮到準(zhǔn)直器散射以及計(jì)算點(diǎn)周?chē)M織散射線(xiàn)等的影響，同時(shí)不能精確模擬葉片運(yùn)動(dòng)和MLC詳細(xì)信息，而旋轉(zhuǎn)容積調(diào)強(qiáng)在治療中機(jī)架和MLC是連續(xù)變化的。在食管癌的靶區(qū)和脊髓、直腸癌的靶區(qū)和危及器官，各項(xiàng)指標(biāo)差值都小于3%，2種病例的靶區(qū)最大劑量D2%和直腸癌的PTV1等各項(xiàng)指標(biāo)差值均小于1%，而在肺部有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的各種指標(biāo)上，最大差值達(dá)到10%。D2%位于PTV1中心內(nèi)，PTV2相比PTV1包裹了更多低密度組織，食管癌的PTV2包裹了部分低密度的肺組織，直腸癌的PTV2包裹了部分低密度的氣腔。說(shuō)明FSPB算法在低密度組織的劑量計(jì)算中，由于缺乏電子傳輸模型和未考慮二次建成效應(yīng)的原因，導(dǎo)致精度不高，Jelen的研究也驗(yàn)證了這點(diǎn)。CHEN Hui-xiao等[15]使用Precise Plan的XVMC算法和Eclipse的PB算法比較了肺部立體定向放療（SBRT）15MV的劑量分布，并用不均勻模體和膠片測(cè)量驗(yàn)證劑量。在小病灶劑量計(jì)算上，XVMC算法比PB算法更精確，PB算法欠估計(jì)肺的劑量，過(guò)高估計(jì)靶區(qū)劑量。Imad等[16]使用Brain LAB系統(tǒng)的PB算法和XVMC算法對(duì)肺、腦、前列腺和頭頸的病例進(jìn)行了6MV靜態(tài)調(diào)強(qiáng)的劑量學(xué)比較，然后移植到不均勻模體驗(yàn)證劑量，并采用gamma分析方法比較通過(guò)率，發(fā)現(xiàn)腦、前列腺和頭頸的病例，2種算法劑量分布差值在5%以?xún)?nèi)，而肺部病例中，靶區(qū)和肺的劑量差值較大，但靶區(qū)中心點(diǎn)的劑量差值在7%以?xún)?nèi)。

綜上所述，無(wú)論食管癌還是直腸癌的VMAT計(jì)劃，XVMC算法的劑量計(jì)算值均高于FSPB算法，且更為精確。對(duì)于計(jì)算區(qū)域含有低密度組織較少的病例，F(xiàn)SPB算法和XVMC算法的差值在3%以?xún)?nèi)，而XVMC算法在VMAT的劑量計(jì)算中，耗時(shí)嚴(yán)重，效率較低，在腦、前列腺、直腸等病例中，權(quán)衡效率和精度，可以適時(shí)選擇性地使用FSPB算法進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于計(jì)算區(qū)域含有低密度組織較多的病例，F(xiàn)SPB算法與XVMC算法差值較大，尤其是低密度組織的劑量計(jì)算結(jié)果。在臨床VMAT治療中，還是優(yōu)先推薦更為精確的XVMC算法進(jìn)行劑量計(jì)算。

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