ASC算法在鼻咽癌容積調強放射治療中的應用

朱皓，賈曉斌，朱偉華，張震，韓增偉

1.瓦里安醫(yī)療系統(tǒng)公司臨床應用培訓部，北京102600；2.上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院放療科，上海201900

前言

自Cameron［1］、Ulrich等［2］與Otto［3］提出旋轉機架調強放射治療（Volumetric Moderated Arc Therapy,VMAT）概念后，主流的治療計劃系統(tǒng)將VMAT作為重要的技術手段納入商用［4-6］。相較于調強放射治療，VMAT降低了投照機器跳數，縮短了治療時間，提高了投照效率［7-9］。受機頭旋轉速度、多葉準直器（Multileaf Collimator,MLC）運動精度等影響［10-11］，VMAT 對相鄰控制點（Control Point,CP）的葉片對和相鄰葉片間的伸縮變化有嚴格限制。因此，高復雜度計劃往往會導致MLC調制難度增加，降低投照效率［12］。Varian Eclipse v15.5內置了射束形態(tài)控制器（Aperture Shape Controller,ASC），顯著降低了優(yōu)化過程中MLC序列運動復雜度，提高了劑量投照的準確度。本研究選取40例鼻咽癌患者，評估靶區(qū)及危及器官的劑量學差異，基于Eclipse腳本編譯分析不同ASC權重取值對計劃復雜度和射束不規(guī)則度的影響，探討ASC算法在鼻咽癌臨床治療中的應用。

1 材料與方法

1.1 病例選取

選取從2017年6月到2019年5月的上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院放療科收治的40例鼻咽癌患者。其中，男26例，女14例；年齡45～75歲（中位年齡63 歲）；TNM 分期為T3N0-2M0。所有病例數據均經病理證實并簽署知情同意書。

1.2 CT定位與圖像獲取

取仰臥位于頭頸肩固定板，頭部覆蓋熱網膜固定。CT 掃描范圍從顱底骨到第七頸椎下緣，掃描層厚2.5 mm。由放療科同一醫(yī)師參照國際輻射單位及測量委員會（ICRU）83 號報告勾畫原發(fā)腫瘤靶區(qū)（GTVnx）、頸部轉移性淋巴結（GTVnd）、高危臨床靶區(qū)（CTV1）、頸部淋巴預防靶區(qū)（CTV2）和正常組織。GTVnx 外擴3 mm 命名PGTVnx，GTVnd 外擴3 mm命名PGTVnd，PGTV69=PGTVnx+PGTVnd；由CTV1外擴0.3 cm獲得計劃臨床靶區(qū)PCTV1；由CTV2外擴0.3 cm獲得計劃預防靶區(qū)PCTV2。

1.3 ASC

ASC 是Eclipse v15.5 計劃系統(tǒng)中光子優(yōu)化（Photon Optimization，PO）算法VMAT 葉片序列優(yōu)化器的一個組成部分，本質上屬于對葉片曲率進行罰分優(yōu)化的一種算法。如圖1所示，MLC 射野中相鄰葉片尖端投影位置一致，定義為葉片局部曲率系數為0；菱形MLC 射野中相鄰葉片尖端投影位置改變，定義為葉片局部曲率系數非0；橢圓形射野相鄰葉片投影位置差異增大，葉片局部曲率系數也隨之增加。臨床實際應用中，ASC 調節(jié)空間連續(xù)相鄰葉片的尖端位置，對射野中葉片投影局部曲率不為0的相鄰葉片進行罰分，從而獲得最小局部曲率的孔徑。

圖1 MLC局部曲率系數示意圖Fig.1 Schematic diagrams of local curvature coefficient of multileaf collimator

