各向異性解析算法與先進外照射光子劑量算法在肺癌VMAT計劃中的劑量學(xué)差異

徐詩磊，張九堂，張俊俊，陳旎

1.湖南省腫瘤醫(yī)院放射物理技術(shù)部，湖南長沙410013；2.中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院放射治療中心，湖南長沙410013

前言

Eclipse 放射治療計劃系統(tǒng)當(dāng)前主要采用各向異性解析算法（Anisotropic Analytical Algorithm,AAA）和先進外照射光子劑量算法（Acuros External Beam Algorithm,AXB）。AAA 是一種基于筆形束卷積的劑量算法并采用卷積/疊加（C/S）方法進行計算，AXB采用數(shù)值分析的方法求解線性波爾茲曼方程得到吸收劑量，得到與蒙特卡羅算法高度一致的模擬結(jié)果。國內(nèi)外已有文獻報道，針對類似于肺組織這種低密度區(qū)域，AXB比AAA更加精確［1-3］。本研究旨在比較AXB 和AAA 在肺癌容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放療（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）計劃中的靶區(qū)和危及器官的劑量學(xué)差異。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

選取20例2017～2018年在湖南省腫瘤醫(yī)院放療中心接受放療的肺癌患者，年齡38～72 歲，中位年齡55 歲，其中，男13例，女7例。均采用VMAT 治療計劃。

1.2 設(shè)備材料

GE Light-speed CT 大孔徑模擬定位機，瓦里安公司Trilogy 醫(yī)用直線加速器及配套的EclipseV13.6計劃系統(tǒng)。

1.3 體位固定及CT掃描

患者采取仰臥位，固定體位采用熱塑型網(wǎng)膜及真空枕，掃描時行靜脈增強造影，層厚3 mm，層距5 mm。CT 圖像采集后，通過DICOM 格式傳輸至Eclipse工作站并進行接收。

1.4 靶區(qū)勾畫

計劃腫瘤區(qū)（Planning Gross Tumor Volume,PGTV）為腫瘤區(qū)（Gross Tumor Volume，GTV）與淋巴結(jié)的大體腫瘤區(qū)（Gross Tumor Volume lymph node,GTVnd）外擴0.5 cm，臨床靶 區(qū)（Clinical Target Volume,CTV）為GTV 與GTVnd 外擴0.6～0.8 cm 以及所有的預(yù)防照射區(qū)域，計劃靶區(qū)（Planning Target Volume,PTV）為CTV 外擴0.5 cm。危及器官主要包括肺、心臟和脊髓。

1.5 處方劑量

處方劑量為：PGTV 2.2 Gy×30次，總劑量66 Gy；PTV 2 Gy×30次，總劑量60 Gy，1周治療5次。

1.6 計劃設(shè)計

采用EclipseV13.6 計劃系統(tǒng)設(shè)計VMAT 治療計劃，并利用在Trilogy 上采集的數(shù)據(jù)進行模擬計算。采用6 MV X 光子線和600 MU/min 的劑量率，兩個?。槙r針181°～179°，逆時針179°～181°），床角度為0°，機架角屏蔽范圍和準(zhǔn)直器角度根據(jù)腫瘤形狀調(diào)整。每個患者用AXB和AAA得到不同的計劃。

1.7 計劃評估

靶區(qū)的評價指標(biāo)：PGTV 最大劑量（PGTVmax）、最小劑量（PGTVmin）、平均劑量（PGTVmean）、適形度指數(shù)（CIPGTV）、均勻性指數(shù)（HIPGTV）。PTV 最大劑量（PTVmax）、最小劑量（PTVmin）、平均劑量（PTVmean）、適形度指數(shù)（CIPTV）。其中，HI=（D2-D98）/D50，D2為2%靶區(qū)受到的最低劑量，D98為98%靶區(qū)受到的最低劑量，D50為50% 靶區(qū)受到的最低劑量，HI 值越小，表示靶區(qū)劑量均勻性越好。CI=（Vt95%/Vt）×（Vt95%/V95%），Vt95%為95%等劑量線所包繞的靶區(qū)體積，Vt為靶區(qū)體積，V95%為95%等劑量線所包繞的所有區(qū)域的體積，CI值越大，表示適形度越好［4］。

