VARIAN Eclipse治療計(jì)劃中PBC和AAA算法在直腸癌調(diào)強(qiáng)放療中的劑量學(xué)研究比較

褚俊峰,李 軍,桂龍剛,張西志,張先穩(wěn)，陳永東,孫新臣,李金凱

(1.揚(yáng)州市江都人民醫(yī)院放療科 江蘇 揚(yáng)州 225200；2.蘇北人民醫(yī)院放療科，江蘇 揚(yáng)州 225001；3.揚(yáng)州洪泉醫(yī)院放療科，江蘇 揚(yáng)州 225200；4.南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院放療科，江蘇 南京 210029)

直腸癌是消化系常見(jiàn)的惡性腫瘤，而精確放療是直腸癌的主要治療方式之一。目前調(diào)強(qiáng)放療(intensity-modulated radiation, IMRT)是其主流放療技術(shù)之一[1]，而IMRT必須借助三維治療計(jì)劃系統(tǒng)(three-dimensional treatment planning system, 3D-TPS)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而美國(guó)VARIAN公司生產(chǎn)的Eclipse治療計(jì)劃(Treatment Planning System，TPS)系統(tǒng)是當(dāng)前運(yùn)用最為廣泛的TPS之一。在利用VARIAN Eclispe TPS設(shè)計(jì)IMRT計(jì)劃時(shí)必須要用到劑量計(jì)算算法，而Eclipse系統(tǒng)中目前主要有筆形束卷積(pencil beam convolution, PBC)和各向異性(anisotropic analytical algorithm, AAA)2種算法。

國(guó)內(nèi)外多篇文獻(xiàn)[2-5]指出劑量計(jì)算算法的不同會(huì)對(duì)胸部腫瘤的放療產(chǎn)生顯著影響，這種影響主要體現(xiàn)不同算法會(huì)對(duì)靶區(qū)(腫瘤區(qū))與危及器官(organs at risk , OARs)的劑量學(xué)參數(shù)會(huì)產(chǎn)生顯著差異。但鮮有文獻(xiàn)研究不同算法對(duì)直腸癌放療是否產(chǎn)生影響，而直腸癌靶區(qū)往往位于盆腔深部，其解剖關(guān)系較復(fù)雜，因而有必要對(duì)其進(jìn)行研究。

本研究選取我院20例直腸癌放療患者，分別用AAA和PBC計(jì)算模型進(jìn)行劑量計(jì)算，然后對(duì)其靶區(qū)及OARs的劑量學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，并利用德國(guó)PTW 729二維電離室矩陣對(duì)其進(jìn)行劑量驗(yàn)證。

1 材料與方法

1.1病例選擇隨機(jī)選取我院2017年8月至12月間收治的經(jīng)病理確診的20例直腸癌放療患者，其中男13例，女7例；年齡39～62歲，中位年齡53歲。

1.2體位固定和CT掃描所有患者采用俯臥位，保持膀胱充盈，雙手環(huán)抱，并用真空負(fù)壓墊進(jìn)行體位固定。利用美國(guó)VARIAN Acuity模擬定位機(jī)完成模擬定位并作好定位標(biāo)記，利用美國(guó)GE公司大孔徑CT進(jìn)行平靜狀態(tài)下斷層掃描，掃描層厚5 mm，并將掃描圖像傳至VARIAN Eclipses 治療計(jì)劃系統(tǒng)中。

1.3靶區(qū)及OARs勾畫(huà)由我院放療科醫(yī)生參考ICRU第50號(hào)報(bào)告和第60報(bào)告[6-9]勾畫(huà)靶區(qū)和OARs，靶區(qū)包括腫瘤靶區(qū)(gross tumor volume，GTV)、臨床靶區(qū)(clinical target volume，CTV)和計(jì)劃靶區(qū)(planning target volume，PTV)，其中PTV為CTV外放5 mm而成，OARs包括脊髓、膀胱、小腸和股骨頭。處方劑量為5 000 cGy/25次，PTV要求4 750 cGy≤D98%≤5 500 cGy。

1.4計(jì)劃設(shè)計(jì)所有計(jì)劃均為7野均分IMRT計(jì)劃，射野角度分別為0°、51°、102°、153°、204°、255°、306°，X射線能量為6 MV，同一患者的計(jì)劃，保持其他優(yōu)化參數(shù)不變，分別用AAA和PBC進(jìn)行劑量計(jì)算。

1.5計(jì)劃評(píng)估靶區(qū)評(píng)估包括平均劑量(Dmean)、D2%、D5%、D50%、D95%、D98%、適形度指數(shù)(conformal index , CI)和均勻性指數(shù)(homogeneity index, HI)，根據(jù)ICRU第83號(hào)報(bào)告，CI的計(jì)算公式[8]計(jì)算CI，CI的范圍為0～1，CI值越大則適形度越好。根據(jù)HI的計(jì)算公式[9]計(jì)算HI，HI越靠近0則靶區(qū)均勻性越好。OARs的評(píng)估包括脊髓Dmax≤4 500 cGy，股骨頭D5%≤4 500 cGy，小腸Dmax≤5 000 cGy，膀胱D50%≤4 000 cGy。

