AAA和AcurosXB算法對局部晚期食管鱗狀細胞癌SIB-VMAT計劃劑量學差異的研究

葛 雙，孫力軍，王慧禮，王 尋，郗會珍, 馬 俊, 陳長建，葉書成

(濟寧醫(yī)學院附屬醫(yī)院，山東 濟寧 272001)

食管癌是消化道常見的惡性腫瘤[1,2]。我國是食管癌高發(fā)國家，多數(shù)患者在確診時已發(fā)展為晚期失去手術(shù)機會，放射治療是重要的治療方式之一。隨著調(diào)強放射治療技術(shù)的普及，同期加量容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放射治療(Simultaneous Integrated Boost Volumetric-Modulated Arc Therapy，SIB-VMAT)可實現(xiàn)在同一療程中對原發(fā)病灶提供高劑量照射，又滿足傳統(tǒng)的低劑量模式來治療亞臨床病灶及預防區(qū)淋巴結(jié)，同時可獲得更好的靶區(qū)適形度和更低的危及器官受照射劑量的優(yōu)勢，已在局部晚期食管癌患者的治療中得到開展[3]。各向異性分析算法(Anisotropic Analytical Algorithm，AAA)模型，是一種基于筆形束卷積疊加類型的算法，劑量計算時會同時在兩個方向(深度和橫向)進行縮放。而光子劑量算法(Acuros External Beam Algorithm，AcurosXB或AXB)模型，是基于線性波爾茲曼傳輸方程(LBTE)，能更加明確的描述輻射粒子與介質(zhì)中不同材料間的相互作用，許多研究表明，AXB算法對于非均勻介質(zhì)劑量沉積的計算好于AAA算法，近似于蒙特卡洛算法[4]。這兩種算法模型是Eclipse15.6.8 TPS(Varian公司，美國)系統(tǒng)自帶，AAA算法應用較早，AXB算法近幾年才開始應用于臨床，國內(nèi)外文獻報道了關(guān)于頭頸、盆腔、胸部等部位的腫瘤放療中應用兩種算法的劑量學差異[5]，然而關(guān)于兩種算法在食管癌SIB劑量學方面還沒有相關(guān)研究數(shù)據(jù)支持。本文通過選取24例本中心收治過的局部晚期食管癌患者，來探究AAA和AXB算法在食管癌SIB-VMAT計劃劑量學方面的差異，為臨床研究提供參考。

1 資料與方法

1.1影像學資料:從本院腫瘤放療中心2021年1月至2022年1月行SIB-VMAT治療的局部晚期食管鱗狀細胞癌患者中，選取24例患者的影像學資料，平均年齡(64.9±8.8)歲，中位年齡67歲，病理診斷結(jié)果均為鱗狀細胞癌。

1.2設備儀器:Varian Eclipse15.6.8 TPS計劃系統(tǒng)( Varian公司，美國)、擁有60對MLC多葉光柵的Varian 2300IX加速器( Varian公司，美國)、Brilliance大孔徑CT模擬定位機(Philips公司，荷蘭)。

