uRT-TPS和Monaco-TPS對同一直線加速器在多癌種放射劑量計算方面差異的比較

楊彥舉，方應濤，高大地，王佳舟，趙 俊，胡偉剛

復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院放療科，復旦大學上海醫(yī)學院腫瘤學系，上海 200032

過去20 年，調(diào)強適形放療（intensit ymodulated radiation therapy，IMRT）已在國內(nèi)得到廣泛應用，相較于傳統(tǒng)三維適形放療（three dimensional conformal radiotherapy，3D-CRT），其在向計劃靶區(qū)（planning target volume，PTV）輸送更高劑量的同時又具有高度的適形性，可保護正常組織免受過高劑量照射［1-3］。獲得優(yōu)秀的放療計劃不僅與物理師的經(jīng)驗有關，直線加速器的性能和治療計劃系統(tǒng)（treatment planning system，TPS）也起著至關重要的作用，因此各廠商除了硬件設備的更新迭代外，也致力于開發(fā)出劑量計算準確、優(yōu)化函數(shù)精簡和優(yōu)化時間短的TPS。上海聯(lián)影醫(yī)療科技股份有限公司推出的放療平臺uRT直線加速器及uRT-TPS已開始在國內(nèi)多家放療中心運行，其臨床表現(xiàn)已得到初步認可。目前復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院有多臺Infinity直線加速器（瑞典Elekta公司）和uRT直線加速器（上海聯(lián)影醫(yī)療科技股份有限公司），對應分別為Monaco-TPS和uRT-TPS。Monaco-TPS使用基于蒙特卡羅X射線體素（X-ray voxel Monte Carlo，XVMC）算法模擬數(shù)百萬個粒子在介質(zhì)中的傳送過程，計算并存儲每個粒子在體素中吸收劑量的沉積情況，具有極高的計算精度，被證明是較精確的劑量建模方法［4-7］。但當前版本的Monaco-TPS存在運算耗時問題，且不支持圖形處理器（graphics processing unit，GPU）加速。uRT-TPS具有劑量計算準確、優(yōu)化速度快、跳數(shù)（monitor units，MU）優(yōu)化和人工智能（artificial intelligence，AI）賦能等諸多優(yōu)點。若實現(xiàn)uRTTPS對其他品牌的直線加速器進行劑量計算，將在一定程度上減輕醫(yī)師和物理師的臨床工作強度。因此本研究嘗試使用uRT-TPS對Infinity直線加速器進行建模，評估使用uRT-TPS對Infinity直線加速器進行劑量優(yōu)化計算的可行性。

1 資料和方法

1.1 直線加速器及TPS

復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院有多臺Infinity直線加速器，其Agility機頭具有80對5 mm寬的高精度運動多葉準直光柵，等中心層面射野最大為40 cm×40 cm，可滿足當前大多數(shù)放療技術的硬件需求。其光子束有6 MV和6 MV非均整（flattening filter free，F(xiàn)FF）兩個能量擋位，最大劑量率分別為600和1 400 MU/min，本研究主要對6 MV光子束進行劑量學分析。

文中Monaco-TPS為5.11版本，劑量算法是X-Ray Monte Carlo；uRT-TPS為本地1.0版本，劑量算法為錐形束卷積算法（collapsed cone convolution，CCC），優(yōu)化為控制點優(yōu)化算法。文中兩套IMRT計劃的實現(xiàn)方式：動態(tài)IMRT（dynamic IMRT，d-IMRT），計算網(wǎng)格大小為3 mm×3 mm×3 mm；最小子野寬度為0.5 cm，最大控制點個數(shù)為50個，劑量率為600 MU/ min。點絕對劑量計劃驗證使用德國P T W 公司的UNIDOS型號劑量儀及30013型號0.6 cm3的指型電離室，三維面劑量驗證使用瑞典ScandiDos公司的Delta4模體。