1.4 計劃設計

采用Eclipse v15.5 計劃系統(tǒng)進行計劃設計。每例病人做6 組VMAT 計劃，對照組（ASC-no）ASC 設置為off；實驗I組（ASC-verylow）ASC 設置為verylow；實驗Ⅱ組（ASC-low）ASC 設置為low；實驗Ⅲ組（ASC-moderate）ASC 設置為moderate；實驗Ⅳ組（ASC-high）ASC 設置為high；實驗V組（ASCveryhigh）ASC 設置為veryhigh，所有計劃優(yōu)化參數相同。所有治療采用RapidArc 雙弧照射，第一段弧順時針由181°到179°，準直器設置為5°；第二段弧逆時針由179°到181°，準直器設置為355°；每段弧默認178 控制點。劑量率600 MU/min，啟用GPU 加速，劑量計算采用Acuros 外照射光子劑量（Acuros External Beam,AXB）算法。

1.5 結果評估

所有計劃歸一于PGTV69 處方劑量覆蓋95%靶區(qū)體積。計劃靶區(qū)（PTV）劑量學評估包括靶區(qū)適形度指數（Conformity Index,CI）和靶區(qū)均勻性指數（Homogeneity Index,HI）。

PTV的CI定義為：其中，VT.ref表示處方劑量包含PTV 體積；Vref表示處方劑量覆蓋總體積；VT表示計劃靶區(qū)體積。CI數值趨近于1表示適形度越好。

PTV的HI定義為：其中，D2表示2%的靶區(qū)體積對應的劑量；D50表示50%的靶區(qū)體積對應的劑量；D98表示98%的靶區(qū)體積對應的劑量。HI數值趨近0表明均勻性越好。

RapidArc 模式下，機架角度與MLC 位置隨時間不停變化，為了方便評估計劃結果，本研究以控制點中MLC 形成射野形態(tài)的定義為RapidArc 射束孔（Aperture），其不規(guī)則度定義為［13］：其中，AI表示射束孔不規(guī)則度；AP 表示射束孔的周長；AA表示射束孔的面積。

計劃復雜度定義為［14］：

其中，PCI表示調制復雜度；MUtot代表當前射野總機器跳數數；i表示射野中CP 值；MUi表示第i組CP 射束孔投照機器跳數。

1.6 腳本編譯

評估ASC 算法的作用效果不僅需要統(tǒng)計每個計劃的劑量學參數，還要計算出射束孔不規(guī)則度與計劃復雜度。Eclipse 的應用程序腳本（Eclipse Scripting Application Programming Interface,ESAPI）能夠提高臨床工作人員的工作效率［15］。本研究采用ESAPI以及新功能可視化腳本v15.5（Visual Scripting）兩種編譯手段?？梢暬_本用于劑量學統(tǒng)計，ESAPI腳本應用于射束孔不規(guī)則度與計劃復雜度計算并導出為.CSV文件。ESAPI腳本編譯語言采用C#，編譯軟件為Microsoft Visual Studio 2015。兩種方式均在Eclipse 外照射工作區(qū)中運行，其中ESAPI腳本為下拉菜單欄中“Tools/Scripts”；可視化腳本為下拉菜單欄中“Tools/Visual Scripting”。

1.7 統(tǒng)計學方法

通過IBM SPSS19 軟件對上述劑量學參數采用相關非參數檢驗中的Wilcoxon 秩和檢驗及雙側顯著性檢驗，P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結果

6組計劃的劑量學結果及統(tǒng)計學結果見表1和表2。與對照組（ASC-no）對比，實驗組PGTV69的CI未有統(tǒng)計學差異；實驗組PGTV69 和PCTV1 的HI均存在統(tǒng)計學差異（P＜0.05）；對于PCTV2的HI，實驗組中ASC-low、ASC-moderate 和ASC-high 存在統(tǒng)計學差異（P＜0.05）。危及器官中，脊髓Dmax、喉Dmean、左側腮腺Dmean僅ASC-veryhigh 存在統(tǒng)計學差異（P＜0.05）；ASC-verylow 的腦干Dmax存在統(tǒng)計學差異（P＜0.05）；ASC-low 的右側腮腺V30存在統(tǒng)計學差異（P＜0.05）；ASC-verylow 和ASC-veryhigh 的晶狀體Dmax存在統(tǒng)計學差異（P＜0.05）；ASC-moderate、ASC-high 和ASC-veryhigh 的垂體Dmax存在統(tǒng)計學差異（P＜0.05）。此外實驗組計劃中，ASC-verylow 組和ASC-low 組總機器跳數存在統(tǒng)計學差異，其余各實驗組變化差異無統(tǒng)計學差異。