1.6計(jì)劃二維劑量驗(yàn)證將每例患者的PBC計(jì)劃和AAA計(jì)劃生成的對(duì)應(yīng)的QA計(jì)劃，通過(guò)PTW 729二維電離室矩陣對(duì)其做劑量學(xué)驗(yàn)證，γ通過(guò)率的設(shè)定條件為3%劑量誤差和3 mm位移誤差。

2 結(jié)果

2.12種不同算法對(duì)靶區(qū)劑量的影響2種算法的劑量分布(95%～107%)均能很好適形靶區(qū)，但AAA算法模型的靶區(qū)劑量均勻性明顯比PBC算法模型要好(圖1)。對(duì)于D2%、D5%、D50%、D95%、D98%、Dmean而言，無(wú)論是CTV還是PTV，AAA算法模型均比PBC算法模型要略高(P均<0.05)；且AAA算法相比PBC算法，CTV的CI更接近1，PTV的HI更接近0，且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，而CTV的HI和PTV的HI比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。見(jiàn)表1。

圖1 2種算法的靶區(qū)劑量分布比較

2.22種不同算法對(duì)OARs評(píng)估參數(shù)的影響OARs中小腸Dmax、脊髓Dmax和膀胱D50%的PBC算法模型比AAA算法模型偏小(P均<0.05),而股骨頭D5%差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。因此，從保護(hù)OARs的角度看，PBC算法整體上要優(yōu)于AAA算法。見(jiàn)表2。

2.32種計(jì)劃對(duì)PTW二維劑量驗(yàn)證系統(tǒng)的影響AAA和PBC算法的γ通過(guò)率都在95%以上，均滿足臨床治療。對(duì)整個(gè)計(jì)劃而言，AAA算法的γ通過(guò)率稍高于PBC算法，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，但就單個(gè)射野而言，51°、102°、204°、255°和306°射野條件下的γ通過(guò)率差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)。見(jiàn)表3。

表1 不同劑量算法的靶區(qū)評(píng)估參數(shù)比較

表3 不同算法的γ通過(guò)率差異比較

3 討論

PBC算法是利用快速傅立葉變換和卷積技術(shù)，該模型理論上是基于0野條件下的無(wú)窮小尺寸的筆形射線束，而計(jì)算筆形射束的最精確方法是蒙特卡洛方法。但在實(shí)際臨床中獲得的筆形束是有限尺寸的，在多數(shù)情況下，PBC可以很好滿足臨床劑量計(jì)算的精度要求，但該算法對(duì)于散射線穿過(guò)2種密度不同的組織時(shí)的二次建成效應(yīng)卻不能準(zhǔn)確地體現(xiàn)[10]。AAA算法是三維筆形束卷積疊加算法，其模型考慮了原射線、電子線污染以及準(zhǔn)直器散射的修正，理論上更接近于實(shí)際測(cè)量值[11]。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于AAA和PBC等2種算法對(duì)肺癌、食管癌、鼻咽癌、乳腺癌放療的劑量學(xué)差異研究比較多，其共同點(diǎn)在于這些腫瘤都處于組織密度跌落較大的區(qū)域。而本研究選取直腸癌作為研究對(duì)象，其腫瘤及其周?chē)拿芏容^均勻，可以減少AAA算法，在處理組織密度不均勻修正的優(yōu)勢(shì)，從而更加細(xì)致比較分析2種算法的劑量學(xué)差異。

本研究結(jié)果顯示2種算法模型下，都能滿足臨床要求，但兩者對(duì)靶區(qū)和OARs的差異影響是比較明顯的。對(duì)CTV和PTV而言，AAA算法模型下的D2%、D5%、D50%、D95%、D98%、Dmean較PBC模型更高(P均<0.05)，且CTV的劑量適形度指數(shù)和PTV的劑量均勻性指數(shù)更好(P均<0.05)，更有利于腫瘤的治療。但從保護(hù)OARs的角度而言，PBC算法模型條件下的小腸Dmax、脊髓Dmax和膀胱D50%較AAA算法模型更低(P均<0.05)，因此PBC算法更能保護(hù)OARs，減少放療不良反應(yīng)[12]。從PTW 729二維劑量驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，2種不同算法的驗(yàn)證計(jì)劃整體上差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。并且，利用PTW 729進(jìn)行IMRT劑量驗(yàn)證時(shí)是將全部射野歸到0°，其驗(yàn)證過(guò)程忽略了治療床、葉片到位精度等因素的影響，從而與實(shí)際治療情況相比可能存在一定的偏差[13]。因此，利用PTW 729劑量驗(yàn)證系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)證采用2種算法的計(jì)劃只能定性判斷該放療計(jì)劃是否達(dá)到質(zhì)量控制的要求，卻不能評(píng)價(jià)2種算法的優(yōu)劣。