Monaco計劃系統(tǒng)計算網(wǎng)格對頭頸部腫瘤小體積危及器官的劑量學(xué)影響

裴運通，胡金炎，馬陽光，王海洋，劉樂樂，姬騰飛，郭躍信

鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射治療部，河南鄭州453003

前言

當(dāng)前計劃設(shè)計CT 圖像以三維矩陣形式離散化存儲，計劃系統(tǒng)通過計算網(wǎng)格控制計算點大小進(jìn)行劑量計算［1-3］。當(dāng)計算網(wǎng)格增大時，由于計算點插值的影響及體積平均效應(yīng)，劑量計算誤差可能增大［4-6］。盡管一些研究探討了計算網(wǎng)格大小對劑量分布的影響，但多數(shù)針對靶區(qū)［7-9］。計算網(wǎng)格設(shè)置對小體積、放射敏感的危及器官（OAR），如耳蝸、晶體、視神經(jīng)、視交叉等器官影響卻缺少相應(yīng)研究。再者，當(dāng)靶區(qū)附近存在放射敏感OAR 時，治療計劃一般采用調(diào)制能力更強的VMAT或IMRT技術(shù)，這樣就在靶區(qū)與OAR 之間產(chǎn)生陡峭的劑量梯度，而劑量梯度也跟計算網(wǎng)格有關(guān)［10］，因而計算網(wǎng)格的設(shè)置對放射敏感小體積OAR 劑量學(xué)影響也更為顯著［11］。但是，更小的計算網(wǎng)格在提高劑量計算準(zhǔn)確性的同時也會增加劑量計算時間，降低計劃設(shè)計效率［12-13］。本研究利用一種商業(yè)化的治療計劃系統(tǒng)Monaco 研究計算網(wǎng)格大小對頭頸部腫瘤小體積OAR（晶體、視神經(jīng)和視交叉）的劑量學(xué)影響，試圖確定一種合適的計算網(wǎng)格以兼顧劑量計算準(zhǔn)確性和效率。

1 材料與方法

1.1 病例選擇

選取既往在鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院進(jìn)行放療的10 例頭頸部NKT（結(jié)外NK/T 細(xì)胞淋巴瘤）病例，西門子64 排大孔徑CT（SOMATOM Definition AS）以3 mm 層厚獲得掃描圖像。這些病例共有特點是晶體、視神經(jīng)接近靶區(qū)，接受60 Gy常規(guī)分割治療（單次2 Gy，5次/周，共30次）。

1.2 VMAT計劃設(shè)計

靶區(qū)和OAR 由醫(yī)生在Eclipse 13.5 醫(yī)生工作站手動勾畫，晶體3 mm的外擴形成計劃敏感器官體積（PRV），掃描圖像和結(jié)構(gòu)傳至Monaco 5.1.11 計劃系統(tǒng)進(jìn)行VMAT 計劃設(shè)計。計劃投照機器為醫(yī)科達(dá)Versa HD，其配備Agility機頭具有80對多葉光柵，等中心葉片厚度為5 mm，射線能量選擇6 MV光子線，劑量計算算法為Monte Carlo，統(tǒng)計不確定性（statistical uncertainty）定為0.5%，采用共面的1 射束2 弧（1 beam 2 arc）方式，弧的角度為360°，射束增量（increment）為30°。

實驗分為兩組：（1）A 組：計算網(wǎng)格等于3 mm 制作放療計劃，然后復(fù)制計劃將計算網(wǎng)格改為1、2、4、5 mm 重新計算得到新計劃，每個病例得到5 個不同計算網(wǎng)格計劃；（2）B 組：計算網(wǎng)格等于1、2、3、4、5 mm 重新優(yōu)化得到新放療計劃，每個病例也得到5個不同計算網(wǎng)格放療計劃。A、B兩組各個計劃優(yōu)化參數(shù)保持不變，歸一到處方劑量包繞95%靶區(qū)體積。

1.3 數(shù)據(jù)獲取和分析

統(tǒng)計晶體、晶體PRV和視神經(jīng)的最大劑量、最小劑量、平均劑量等劑量學(xué)參數(shù)，以及計劃優(yōu)化時間、靶區(qū)適形度指數(shù)（CI）和均勻性指數(shù)（HI），并對2、3、4及5 mm計算網(wǎng)格的劑量學(xué)參數(shù)與1 mm計算網(wǎng)格的劑量學(xué)參數(shù)作配對t檢驗。CI和HI計算方法如式（1）和式（2）所示：