1.2 病例選取及IMRT計劃的制定

從2022年9月在復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院uRT直線加速器（上海聯(lián)影醫(yī)療科技股份有限公司）上接受放療的80例患者中隨機選取20例，包含直腸癌、肺癌、乳腺癌和鼻咽癌各5例。患者每天治療1次，每周5次，其處方劑量如下：

⑴ 直腸癌：單次2 Gy，共25次。

⑵ 肺癌：單次1.8 Gy，共28 ～ 34次。

⑶ 乳腺癌：4例單次2.67/3.20 Gy（同步推量），共15次；1例單次2 Gy，共25次。

⑷ 鼻咽癌：單次1.8 ～ 2.2 Gy，共30 ～ 35次。患者有2 ～ 4個靶區(qū)，且處方劑量各不相同。

我們將患者計算機體層成像（computed tomography，CT）影像先導入uRT-TPS進行PTV及危及器官（organ at risk，OAR）勾畫并制訂放療計劃，然后經(jīng)醫(yī)學數(shù)字成像和通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）影像傳輸協(xié)議導入Monaco-TPS中制定放療計劃。同一病例計劃的射野中心、射野數(shù)、多葉光柵與治療床角度及處方劑量均相同。為保證計劃質(zhì)量不受物理師經(jīng)驗影響，在臨床優(yōu)化目標一致的條件（處方劑量95%的劑量線覆蓋靶區(qū)，各OAR的劑量限值目標一致）下，由具有3年計劃制訂經(jīng)驗的同一物理師完成所有計劃優(yōu)化。計劃首先由物理師在uRT-TPS中根據(jù)經(jīng)驗設計，初步計劃獲得后再根據(jù)各PTV和OAR的劑量限值進一步優(yōu)化，直至劑量滿足臨床劑量要求。將uRT-TPS中的優(yōu)化結(jié)果作為Monaco-TPS的優(yōu)化條件，在滿足PTV臨床要求下放松或收緊OAR的劑量限值。最后請1名具有8年以上工作經(jīng)驗的物理師完成計劃審核。計劃完成后，對所有IMRT計劃進行點絕對劑量及三維面劑量驗證。

1.3 統(tǒng)計學處理

各病例兩套IMRT計劃完成后，均在MIM軟件（美國MIM公司）中統(tǒng)計PTV和OAR的劑量分布。PTV統(tǒng)計指標有Dmax、Dmean、D5%、D95%、VPTV95%、V95%、均勻性指數(shù)（homogeneity index，HI）和適形性指數(shù)（conformity index，CI）。其中Dmax和Dmean分別為最大劑量和平均劑量，D95%和D5%分別為覆蓋PTV體積95%和5%的劑量，VPTV95%和V95%分別為95%處方劑量線覆蓋PTV的體積和95%處方劑量的體積。HI = 1- (D5%-D95%)/Dmean，CI =VPTV95%/V95%，HI和CI介于0 ～ l之間，HI越接近于0表示靶區(qū)的均勻性越好，CI越接近1表示靶區(qū)的適形性越好［8-9］。各病種OAR的統(tǒng)計指標見表1。

表1 各病種OAR的統(tǒng)計指標Tab.1 Statistical indicators of OAR for various diseases

評價以上各參數(shù)時，對同一計劃在uRT-TPS和Monaco-TPS中進行相同劑量歸一，即95%的處方劑量覆蓋整個PTV。為評價uRT-TPS和Monaco-TPS優(yōu)化的計劃哪個在執(zhí)行時更省時，統(tǒng)計每個計劃的MU。除劑量評估以外，我們統(tǒng)計源皮距（source skin distance，SSD）和各OAR的體積來評價CT影像在uRT-TPS和Monaco-TPS中的重建差異。

采用SPSS 22.0軟件對上述數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析，結(jié)果以±s表示。本研究主要分析uRT-TPS和Monaco-TPS對同一病例計劃及驗證結(jié)果的差異，各病種結(jié)果呈非正態(tài)分布，采用Wilcoxon配對符號秩和檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意 義。