1.3研究方法:所有入組患者均采用仰臥位，雙臂自然放松置于體側(cè)，頭頸肩碳素纖維架聯(lián)合頭頸肩熱塑網(wǎng)膜固定，CT圖像通過大孔徑CT模擬定位機獲取，靜脈注射造影劑碘海醇行增強掃描，范圍自顱底至腰1椎體上緣，層厚和間距設置為3mm，獲得的CT圖像傳輸至Varian Eclipse15.6.8 TPS計劃系統(tǒng)。由資深腫瘤放療醫(yī)師勾畫GTV(腫瘤區(qū))和CTV(臨床靶區(qū))，均勻外擴3～5mm得到PGTV(122.6±46.85cm3)和PTV(564.6±133.0cm3)，處方劑量為PGTV 60.2Gy(2.15Gy/f)、PTV 50.4Gy(1.8Gy/f)，每日1次，1周5次，共28次。采用擁有60對MLC多葉光柵的Varian 2300 IX加速器模型的6MV X射線質(zhì)，最大劑量率設置為600 MU/min，通過Varian Eclipse15.6.8計劃系統(tǒng)對24例患者分別設計SIB-VMAT(CW:181～179度；CCW：179～181度)計劃，考慮雙側(cè)肩膀處射線穿透組織較厚、活動度較大的可能性，以及減少肺組織照射面積，采用Avoidance sectors(屏蔽出束)功能，屏蔽區(qū)域設置為240～300度及60～120度。同一個SIB-VMAT計劃，設置相同的射束、MLC以及優(yōu)化約束函數(shù)，分別選取AAA和AXB兩種劑量算法模型進行劑量計算。涉及的主要危及器官及約束條件為：肺組織(V5<65%，V20<30%)、心臟(V30<40%，V40<30%)和脊髓(外擴5mm<45Gy)。

1.4評價指標:所有評價參數(shù)均在滿足95%PTV靶體積接受處方劑量50.4Gy歸一條件下的劑量-體積直方圖(DVH)上進行比較，包括Dmin(最小點劑量)、Dmax(最大點劑量)、Dmean(平均劑量)、Dx%(x%的相應體積接受的最大劑量：D98%、D50%和D2%)、V100%(處方劑量覆蓋靶區(qū)體積的百分比)、Vx(劑量xGy覆蓋某器官的體積百分比，V5、V20、V30和V40)以及靶區(qū)適形性指數(shù)(Conformity Index，CI)和均勻性指數(shù)(Homogeneity Index，HI)。計算公式：HI=(D2%-D98%)/D50%和CI=(VT,ref)2/(VT×Vref) ，其中 VT,ref為處方劑量覆蓋的靶區(qū)體積，T為靶區(qū)體積，Vref為處方劑量覆蓋的全部體積，HI值越小表示靶區(qū)內(nèi)劑量分布越均勻；CI取值在0～1之間，值越接近1表示靶區(qū)劑量適形度越好。

2 結(jié) 果

2.1靶區(qū)劑量學和MU評價結(jié)果:24例食管癌患者行AAA和AXB算法的SIB-VMAT計劃靶區(qū)PTV和PGTV的劑量學結(jié)果見表1，在靶區(qū)Dmin、D2%以及PGTV的靶區(qū)覆蓋體積(V100%)方面，兩組計劃結(jié)果差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，但在靶區(qū)Dmax、Dmean、D98%和D50%方面，AXB組計劃結(jié)果明顯高于AAA組(最大平均偏差1.44%)，有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。在靶區(qū)適形性和均勻性方面，AXB組在數(shù)值上均好于AAA，對于靶區(qū)PGTV兩者差異明顯，最大平均偏差分別為1.52%(CI)和3.22%(HI)，有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；但對于靶區(qū)PTV兩者差異相近，無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，見表1和圖1。對于機器跳數(shù)(Monitor Unit，MU)，AAA組(580.5±53.20)比AXB組(589.0±54.21)減少1.53%，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，結(jié)果見表1和圖2。圖3和圖4分別為SIB-VMAT計劃的劑量分布圖和靶區(qū)及OAR的DVH分布圖。

表1 AAA與AXB算法SIB-VMAT計劃PGTV和PGTV劑量學結(jié)果

2.2OAR劑量學評價結(jié)果:在肺組織受量方面，AXB組的最小劑量Dmin、平均劑量Dmean、中位劑量D50%及低劑量區(qū)V5，較AAA組明顯降低，平均偏差分別為18.4%、1.47%、3.57%和4.04%，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；而對于高劑量區(qū)V20和最大劑量Dmax的受量較AAA組提高了0.5%和2.31%，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。在心臟受量方面，除AXB組的V30相比AAA降低1.29%，Dmax相比AAA組略提高0.82%，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)外，其他參數(shù)結(jié)果相近差異不顯著。在脊髓保護區(qū)(外擴5mm)受量方面，AXB組的最大劑量Dmax略高于AAA組0.59%，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，而兩者的最小劑量Dmin和平均劑量Dmean結(jié)果相近，差異沒有統(tǒng)計學意義(P>0.05)，結(jié)果見表2。