圖2中的ASC 設置權重值從no 到veryhigh。由圖可知，計劃復雜度因子呈現降低趨勢，PGTV69 和PCTV1的HI呈現增加趨勢。

3 討論

針對VMAT計劃復雜度問題，國內外學者提出多種方法提高VMAT計劃的優(yōu)化效率與傳輸準確性［16-17］?；谙嚓P研究，各治療計劃系統(tǒng)VMAT模塊均內置了MLC序列優(yōu)化算法，諸如Pinnacle中的直接子野優(yōu)化（Direct Aperture Optimization,DAO）算法和Monaco中的子野形態(tài)優(yōu)化（Segment Shape Optimization,SSO）算法等。然而，早期Eclipse中并未內置相關算法，物理師只能通過MU objective函數來降低計劃復雜度。然而，計劃機器跳數無法直觀反映MLC形態(tài)結構變化復雜性。尤其是鼻咽癌等靶區(qū)與危及器官交疊的計劃，計劃復雜度不僅受機器跳數影響，更會受每個控制點的射束孔形態(tài)直接影響。Eclipse 15.5內置了ASC算法，通過限制MLC相鄰葉片變化曲率的方式顯著降低了雙側葉片間交錯，影響每個控制點射束孔形態(tài)，并最終降低計劃復雜度。隨著Eclipse 15.5在國內的逐漸普及，如何進一步評價ASC算法在臨床上的應用需要通過相應的臨床劑量學參數作為參考依據。

表1 6組計劃的劑量學比較（±s）Tab.1 Dosimetric comparison among 6 groups(Mean±SD)

表1 6組計劃的劑量學比較（±s）Tab.1 Dosimetric comparison among 6 groups(Mean±SD)

項目PGTV69 PCTV1 PCTV2脊髓腦干喉左側腮腺右側腮腺晶狀體垂體總機器跳數/MU參數CIHIHIHIDmax/Gy Dmax/Gy V50/%Dmean/Gy Dmean/Gy V30/%Dmean/Gy V30/%Dmax/Gy Dmax/Gy ASC-no 0.940±0.040 0.049±0.003 0.094±0.004 0.102±0.007 37.990±0.720 49.030±1.050 0.010±0.002 30.560±1.120 22.840±1.350 18.910±1.840 22.610±1.340 17.800±1.270 5.160±1.010 48.220±4.020 619.700±57.800 ASC-verylow 0.940±0.040 0.050±0.003 0.095±0.004 0.102±0.007 38.140±0.580 48.520±1.070 0.015±0.005 30.520±1.110 22.790±1.280 20.110±1.170 22.480±1.220 16.100±1.560 5.020±0.980 48.280±4.290 606.400±46.700 ASC-low 0.930±0.030 0.051±0.003 0.095±0.004 0.103±0.007 37.950±0.550 48.870±1.120 0.015±0.006 30.530±1.120 22.860±1.290 19.900±1.110 22.550±1.130 16.500±1.310 5.080±1.010 48.280±4.000 604.100±46.000 ASC-moderate 0.930±0.040 0.052±0.003 0.097±0.004 0.107±0.008 38.090±0.720 48.980±1.070 0.015±0.005 30.660±1.130 22.830±1.370 19.930±1.210 23.270±2.580 17.600±1.410 5.170±1.070 48.580±3.860 601.000±52.700 ASC-high 0.940±0.030 0.052±0.004 0.099±0.004 0.108±0.007 37.810±0.620 49.080±1.100 0.019±0.007 30.770±1.230 22.940±1.410 20.200±1.500 23.030±2.610 16.770±1.710 5.190±1.050 48.740±3.390 603.000±42.700 ASC-veryhigh 0.920±0.050 0.060±0.006 0.113±0.008 0.117±0.010 39.000±0.760 48.940±1.080 0.023±0.007 31.500±1.540 23.090±1.340 19.250±1.380 23.120±2.290 17.300±1.590 5.740±1.620 49.560±2.780 577.600±49.900