其中，TV為靶區(qū)體積，VRx為接受處方劑量照射的靶區(qū)體積，VRI為接受處方劑量照射的體積，D5為5%靶區(qū)體積接受的劑量，D95為95%靶區(qū)體積接受的劑量。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 22軟件對以上所有結(jié)果進(jìn)行配對t檢驗統(tǒng)計分析，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

A、B兩組實驗VMAT計劃劑量學(xué)參數(shù)及優(yōu)化時間、CI、HI等特征參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果見圖1～圖3和表1～表5。圖1左側(cè)顯示不同計算網(wǎng)格下晶體及其PRV最大劑量平均值與標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨勢，晶體及其PRV在1～3 mm計算網(wǎng)格范圍內(nèi)變化不明顯，4～5 mm計算網(wǎng)格范圍內(nèi)明顯上升，且晶體PRV的變化范圍大于晶體導(dǎo)致兩者差值顯著增大，標(biāo)準(zhǔn)差變動范圍也具有類似變化規(guī)律。圖1右側(cè)顯示不同計算網(wǎng)格下視神經(jīng)及視交叉最大劑量平均值與標(biāo)準(zhǔn)差變化趨勢，兩組實驗視神經(jīng)及視交叉在1～5 mm計算網(wǎng)格內(nèi)變化均不明顯，且重新計算（A組）的最大劑量平均值大于重新優(yōu)化（B組），4～5 mm計算網(wǎng)格下這種情形表現(xiàn)得更為明顯。

圖1 A、B兩組實驗不同計算網(wǎng)絡(luò)下晶體及PRV、視神經(jīng)和視交叉最大劑量平均值與標(biāo)準(zhǔn)差（“+”代表B組實驗結(jié)果）Fig.1 The average and standard deviation of the maximum dose of lens,planning organ at risk volume(PRV)of lens,optic chiasm and optic nerve under different grids in groups A and B("+"was the results of group B)

表1統(tǒng)計A組實驗其它計算網(wǎng)格與1 mm計算網(wǎng)格OAR最大劑量平均值配對t檢驗結(jié)果。對于劑量限值嚴(yán)格的晶體及晶體PRV，2 mm與1 mm計算網(wǎng)格配對t檢驗除右晶體PRV外，其它OAR均無統(tǒng)計學(xué)差異，3 mm與1 mm計算網(wǎng)格配對t檢驗所有OAR均無統(tǒng)計學(xué)差異，而4 mm和5 mm計算網(wǎng)格與1 mm計算網(wǎng)格配對t檢驗均有統(tǒng)計學(xué)差異；對于劑量限值較寬松的視神經(jīng)和視交叉，右視神經(jīng)在2 mm與1 mm計算網(wǎng)格配對t檢驗存在顯著性差異，視交叉在2 mm與1 mm及5 mm與1 mm計算網(wǎng)格配對t檢驗存在顯著性差異，而所有其它配對t檢測結(jié)果P值均大于0.05。

圖2 A、B兩組實驗不同計算網(wǎng)格下左晶體PRV與右視神經(jīng)劑量最大值（數(shù)據(jù)歸一到1 mm，P1-P10代表10個病例，“虛線+紅色圓圈”代表的是10個病例的平均值）Fig.2 Maximum doses of PRV of the left lens and the right optic nerve in groups A and B(all data were normalized to 1 mm;P1-P10 indicated 10 cases,and the average value of 10 cases was represented by"dashed line+red circle")

圖3 A、B兩組實驗不同計算網(wǎng)格下10個病例計劃靶區(qū)CI和HI的平均值Fig.3 Average value of CI and HI of target areas in 10 cases under different dose grids in groups A and B

表1 A組OAR其它計算網(wǎng)格與1 mm計算網(wǎng)格最大劑量平均值配對t檢驗（P值）Tab.1 Paired t test(P value)on the average of the maximum dose of OAR in group A between 1 mm grid and other grids

表2 B組OAR其它計算網(wǎng)格與1 mm計算網(wǎng)格最大劑量平均值配對t檢驗（P值）Tab.2 Paired t test(P value)of the average of the maximum dose of OAR in group B between 1 mm grid and other grids

表3 A、B兩組實驗其它計算網(wǎng)格與1 mm計算網(wǎng)格CI和HI配對t檢驗（P值）Tab.3 Paired t test(P value)of CI and HI between 1 mm grid and other grids in groups A and B