表2 AAA與AXB算法SIB-VMAT計劃OAR劑量學結(jié)果

圖1 AAA與AXB算法SIB-VMAT計劃的靶區(qū)對應CI和HI的箱線圖分布

圖2 24例食管癌患者AAA與AXB算法SIB-VMAT計劃的MU柱狀圖分布

圖3 靶區(qū)和OAR的DVH分布

圖4 AAA與AXB算法SIB-VMAT計劃的劑量分布圖

3 討 論

局部晚期食管癌患者因其病變部位較深，范圍較大，周圍被非均勻介質(zhì)包圍如高致密組織骨骼和低密度氣管腔及肺組織等，這對劑量計算增加了難度，但是靶區(qū)和OAR劑量的精準預測至關(guān)重要，它將直接影響到患者的治療增益比。目前可用的劑量算法有很多，區(qū)別主要在于對光子和電子傳輸中散射模型復雜性的處理，特別是非均勻介質(zhì)方面。算法模型基本分為三類：基于校準(類型a)、基于模型(類型b)和基于原理(類型c)算法[6]。Eclipse TPS提供的各向異性分析算法(AAA)和光子劑量算法(AXB)分別是b型算法和c型算法。通常，AXB顯示出比AAA更好的結(jié)果，特別是在非均勻介質(zhì)(空腔)和小野的劑量計算方面[7]。本文旨在探討AAA與AXB兩種算法模型對食管癌SIB-VMAT計劃的劑量學差異，為臨床提供參考。

研究結(jié)果表明：兩種不同算法模型得到的靶區(qū)和危及器官的劑量存在一定的差異，其中AXB算法會明顯高估靶區(qū)的Dmax、Dmean、D98%和D50%，最大平均偏差為1.44%，除此之外，對于肺組織(2.31%)、心臟(0.82%)和脊髓保護區(qū)(0.59%)的最大劑量Dmax也均被高估，差異有統(tǒng)計學意義；另外AXB在提高靶區(qū)PGTV的適形性和均勻性方面好于AAA，但對于靶區(qū)PTV兩者差異相近。在降低MU方面，Kumar L等[8]和Koo T等[9]的研究均指出AAA算法比AXB更有效，這與本文的研究結(jié)果AAA組(580.5±53.20)比AXB組(589.0±54.21)減少1.53%一致。在OAR體積受照劑量方面，差異主要集中在肺組織上。Fleming C等[10]在非小細胞肺癌劑量學的研究中，指出AAA算法能考慮電子平衡及不均勻散射的問題，但對電子的輸運和側(cè)向電子平衡描述不足，將會高估空氣-組織界面處的劑量。本文研究結(jié)果AAA算法高估肺組織平均劑量Dmean(1.47%)、中位劑量D50%(4.04%)及低劑量區(qū)V5(3.57%)的受量，且差異顯著有統(tǒng)計學意義，進一步印證了以上觀點；而對于肺的V20受量略比AXB降低0.5%，這與劉致濱等[11]的研究結(jié)果相近。

綜上所述，基于AAA與AXB兩種算法模型的SIB-VMAT計劃，雖然存在一定的劑量學差異，但均滿足臨床劑量學要求，可用于局部晚期食管癌的臨床治療。在提高食管癌患者靶區(qū)整體劑量，減少肺組織低劑量受照體積和平均劑量，降低肺損傷方面，AXB優(yōu)于AAA算法；在減少靶區(qū)和危及器官的最大點劑量，降低脊髓毒性方面，AAA算法略有優(yōu)勢。