表2 6組計劃統(tǒng)計學比較Tab.2 Statistic comparison among 6 groups

圖2 計劃復雜度、PGTV69 HI與PCTV1 HI變化圖Fig.2 Variations of plan complexity index,HI of PGTV69 and HI of PCTV1

本研究比較了6 種不同權重條件下ASC 算法在鼻咽癌VMAT 中的應用。結果表明，在同步推量的鼻咽癌計劃中，ASC 算法顯著影響靶區(qū)均勻性，對PGTV69 的適形度未產生顯著影響。依據相關研究，VMAT 控制點大于150 時，計劃靶區(qū)適形度差異顯著降低［18］。Eclipse 的Rapidarc 雙全弧默認控制點為356，故所有計劃中PGTV69 適形度無顯著性差異。此外，鼻咽癌靶區(qū)靠近腮腺、喉等重要器官，因此靶區(qū)高劑量對危及器官有較大影響。有研究表明鼻咽癌放療時，腮腺放射性口干的發(fā)生概率和程度主要與腮腺Dmean有關［19］，放射性咽喉損傷與喉Dmean有關。本研究中，ASC-veryhigh 組的左側腮腺、喉的Dmean較對照組分別高約1.1%、3.1%，且存在統(tǒng)計學差異（P＜0.05），增加了左側腮腺、喉發(fā)生放射性損傷的風險。

ASC算法從兩方面影響計劃復雜度。首先，ASC降低了MLC 間的交錯區(qū)域，提高了每個控制點中單個射束孔面積。如圖3所示，ASC 設置從no 到veryhigh，各個CP 中島形野數目顯著降低，單個孤島射束孔面積增加，這提高了計劃投照效率，降低了計劃復雜度（圖2a）［20］。從計劃機器跳數分析，相較于對照組，ASC-verylow 組和ASC-low 組的機器跳數存在統(tǒng)計學差異且呈下降趨勢（較對照組分別低2.1%、2.5%），表明ASC 算法在一定程度上有利于計劃投照效率和優(yōu)化治療時間。然而，過高的ASC 權重設置反而會降低靶區(qū)劑量學結果。相關研究認為，降低VMAT計劃中射束孔面積將顯著改善靶區(qū)均勻性［18］。PCTV1 與PGTV69 的均勻性指數隨著ASC 變化確實呈現增長趨勢（圖2b 與2c）。ASC-veryhigh 組相較于其他實驗組靶區(qū)均勻度指數變化幅度顯著增加，表明過高權重值ASC對靶區(qū)優(yōu)化無益。

圖3 3種ASC模式下射野觀式圖(機架角度0°)Fig.3 Beam′s eye-view(Gantry 0°)of 3 ASC modes

其次，ASC 算法影響了CP 間射束形態(tài)變化，降低了CP 不規(guī)則度差異，減少了葉片運動中不規(guī)則窄束aperture 對劑量學的影響。如圖4所示，機架360°轉動周期內ASC-no 組射野中射束不規(guī)則度差異最大，ASC-veryhigh 組射野的射束不規(guī)則度差異最小，說明ASC 算法顯著影響計劃射野形態(tài)復雜度。此外，ASC-no組在陰影區(qū)的CP射束形態(tài)不規(guī)則度出現劇烈變化，而ASC-veryhigh 組在陰影區(qū)射束形態(tài)不規(guī)則度變化波動較小，表明ASC 算法能顯著降低CP射束形態(tài)學差異，從而減少MLC葉片運動復雜度。

圖4 不同機架角度下射束不規(guī)則度變化Fig.4 Aperture irregularity changing with different gantry angles

綜上所述，對于鼻咽癌類較為復雜的頭頸部計劃，低權重值ASC 雖然降低了靶區(qū)均勻性，但顯著改善了計劃復雜度和射野不規(guī)則度。ASC 設置為high和veryhigh 時，靶區(qū)均勻度增加，但同時影響其它劑量學指標，其中設置為veryhigh時對均勻性影響更為顯著。綜合考慮計劃質量和投照效率，對于鼻咽癌類型的復雜放療計劃，本研究建議ASC 設置選取verylow、low 和moderate，以保證臨床需求和治療執(zhí)行效率的平衡。