Eclipse放療計劃系統(tǒng)內(nèi)非均勻組織深度劑量特性研究

彭圣賢，龐亞，吳哲

自貢市第一人民醫(yī)院 a. 科教科；b. 放療室，四川 自貢 643000

引言

在腫瘤放射治療過程中，需要先在放射治療計劃系統(tǒng)（Treatment Planning System，TPS）上制定放療計劃，TPS的原理是基于人體組織的CT 值到密度值的轉(zhuǎn)換而進行劑量計算，CT 值的變化直接影響計算準確性。TPS 計算的準確性一直是人們關(guān)注的重點問題，而計算準確性往往取決于應(yīng)用的計算算法[1-3]。在一些CT 值變化較大的臨床實踐中，如非均勻組織，算法的準確性和計算時間將直接影響臨床工作的結(jié)果。人體是非均勻組織，當射線穿過人體進入病灶區(qū)域時，射線經(jīng)過的不同組織CT 值發(fā)生改變，劑量沉積在非均勻組織界面發(fā)生較大偏差。Eclipse 放療計劃系統(tǒng)作為當前主流的TPS，其內(nèi)置的算法有兩種，即AXB算法和AAA 算法。國內(nèi)呂曉平等[4]將AXB 算法、AAA算法與蒙特卡洛（Monte Carlo，MC）算法進行對比，研究非均勻組織劑量計算的準確性，分析不同算法射野中心軸的百分深度劑量。苗利等[5]基于Eclipse 計劃系統(tǒng)用AXB算法比較了水、空氣、肺組織、骨骼肌、脂肪、鋁模體等多種非均勻組織射野中心軸的百分深度劑量。國外報道了AXB 算法、AAA 算法與蒙特卡洛算法在高原子序數(shù)材料的劑量計算[6]以及AXB 與AAA 在均勻、非體模劑量計算對比結(jié)果[7]。本研究為了對高能X 射線在非均勻組織的劑量沉積行為有更深的認識，從不同的組織界面探討不同射野大小下的橫向和縱向深度劑量特性，旨在為實際臨床運用提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備材料

主要采用瓦里安Eclipse v13.6 治療計劃系統(tǒng)、Trilogy加速器、GEANT4 蒙特卡洛應(yīng)用軟件包、OriginPro 8.5.1 繪圖軟件。

1.2 算法選取

Eclipse v13.6 治療計劃系統(tǒng)內(nèi)置兩種算法：AXB 算法和AAA 算法。AXB 算法是基于網(wǎng)格的迭代求解線性玻爾茲曼運輸方程的劑量計算方法[8]，也是目前比較精確的方法。AAA 算法是TPS 中常用的劑量計算方法，因其具有高準確性快速取代了之前的PBC 算法[4]。而MC 算法是目前放療劑量計算的“金標準”[9]，通過在GEANT4 蒙特卡軟件包中建立水-肺-水的非均勻組織模型，計算射野中心軸百分深度劑量曲線（Percentage Depth Dose，PDD）。圖1所示為水-肺-水三者界面TPS 內(nèi)AXB 算法和AAA 算法與GEANT4 MC 算法結(jié)果對比，由圖中可以看出，MC 算法與AXB 算法結(jié)果更接近。因此，本文選取AXB 算法進行后續(xù)研究。

圖1 AXB、AAA、MC算法PDD結(jié)果對比

1.3 計劃系統(tǒng)內(nèi)非均勻模型構(gòu)建

在Eclipse治療計劃系統(tǒng)里創(chuàng)建大小為30 cm×30 cm×30 cm的體模影像，材料定義為水（CT值為0，質(zhì)量密度為1 g/cm3）[10]。在體模3 cm深度處創(chuàng)建深度為3 cm的非均勻組織，該組織定義為肺組織（Lung，CT值為-719，質(zhì)量密度為0.26 g/cm3）或骨組織（Bone，CT值為1488，質(zhì)量密度為1.85 g/cm3）。如圖2所示分別為水組織-肺組織-水組織（圖2a）和水組織-骨組織-水組織（圖2b）。組織厚度均為3 cm，材料選取Eclipse系統(tǒng)內(nèi)定義的物理材料表。對體模、體膜內(nèi)非均勻組織做布爾運算（邏輯）生成新的Body輪廓（圖2c）。在計劃系統(tǒng)里計算6 MV X射線在標準源皮距（Source Skin Distance，SSD=100 cm）下的不同射野大小的三維體積劑量，射野大小分別取5 cm×5 cm、10 cm×10 cm、15 cm×15 cm、20 cm×20 cm。以1.2中結(jié)果為依據(jù)，劑量計算均選擇AXB算法。網(wǎng)格大小為2.5 mm，劑量率統(tǒng)一為500 mU/min，以及60對醫(yī)用直線加速器的多葉準直器系統(tǒng)（Multi-leaf Collimator，MLC）葉片。處方劑量均為100 cGy/1F。