2 結(jié) 果

2.1 PTV劑量學及MU的差異

所有IMRT計劃在滿足臨床劑量要求后，PTV各劑量指標及MU見表2。從總體來看，uRTTPS和Monaco-TPS之間只在Dmax指標上具有顯著差異，uRT-TPS的劑量熱點控制較好，最大劑量平均減少約1.1 Gy。uRT-TPS和Monaco-TPS的Dmean和高劑量區(qū)D5無顯著差異，說明uRT-TPS和Monaco-TPS的質(zhì)量基本一致，靶區(qū)的HI和CI也沒有表現(xiàn)出差異，進一步印證了這一結(jié)果。uRTTPS和Monaco-TPS在各病種靶區(qū)劑量的差異見圖1，指標差異的計算方法為Difference = (uRTMonaco)/Monaco×100%。uRT-TPS在直腸癌計劃中具有較高Dmean的同時又降低了Dmax（P＜0.05），在靶區(qū)劑量均勻性和熱點控制上表現(xiàn)優(yōu)異；對于肺癌和乳腺癌，靶區(qū)Dmax較小，其他沒有明顯差異；鼻咽癌的計劃較復雜，有多個不同處方劑量的靶區(qū)，但uRT-TPS和Monaco-TPS最終均可實現(xiàn)水平較高的臨床計劃，PTV雖有劑量差異但差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。在靶區(qū)劑量均勻性和適形性方面，由于鼻咽癌有多個不同處方劑量的PTV，這里只統(tǒng)計計劃中處方劑量最大的靶區(qū)劑量均勻性和適形性。uRTTPS在直腸癌和肺癌中的表現(xiàn)優(yōu)于Monaco-TPS，在乳腺癌和鼻咽癌中無顯著差異，說明URT-TPS在單處方劑量單一靶區(qū)的劑量分布上表現(xiàn)較好。在計劃MU方面，相對于Monaco-TPS，uRT-TPS在直腸癌和乳腺癌中具有較低MU且差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），差異值分別為-33.1±53.5和-162.7±247.7，而在鼻咽癌中雖具有較高MU，差異值為62.8±58.3，但差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。

圖1 uRT?TPS和Monaco?TPS IMRT計劃在PTV和OAR上的劑量學差異Fig.1 Dosimetric differences in PTV and OAR between uRT-TPS and Monaco-TPS IMRT plans

表2 20例患者在uRT?TPS和Monaco?TPS中IMRT計劃的PTV劑量學參數(shù)比較Tab.2 Comparison of PTV dosimetry parameters of IMRT plan in 20 patients in uRT-TPS and Monaco-TPS

2.2 OAR劑量參數(shù)比較

uRT-TPS和Monaco-TPS在各病種中OAR的劑量差異見圖1。對于直腸癌，兩套IMRT計劃在左右股骨頭中的平均劑量差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），使用uRT-TPS制訂的計劃左右股骨頭分別比Monaco-TPS降低約8.26%和7.23%；uRT-TPS和Monaco-TPS在膀胱中的劑量分布差異波動較大，Monaco-TPS的高劑量區(qū)域偏多，低劑量區(qū)域偏少，但總體差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。對于肺癌計劃的優(yōu)化，Monaco-TPS在正常肺部組織低劑量區(qū)域分布較少，V5和V20均較低，但uRT-TPS在正常肺部組織中的平均劑量降低約1.51%，說明Monaco-TPS注重降低正常肺部組織低劑量區(qū)域的受量，而uRT-TPS更側(cè)重降低正常肺部組織的高劑量區(qū)域，進而降低整體平均劑量；在心臟和脊髓中無顯著差異。uRT-TPS和Monaco-TPS在乳腺癌計劃中的劑量分布無顯著差異，只有在患側(cè)肺的V20指標上Monaco-TPS表現(xiàn)稍好，但差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），臨床上不構(gòu)成較大優(yōu)勢；由于病例選取的右側(cè)乳腺癌，心臟受量均較低（均值分別為172.4±81.7和161.8±89.5），但uRT-TPS在個別病例上波動較大。對于鼻咽癌，總體上uRT-TPS和Monaco-TPS在OAR上的劑量差異波動較大，特別是小器官，如晶狀體、視交叉和視神經(jīng)等，但大多差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），主要是因為OAR體積小、多空腔且距離靶區(qū)較近，在最終劑量計算時易出現(xiàn)劑量極值。