危及器官的評價指標(biāo)：雙肺的V5、V20、Dmean，心臟的V30、V40、Dmean，以及脊髓的Dmax。

1.8 統(tǒng)計學(xué)分析

完成AXB 計劃和AAA 計劃后，統(tǒng)計靶區(qū)和危及器官的各項評估指標(biāo)數(shù)據(jù)，應(yīng)用SPSS 22.0 軟件進行統(tǒng)計與分析。計量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，組間采用配對t檢驗，P＜0.05 為兩種算法的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 劑量體積直方圖（Dose Volume Histograms,DVH）

圖1截取了某例患者的DVH。從圖中可以看出AXB計劃和AAA計劃皆達到臨床要求，AXB的靶區(qū)劑量明顯要比AAA的低，重要器官的劑量只是略低。

2.1 AXB與AAA的統(tǒng)計學(xué)差異

AXB 與AAA 在肺癌VMAT 計劃中劑量學(xué)參數(shù)存在一定差異，如表1所示。PGTV：最大劑量AXB低于AAA（P＜0.05），最小劑量無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），平均劑量AXB低于AAA（P＜0.05）；PTV：最大劑量和最小劑量無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），平均劑量AXB 低于AAA（P＜0.05）；CI：AXB 優(yōu)于AAA（P＜0.05）；HI：AXB 優(yōu)于AAA（P＜0.05）；脊髓：最大劑量AXB 低于AAA（P＜0.05）；心臟：V30、V40、DmeanAXB 均低于AAA（P＜0.05）；肺：V5、V20、DmeanAXB均低于AAA（P＜0.05）。

3 討論

近年來，國際癌癥中心報道肺癌的發(fā)病率和死亡率顯著增加，并且在所有癌癥中都居于前列。在我國，早期肺癌中可手術(shù)切除者僅占15%～20%，大多數(shù)患者確診時已為局部晚期，需要接受放射治療在內(nèi)的綜合治療［5］。而目前，肺癌放射治療的主要技術(shù)為靜態(tài)調(diào)強放射治療（IMRT），VMAT技術(shù)應(yīng)用較少，這是因為傳統(tǒng)的全弧照射會使得肺的V5偏高，增加放射性肺炎的發(fā)生幾率。利用EclipseV13.6 設(shè)計VMAT計劃時，對于穿過肺較多的射野角度區(qū)間可以選擇設(shè)置屏蔽區(qū)域，射野在經(jīng)過屏蔽區(qū)間時會停止出束，從而得到更多低劑量區(qū)的肺區(qū)域。此外，VMAT技術(shù)可以大大縮短患者的治療時間，改善患者治療的舒適度；并且可以提高靶區(qū)生物學(xué)劑量，對于患者是有益的［6］。

圖1 AXB和AAA的DVH差異Fig.1 Differences in DVH calculations using AXB versus AAA

表1 AXB和AAA的劑量學(xué)差異Tab.1 Dosimetric comparisons between the calculations using AXB algorithm versus AAA

目前，國內(nèi)使用Eclipse 計劃系統(tǒng)，大多還是以應(yīng)用AAA 為主，AXB 是近年瓦里安公司新嵌入的算法。AAA 雖然考慮了計算點平面的不均勻散射以及電子平衡的問題，但是不能夠精確描述電子的運輸和側(cè)向電子失衡，且對低密度區(qū)域中二次區(qū)域的劑量不能預(yù)測，存在一定程度上的劑量誤差［7-9］；AXB通過求解線性波爾茲曼方程計算劑量，并且考慮非均勻性組織材料的化學(xué)組成，所以對不均勻組織的修正要優(yōu)于AAA，在組織密度差別大的區(qū)域可以取得與蒙特卡羅模擬結(jié)果最相近的結(jié)果［10-12］。因此，對于肺癌患者，由于靶區(qū)含有低密度區(qū)域比較多，相較于AXB，AAA會高估靶區(qū)的最大劑量與平均劑量，也會在一定程度高估肺的體積劑量。

本研究以AXB 和AAA 為基礎(chǔ)進行劑量學(xué)比較。從結(jié)果來看，AXB 與AAA 的計劃均能滿足臨床要求，但考慮到算法的特異性差異所帶來的劑量學(xué)影響，在肺癌計劃設(shè)計時，建議臨床物理師使用AXB，進而保證臨床計劃的精確度。