圖2 計劃系統(tǒng)內(nèi)非均勻組織模型構(gòu)建

1.4 深度劑量特性數(shù)據(jù)獲取

不同射野大小和不同非均勻組織劑量計算完畢后，利用Eclipse 計劃系統(tǒng)Dose Profile 功能提取橫向和縱向射野中心軸劑量txt 格式數(shù)據(jù)，經(jīng)Office Excel 歸一化處理，歸一到最大劑量點。采用Origin 軟件作圖。

2 結(jié)果

2.1 縱向深度劑量

在30 cm×30 cm×30 cm的均勻水模體內(nèi)計算5 cm×5 cm、10 cm×10 cm、15 cm×15 cm、20 cm×20 cm的縱向百分深度劑量曲線，如圖3所示分別為不同射野大小水均勻模體以及水-肺-水、水-骨-水非均勻模體的縱向深度劑量曲線。從圖3a中可以看出，在均勻的水模體中，隨著深度增加，相對劑量呈先增大后減小的趨勢，且射野面積越大，相對劑量越大。圖3b為水-肺-水非均勻組織縱向深度劑量曲線，在3 cm深度處，由水進入肺組織，劑量迅速減?。辉? cm深度處，由肺進入水組織，劑量增大，5 cm×5 cm、10 cm×10 cm、15 cm×15 cm、20 cm×20 cm射野劑量增大最大分別為1.00%、1.92%、2.28%、0.77%核。圖3c為水-骨-水非均勻組織縱向深度劑量曲線，在3 cm深度處，由水進入骨組織，劑量減小平穩(wěn)；在6 cm深度處，由骨進入水組織，劑量迅速減小。

圖3 不同射野大小下模體的PDD曲線

2.2 橫向深度劑量

如圖4所示為Eclipse計劃系統(tǒng)內(nèi)20 cm×20 cm射野水-肺-水、水-骨-水等劑量曲線示意圖，圖中可直觀看出在肺-水和骨-水界面處差異，射線在水中穿透力介于低密度的肺和高密度的骨組織之間。如圖5 所示為20 cm×20 cm 橫向中心軸處深度劑量曲線，其中圖5a、5b、5c 分別為水均勻模體以及水-肺-水、水-骨-水的橫向深度劑量曲線。從圖5b 中可以看出，由水進入肺組織，橫向深度劑量降低，最大降低10.78%；由肺進入水組織，橫向深度劑量增大，最大增大10.61%。由水進入骨組織，在3 cm 處橫向深度劑量緩慢增大；由骨進入水組織，在6 cm 處橫向深度劑量仍然是緩慢增大；在24 cm 處由水-骨組織交界處劑量迅速減小，在27 cm 處骨-水界面劑量迅速減?。▓D5c）。

圖4 20 cm×20 cm射野水-肺-水、水-骨-水等劑量曲線

圖5 20 cm×20 cm射野下橫向深度劑量曲線

3 討論

放射治療已進入精確定位、精確計劃、精確治療的“三精”時代。靶區(qū)和危及器官劑量計算的準確性正是精確計劃最基本的要求。人體為非均勻組織，內(nèi)部存在空氣腔、肺、脂肪、肌肉骨骼，以及人工器官、金屬植入物等[11]都會使得組織密度分布不均，在制定放療計劃時不同方向射野穿過的組織不同、射野大小不同、射線的能量選擇不同都會影響劑量分布[12-13]，因此研究深度劑量特性對治療計劃的設(shè)計有重要意義。