表2統(tǒng)計B組實驗其它計算網(wǎng)格與1 mm計算網(wǎng)格OAR最大劑量平均值配對t檢驗結(jié)果。表2統(tǒng)計B組實驗其它計算網(wǎng)格與1 mm 計算網(wǎng)格OAR 最大劑量平均值配對t檢驗結(jié)果。除了右視神經(jīng)在2 mm與1 mm、右晶體PRV 在4 mm 與1 mm 以及視神經(jīng)在5 mm與1 mm之間配對t檢驗不存在顯著性差異外，表2具有與表1相同的統(tǒng)計學(xué)規(guī)律。

A、B兩組實驗各個病例左晶體PRV和右視神經(jīng)平均劑量見圖2，其它計算網(wǎng)格平均劑量均歸一到1 mm計算網(wǎng)格。左晶體PRV平均劑量在1～3 mm范圍內(nèi)有緩慢上升（小于4%），而在4～5 mm 范圍內(nèi)左晶體PRV上升趨勢增大（約15%），左、右晶體及右晶體PRV 變化規(guī)律與之類似。右視神經(jīng)在1～5 mm范圍平均劑量無明顯變化，左視神經(jīng)和視交叉也有類似的變化規(guī)律。結(jié)合圖1和圖2，相較于視神經(jīng)和視交叉，晶體及PRV對計算網(wǎng)格的變化較為敏感。

表4 A、B兩組實驗不同計算網(wǎng)格劑量重新計算和計劃重新優(yōu)化時間Tab.4 Time for dose recalculation and re-optimization in groups A and B with different grids

表5 1 mm計算網(wǎng)格下A組與B組OAR劑量學(xué)參數(shù)配對t檢驗（P值）Tab.5 Paired t test(P value)on the dose parameters of OAR in groups A and B with 1 mm grid

圖3顯示A、B兩組實驗HI和CI在不同計算網(wǎng)格下的變化情況，表3統(tǒng)計A、B 兩組實驗其它計算網(wǎng)格與1 mm計算網(wǎng)格HI和CI配對t檢驗結(jié)果。1～3 mm計算網(wǎng)格范圍內(nèi)HI和CI均無明顯變化，HI、CI 在2 mm和3 mm計算網(wǎng)格與1 mm計算網(wǎng)格配對t檢驗無顯著性差異，而HI在4～5 mm計算網(wǎng)格范圍內(nèi)明顯上升，CI在4～5 mm計算網(wǎng)格范圍內(nèi)顯著下降，其與1 mm計算網(wǎng)格配對t檢驗結(jié)果除A組HI外均有統(tǒng)計學(xué)差異。

不同計算網(wǎng)格下A 組劑量重新計算時間與B 組計劃重新優(yōu)化時間見表4。A、B 兩組耗費時間隨計算網(wǎng)格增大呈指數(shù)下降，對于A 組實驗計算網(wǎng)格1 mm 劑量重新計算時間是3 mm 的33 倍，對于B 組實驗計算網(wǎng)格1 mm 計劃重新優(yōu)化時間是3 mm 的21倍。

表5統(tǒng)計了A、B 兩組實驗1 mm 計算網(wǎng)格OAR最大劑量、最小劑量和平均劑量配對t檢驗結(jié)果，顯示A、B兩組實驗OAR劑量學(xué)參數(shù)均無統(tǒng)計學(xué)差異。

3 討論

本文主要研究Monaco 計劃系統(tǒng)里計算網(wǎng)格設(shè)置對小體積危及器官的劑量學(xué)影響，通過A、B 兩組實驗來評估其影響大小。有文獻(xiàn)表明Monaco 計劃系統(tǒng)計算網(wǎng)格為1 mm、統(tǒng)計不確定性為0.5%時，計算結(jié)果與實際測量值極為接近［14-15］，因此本研究以1 mm計算網(wǎng)格得出劑量學(xué)數(shù)值為參考數(shù)據(jù)。