2.3 uRT?TPS和Monaco?TPS的計劃驗證

各病例在uRT-TPS和Monaco-TPS中完成計劃設計后，由經(jīng)驗豐富的物理師完成計劃驗證，并在臨床性能良好的Infinity直線加速器上分別對各計劃進行點絕對劑量和三維面劑量驗證，結(jié)果見圖2。對于點絕對劑量驗證計劃的制訂，均移植原計劃至水模體（美國Standard Imaging公司）上計算，將電離室移至劑量分布平緩區(qū)域（uRTTPS中電離室劑量標準差小于3，Monaco-TPS中電離室劑量均勻指數(shù)小于1.04）測量且該區(qū)域劑量大于處方劑量80%。對于三維面劑量驗證計劃的制訂，將計劃移植至Delta4Phantom+模體上計算，驗證水平和豎直兩個正交平面劑量，最大測量射野面積為20 cm×38 cm，總測量點數(shù)共1 069個，伽馬通過率評價的劑量閾值下限為10%。總體上看，所有計劃的點絕對劑量偏差均小于3%；三維面劑量的3 mm范圍內(nèi)相對劑量偏差小于3%的Gamma通過率均在95%以上，且絕大多數(shù)在97%以上，驗證結(jié)果均滿足臨床要求。uRTTPS和Monaco-TPS計算的同一病例計劃驗證結(jié)果之間無顯著差異，各病種之間的計劃驗證通過率也無顯著差異。

圖2 各IMRT計劃的點絕對劑量和三維面劑量驗證結(jié)果Fig.2 Verification results of point absolute dose and 3D surface dose for each IMRT plan

2.4 SSD和OAR體積計算的差異

除劑量學的差異比較外，本研究還對uRTTPS和Monaco-TPS在CT影像的重建及感興趣區(qū)體積計算上的差異進行對比，主要是為了比較uRT-TPS和Monaco-TPS對空間體積計算的精確度。CT影像在TPS中會被劃分為多個體積元，體積元的數(shù)目和大小由TPS預設的圖像分辨率決定［10-11］。由于各體積元的介質(zhì)組成和密度不同，當射線經(jīng)過各體積元時所吸收的輻射劑量也不同，最終體現(xiàn)在各感興趣區(qū)的劑量分布上，因此OAR體積計算的精確性對后期計劃評估至關重要。對體積計算的差異主要體現(xiàn)在感興趣區(qū)邊界處，在不滿一個體積元時，各TPS對其體積計算有著不同的策略，表3給出各病種腫瘤患者在uRT-TPS和Monaco-TPS中OAR體積計算的統(tǒng)計值。從表中可以看出所有統(tǒng)計學指標uRTTPS均比Monaco-TPS小，且差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。晶狀體和視神經(jīng)等小體積OAR差異較大，晶狀體和視神經(jīng)最大差異分別達到47.55%和45.33%。PTV、股骨頭、肺和心臟等體積較大的OAR體積計算差異較小，均小于3%。此外，對于SSD，本文選用0度擺位野的SSD并在肺窗（窗位/窗寬，-300/1 600）條件下在各TPS中完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計，uRT-TPS也均小于Monaco-TPS，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。

表3 20例臨床病例在uRT?TPS和Monaco?TPS中OAR體積的平均值Tab.3 The average value of OAR volume in uRT-TPS and Monaco-TPS for 20 clinical cases

