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

(濟寧醫學院附屬醫院，山東 濟寧 272001)

食管癌是消化道常見的惡性腫瘤[1,2]。我國是食管癌高發國家，多數患者在確診時已發展為晚期失去手術機會，放射治療是重要的治療方式之一。隨著調強放射治療技術的普及，同期加量容積旋轉調強放射治療(Simultaneous Integrated Boost Volumetric-Modulated Arc Therapy，SIB-VMAT)可實現在同一療程中對原發病灶提供高劑量照射，又滿足傳統的低劑量模式來治療亞臨床病灶及預防區淋巴結，同時可獲得更好的靶區適形度和更低的危及器官受照射劑量的優勢，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，國內外文獻報道了關于頭頸、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]，然而關于兩種算法在食管癌SIB劑量學方面還沒有相關研究數據支持。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，病理診斷結果均為鱗狀細胞癌。

1.2設備儀器:Varian Eclipse15.6.8 TPS計劃系統( 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，頭頸肩碳素纖維架聯合頭頸肩熱塑網膜固定，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。由資深腫瘤放療醫師勾畫GTV(腫瘤區)和CTV(臨床靶區)，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，最大劑量率設置為600 MU/min，通過Varian Eclipse15.6.8計劃系統對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以及優化約束函數，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)以及靶區適形性指數(Conformity Index，CI)和均勻性指數(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體積，T為靶區體積，Vref為處方劑量覆蓋的全部體積，HI值越小表示靶區內劑量分布越均勻；CI取值在0～1之間，值越接近1表示靶區劑量適形度越好。

2 結 果

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

2.2OAR劑量學評價結果: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%，差異有統計學意義(P<0.05)；而對于高劑量區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%，差異有統計學意義(P<0.05)外，其他參數結果相近差異不顯著。在脊髓保護區(外擴5mm)受量方面，AXB組的最大劑量Dmax略高于AAA組0.59%，差異有統計學意義(P<0.05)，而兩者的最小劑量Dmin和平均劑量Dmean結果相近，差異沒有統計學意義(P>0.05)，結果見表2。

表2 AAA與AXB算法SIB-VMAT計劃OAR劑量學結果

圖1 AAA與AXB算法SIB-VMAT計劃的靶區對應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，但是靶區和OAR劑量的精準預測至關重要，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更好的結果，特別是在非均勻介質(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。

研究結果表明：兩種不同算法模型得到的靶區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(0.59%)的最大劑量Dmax也均被高估，差異有統計學意義；另外AXB在提高靶區PGTV的適形性和均勻性方面好于AAA，但對于靶區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V5(3.57%)的受量，且差異顯著有統計學意義，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優于AAA算法；在減少靶區和危及器官的最大點劑量，降低脊髓毒性方面，AAA算法略有優勢。