對于劑量限值嚴(yán)格的晶體及其PRV，A、B 兩組實驗各劑量學(xué)參數(shù)在2～3 mm計算網(wǎng)格與1 mm計算網(wǎng)格除A組2 mm右晶體PRV外均沒有統(tǒng)計學(xué)差異，在4～5 mm 計算網(wǎng)格與1 mm 計算網(wǎng)格除4 mm 右晶體PRV外均有統(tǒng)計學(xué)差異。對于劑量限值較寬松的視神經(jīng)和視交叉在2～3 mm計算網(wǎng)格與1 mm計算網(wǎng)格除A組2 mm右視神經(jīng)和視交叉以及B組2 mm視交叉外均無統(tǒng)計學(xué)差異。在4～5 mm 計算網(wǎng)格與1 mm 計算網(wǎng)格除A 組5 mm 視交叉外均無統(tǒng)計學(xué)差異。HI和CI顯現(xiàn)與晶體及其PRV類似規(guī)律，同樣在2～3 mm計算網(wǎng)格與1 mm計算網(wǎng)格除B組CI外均無統(tǒng)計學(xué)差異，4～5 mm計算網(wǎng)格與1 mm計算網(wǎng)格除A組HI外均有統(tǒng)計學(xué)差異。因此，當(dāng)計算網(wǎng)格較大時，計劃質(zhì)量要比患者實際投照的計劃（計算網(wǎng)格為1 mm的計劃）質(zhì)量較差，特別是對于一些小體積放射敏感的OAR如晶體等。同時，由于它們較小的劑量限值，臨床醫(yī)生對這些OAR 的劑量值往往特別關(guān)注，當(dāng)計算網(wǎng)格較大，這些OAR 的劑量值超過臨床劑量限值時就會使得醫(yī)生在腫瘤控制率與危及器官并發(fā)癥之間折中，導(dǎo)致一部分病人失去治愈的機會。

通過A、B 兩組數(shù)據(jù)的分析，同樣都是小體積OAR，劑量限量較嚴(yán)的晶體及其PRV 相對于劑量限量較松的視神經(jīng)和視交叉對計算網(wǎng)格的大小變化更加敏感?？赡苁怯捎谟嬎憔W(wǎng)格會導(dǎo)致劑量分布的體積平均效應(yīng)，臨床限量較嚴(yán)的OAR 外的劑量快速增加存在著較大的劑量梯度，當(dāng)計算網(wǎng)格的增大，一部分高劑量值的像素點被包進(jìn)OAR內(nèi)，導(dǎo)致OAR的劑量體積參數(shù)增大，而晶體的劑量限值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于視神經(jīng)和視交叉的劑量限值，在晶體附近劑量梯度要比視通路神經(jīng)器官附近的劑量梯度更為陡峭，所以隨著計算網(wǎng)格的增大，晶體的劑量變化幅度要明顯大于視通路神經(jīng)器官的劑量變化幅度。

盡管小的計算網(wǎng)格會最小化劑量梯度和體積平均效應(yīng)的影響導(dǎo)致更為精確的劑量分布［16-18］，但是小的計算網(wǎng)格會嚴(yán)重影響計算效率，特別是體積較大、控制點多的VMAT 計劃，這需要我們在計算精度與計算效率之前平衡［19-21］。本研究中發(fā)現(xiàn)，Monaco 計劃系統(tǒng)中對于頭頸部鼻腔NKT 計算網(wǎng)格大小為3 mm在計算精度上是可行的。在當(dāng)前醫(yī)院所使用的計算機軟硬件配置系統(tǒng)上，3 mm 計算網(wǎng)格的計算時間要比1 mm提高數(shù)十倍，綜合考慮計算效率和計算精度，3 mm 計算網(wǎng)格大小對于頭頸部腫瘤來說是一個可行的方案。

通過表4可知，A、B 兩組實驗1 mm 計算網(wǎng)格OAR劑量學(xué)參數(shù)均無統(tǒng)計學(xué)差異，A組得到1 mm結(jié)果所耗費的時間是B組得到1 mm結(jié)果耗費時間的4倍。臨床應(yīng)用時如果需要知道更小計算網(wǎng)格下的劑量分布，采用較大計算網(wǎng)格優(yōu)化并減小計算網(wǎng)格重新計算劑量而不是重新優(yōu)化是一種合適的選擇。

綜上所述，臨床工作中兼顧劑量計算精度與工作效率，Monaco 計劃系統(tǒng)中頭頸部腫瘤計算網(wǎng)格為3 mm 是合適的，即能夠在滿足劑量計算精度的同時也能提高優(yōu)化速度。劑量限值嚴(yán)格的OAR對計算網(wǎng)格大小設(shè)置較為敏感，在臨床實踐時需要特別加以考慮。由于本文中所有放療計劃在制作過程中采用的是VMAT技術(shù)，至于IMRT技術(shù)是否支持本文結(jié)果有待進(jìn)一步研究。