3 討 論

最近20年，IMRT計劃已在國內(nèi)廣泛應用。得益于IMRT計劃具有的較高適形性的特點，患者靶區(qū)在接受高劑量放療的同時正常組織也可得到較好的保護，能夠提高腫瘤局部控制率并降低遠處復發(fā)風險，從而極大地降低患者因放療導致的放射性損傷及并發(fā)癥的嚴重程度。目前，主流的3款進口TPS（Pinnacle-TPS、Monaco-TPS和Eclipse-TPS）占據(jù)了主導地位，且用于放療的直線加速器也基本被國外公司壟斷。由于國外具有先發(fā)優(yōu)勢，國產(chǎn)直線加速器及TPS軟件很難與其競爭。因此，研發(fā)性能良好的國產(chǎn)設備及軟件顯得尤為重要，也符合國家健康發(fā)展戰(zhàn)略。

根據(jù)本研究的劑量數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，uRT-TPS和Monaco-TPS均可對直腸癌、肺癌、乳腺癌和鼻咽癌制訂較好的放療計劃，在保證靶區(qū)劑量一定適形性和均勻性的同時有效地保護正常組織，滿足臨床劑量學要求。對于PTV的結(jié)果，雖然總體差異無統(tǒng)計學意義，但uRT-TPS對計劃熱點控制較好，主要是在計劃優(yōu)化最終階段引入對靶區(qū)熱點去除的強權(quán)重優(yōu)化。此外，在直腸癌和肺癌的靶區(qū)劑量上也有更好的適形性和劑量均勻性。由于uRT-TPS在劑量計算的最后階段對MU采取優(yōu)化算法濾除面積較小的子野，能夠提升MU的利用率。對于OAR，Monaco-TPS在正常肺和心臟的保護方面表現(xiàn)稍好，主要是由于其優(yōu)化策略上側(cè)重于整體優(yōu)化。Monaco-TPS的parallel和serial優(yōu)化函數(shù)均有一個體積效應參數(shù)k，k的大小決定了輻射劑量響應曲線的陡峭度：k值越小函數(shù)作用體積越大，趨向限制平均劑量；k值越大函數(shù)作用體積越小，趨向限制點劑量。此外，Monaco-TPS優(yōu)化時各感興趣區(qū)的上下層排序影響到其優(yōu)先級，一般PTV為最上層優(yōu)先級最高，在滿足靶區(qū)劑量要求的基礎上逐步降低臨近OAR的受量，這也解釋了本研究中Monaco-TPS在肺V5和V20相對較低的情況下卻有較高平均劑量的情況。類似的結(jié)果在其他研究中也有出現(xiàn)，例如，楊金磊等［12］在比較Monaco-TPS與Pinnacle-TPS對肺癌的容積調(diào)強的劑量差異時，得出Monaco-TPS在患側(cè)肺高劑量區(qū)域及平均劑量比Pinnacle-TPS高，但低劑量區(qū)域無顯著差異的結(jié)果。對于鼻咽癌，相對于其他3個病種其具有靶區(qū)多、形狀復雜、OAR多及結(jié)構(gòu)精細等特點，uRT-TPS和Monaco-TPS在晶狀體、視神經(jīng)和視交叉等微小器官均出現(xiàn)較大波動。由于統(tǒng)計學指標為Dmax，且鼻咽結(jié)構(gòu)腔竇較多，當射線通過空腔與實質(zhì)組織界面時，會產(chǎn)生大量散射而導致電子失衡等問題，降低劑量計算的精度，每次優(yōu)化會出現(xiàn)較大的不確定性［13］。此外，uRT-TPS在獲得同等質(zhì)量水平的計劃優(yōu)化時間比Moncao-TPS短的多，主要是因為uRT-TPS在計算時引入并行GPU運算，大大加快劑量計算優(yōu)化時間，劑量計算及優(yōu)化時間平均在1 min左右。在算法上，Monaco-TPS 5.11的蒙特卡羅算法以概率統(tǒng)計理論為基礎，通過模擬上億個粒子與組織的相互作用，精確地統(tǒng)計出粒子束與物質(zhì)相互作用的宏觀特征，因此運算量巨大。