算法的選取會影響劑量的準確性[14]。本文首先以Eclipse 內(nèi)置的AXB 和AAA 兩種算法在水-肺-水非均勻組織介質(zhì)計算結(jié)果為基礎(chǔ)，與“金標準”MC 算法為依據(jù)進行了對比，發(fā)現(xiàn)AXB 算法結(jié)果與MC 更接近，這與Bush 等[14]報道的結(jié)果一致。因此本文選取AXB 算法研究非均勻組織深度劑量特性。近年來，國內(nèi)外關(guān)于非均勻組織劑量的相關(guān)報道較多[4-5,16-18]，如呂曉平等[4]在Eclipse 計劃系統(tǒng)上分別設(shè)置兩種類型的非均勻模體（水-肺-水模體、水-骨-水模體），并采用AXB、AAA 及MC 算法進行劑量計算，提取射野中心軸百分深度劑量，以MC 計算結(jié)果為基準，計算AXB 和AAA 兩種算法與MC 算法的相對偏差，提取非均勻組織及高梯度區(qū)的數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在非均勻組織及其邊界，AXB 算法計算精度比AAA 算法更為準確，基本接近MC 算法。苗利等[5]報道了Eclipse 計劃系統(tǒng)中水模體中心軸深度3 cm 下不同人體替代組織的模體結(jié)構(gòu)，并賦予組織密度值和CT 值，提取射野中心軸深度劑量曲線數(shù)據(jù)并與水模體中深度劑量曲線比較，發(fā)現(xiàn)當射線由低密度物質(zhì)進入高密度物質(zhì)后會產(chǎn)生二次劑量建成效應(yīng)，且密度差異越大建成效應(yīng)越明顯。Bouyer 等[15]比較了非均勻介質(zhì)AXB 算法和AAA 算法的差異，并與gafchromic 膠片測量結(jié)果對比。Seif 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，人體中一些氣腔的存在對放射治療劑量分布有影響，并進一步通過MC 法分析上頜竇、額竇、篩竇和蝶竇對放療劑量分布的影響，發(fā)現(xiàn)劑量分布取決于空氣腔尺寸和深度。李乾坤等[17]用蒙特卡羅應(yīng)用程序EGSnrc 模擬計算了60Coγ射線、6 MV 的點源光子束在有限寬非均勻模體中不同射野條件下中心軸上的劑量分布情況。

本研究分析了水均勻組織及水-肺-水、水-骨-水兩種非均勻介質(zhì)不同射野大小的6 MV X 射線橫向和縱向深度劑量曲線，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著深度增加，相對劑量呈先增大后減小的趨勢，且射野面積越大，相對劑量越大，這與馮仲蘇等[18]的研究結(jié)果一致。由水進入肺組織，劑量迅速減小；由肺進入水組織，劑量增大，分析原因為射束在即將抵達肺部時，由于沒有反向散射，劑量將立即下降；而當射束在穿透肺部時，由于缺乏散射，肺部劑量會比經(jīng)過軟組織低。射束穿過肺部以后，相對于經(jīng)過等同長度的水，劑量會顯著增加，這是因為由于射線穿透肺部，幾乎沒有衰減，因此出射劑量相對于水將增加。Pacyniak 等[12]研究由水進入2 cm 厚的空氣組織，再進入水組織，因空氣與肺的質(zhì)量密度接近，所以本研究結(jié)果與Pacyniak 等[12]的結(jié)果基本一致。射線由水進入骨組織，劑量有輕微增大；由骨進入水組織，劑量反而減小，這說明當射線由水進入肺組織或者骨組織時，或由肺或骨組織進入水組織時，可形成二次劑量建成效應(yīng)。射束抵達骨骼之前，反向散射增加，導(dǎo)致射線路徑上緊鄰骨骼的劑量增加。在骨組織內(nèi)部，劑量的減少是由于缺乏氫，這導(dǎo)致電子密度降低，從而導(dǎo)致劑量降低。當射線由水組織進入肺組織深度劑量值增高，且密度越小效應(yīng)越明顯，而當射線由骨組織進入水組織后深度吸劑量降低，密度越大的物質(zhì)效應(yīng)越明顯，這與苗利等[5]的研究結(jié)果基本一致。此外，水與骨界面處比水與肺界面劑量變化大，這與呂曉平等[4]報道結(jié)果一致，在水與骨界面處，劑量由骨進入水界面，劑量降低，這是因為骨組織密度＞1 g/cm3，電子密度和線性衰減均高于水，但每克骨的質(zhì)量衰減小于水，導(dǎo)致劑量減少，在骨組織和水組織的界面，由于骨骼表面電子的后向散射，劑量增加，并出現(xiàn)幾毫米的積累區(qū)域，這與相關(guān)文獻[12]報道一致。

4 結(jié)論

本文探討了Eclipse 放射治療計劃系統(tǒng)內(nèi)非均勻組織深度的劑量特性，并分析了不同射野、不同非均勻組織下6 MV X 射線的橫向和縱向深度劑量曲線，結(jié)果表明，隨著深度增加，縱向深度劑量呈先增大后減小的趨勢，且射野面積越大，相對劑量越大；含肺或骨組織模體在與水組織交界處出現(xiàn)二次劑量建成。此外3 cm 深度處水-肺交界無劑量，而在水-骨交界有劑量；在6 cm 和24 cm 深度處，肺組織劑量高于水組織，但骨組織劑量低于水組織，原因為射線從縱向穿進來，且穿透力為肺＞水＞骨。本研究結(jié)果為臨床放射治療計劃的制定提供了參考。