當前版本的Monaco-TPS不支持GPU加速，劑量計算的中間值頻繁在磁盤中存儲與調(diào)用，所以總體計劃優(yōu)化時間要大于30 min，鼻咽癌計劃因結(jié)構(gòu)復雜優(yōu)化時間更長。uRT-TPS采用和Pinnacle-TPS類似的錐形束卷積算法，其原理是利用點核與原射線穿過人體組織時在單位質(zhì)量物質(zhì)中所釋放的總能量進行卷積疊加計算，具有優(yōu)化較快的特點。此算法對不均勻介質(zhì)中的劑量計算進行了修正，考慮了準直器散射、原射線及電子線污染的影響，因此可獲得較準確的劑量分布［14-15］。得益于各類算法的發(fā)展，后期發(fā)展的uRT-TPS在通量圖優(yōu)化、葉片序列優(yōu)化、控制點形狀及權(quán)重優(yōu)化等各環(huán)節(jié)采用執(zhí)行效率更高的算法，結(jié)合靶區(qū)與OAR軟硬權(quán)重配合得到較好的臨床計劃，計劃優(yōu)化算法的調(diào)整策略包括靶區(qū)各指標優(yōu)先、控制靶區(qū)外劑量適形及壓低正常組織受量等。體積計算的差異主要發(fā)生在感興趣區(qū)邊界處的統(tǒng)計，Monaco-TPS將邊界處體積元的部分再27等分，然后統(tǒng)計該體積元內(nèi)感興趣區(qū)的占比，而uRT-TPS使用有向距離場的方式進行統(tǒng)計，對邊界統(tǒng)計更加細膩，最終使得OAR邊界計算更加精細，因而得到的數(shù)值較Monaco-TPS小。為進一步探究各TPS間的體積計算的差異，我們在MIM軟件中分別勾畫體積較小和較大的圓柱、長方體（直徑或邊長分別為1、3和6 cm）等規(guī)則結(jié)構(gòu)并導出至各TPS，統(tǒng)計其在MIM、Monaco-TPS、uRT-TPS和Eclipse-TPS等軟件中的體積。結(jié)果顯示，MIM與Monaco-TPS中各規(guī)則結(jié)構(gòu)體積基本一致，uRT-TPS與Eclipse-TPS中各體積基本一致，且后兩款軟件中各結(jié)構(gòu)的體積比前兩款小，也有體積小的結(jié)構(gòu)差異大、體積大的結(jié)構(gòu)差異小的特點，詳見表4，該結(jié)果與先前研究［10-11］結(jié)果一致。對于同一計劃在各TPS中的劑量評價，Monaco-TPS與MIM各靶區(qū)和OAR劑量基本一致，uRT-TPS中劑量稍偏低，特別是頭頸中小體積OAR，如晶狀體、視交叉等。

表4 不同體積的規(guī)則結(jié)構(gòu)在各軟件中的體積統(tǒng)計Tab.4 The volume statistics for different volumes of regular structures in each software

不同TPS對同一病例的計劃差異來自于多方面，雖然本研究中的計劃使用同一套CT和靶區(qū)，射野數(shù)、角度、最大控制點個數(shù)、多葉光柵和治療床角度一致，但仍存在不同TPS間的系統(tǒng)差異和人為差異，即優(yōu)化函數(shù)的策略不同，對CT體素的分割也有差異等；對于計劃驗證結(jié)果也受驗證時擺位精度和機器狀態(tài)的影響。此外，各TPS在劑量計算和結(jié)果統(tǒng)計時都有其計算和統(tǒng)計不確定度，即便約束條件一致，同一TPS的兩次計算結(jié)果間也有差異。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻聲明：

楊彥舉：制定臨床計劃，收集整理數(shù)據(jù)，撰寫論文；

方應濤，高大地：計劃驗證；

王佳舟，趙俊：論文修改及指導；

胡偉剛：研究方向指導。