鼻咽癌容積調(diào)強放療計劃驗證中AcurosXB算法兩種劑量報告模式的差異

陸佳揚 吳麗麗 黃寶添 彭 遜 (汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬腫瘤醫(yī)院放療科，廣東 汕頭 515041)

Eclipse治療計劃系統(tǒng)(Varian Medical Systems，Palo Alto，USA)近來實現(xiàn)了一種光子劑量計算算法，全稱為Acuros外射束算法，簡稱AcurosXB或AXB。AcurosXB有兩種劑量報告模式:dose to water和dose to medium。鼻咽容積調(diào)強放療(VMAT)計劃的執(zhí)行過程影響因素較多〔1〕，實施前必須行劑量學(xué)驗證。本研究探討臨床計劃劑量學(xué)驗證中，使用AcurosXB的dose to water劑量報告模式(AXBw)和dose to medium劑量報告模式(AXBm)計算的模體計劃劑量與實測劑量的差異。

1 材料與方法

1.1 臨床資料 選取臨床使用的19例鼻咽癌容積調(diào)強6MV光子束外照射放療計劃，其中男15例，女4例，年齡＞60歲。腫瘤原發(fā)灶的計劃靶區(qū)(PTV)處方定義為95%靶區(qū)體積達到70 Gy以上的劑量。每個計劃均采用雙全弧形射野照射，順時針弧形射野準直器角度為30°，逆時針弧形射野準直器角度為330°，計劃機器跳數(shù)為540±69。

1.2 儀器設(shè)備 測量三維Gamma值采用Delta4(Scandidos，Uppsala，Sweden)三維半導(dǎo)體探測器陣列，由分布著1 069個p型硅半導(dǎo)體的兩個正交的陣列探測器板構(gòu)成，中間區(qū)域(6 cm×6 cm)分辨率為5 mm，外圍區(qū)域分辨率10 mm。半導(dǎo)體尺寸為0.78 mm2。Delta4圓柱形模體的材料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，有機玻璃)，密度為1.19 g/cm3，相對電子密度1.147。測量點劑量采用德國IBA公司的驗證點劑量的I’mRT頭部模體(材料為RW3，密度1.045 g/cm3)，和Farmer型指形電離室FC65-G(靈敏體積0.65 cm3，有效半徑0.31 cm)，劑量儀DOSE-1。采用美國Varian公司的計劃系統(tǒng)Ecliipse版本10.0，AcurosXB版本10.0.28。直線加速器Truebeam。

1.3 方法

1.3.1 制作模體計劃 當(dāng)一個患者計劃移植至模體后，一般稱之為模體計劃。模體計劃保證機架、鉛門、MLC和MU數(shù)等和原治療計劃完全一致。計算網(wǎng)格大小為0.25 cm，采用不均勻校正。制作Delta4模體三維劑量驗證計劃:將19例鼻咽癌VMAT計劃移植到Delta4的CT影像制作模體計劃，Delta4的CT影像是由廠家提供的均勻PMMA等效的圓柱體，加入虛擬治療床板Exact IGRT Couch top(thin)，分別使用AXBw和AXBm進行計算，將計劃的RT dose和RT plan以DICOM格式文件從Eclipse計劃系統(tǒng)導(dǎo)入Delta4軟件中，為后面的測量做準備。制作I’mRT模體點劑量驗證計劃:將19例鼻咽癌VMAT計劃移植到I’mRT頭部模體制作模體計劃，加入虛擬治療床板Exact IGRT Couch top(thin)，分別使用AXBw和AXBm進行計算。計算完在模體計劃中選擇劑量均勻處放置測量點，并以測量點為中心勾畫直徑為0.62 cm，體積為0.65 cm3的小圓柱體，模擬測量電離室靈敏體積，在劑量體積直方圖(DVH)中查看所勾畫小圓柱體的平均劑量〔2〕，用于代表計劃中的點劑量，為后面與實測點劑量對比做準備。

1.3.2 劑量測量 Delta4模體三維劑量測量:在使用Delta4對VMAT計劃進行驗證之前，需要用直線加速器和Delta4配套校準模體對Delta4進行校準:參考劑量校準，相對劑量校準，絕對劑量校準，方向性校準。校準完測量一個10 cm×10 cm四野開野盒式照射計劃并保存為日常校準的參考基準〔3〕。進行計劃驗證測量時，連接Delta4硬件，預(yù)熱15 min，使用激光燈對齊，準確擺位。打開Delta4軟件，校準溫度，做一次日常校準，與參考基準對比，得出Daily Correction Factor校準當(dāng)次加速器輸出量產(chǎn)生的誤差成分。對19例鼻咽癌VMAT模體計劃實施測量，測量完軟件自動保存測量數(shù)據(jù)。I’mRT模體點劑量測量:連接DOSE-1劑量儀與Farmer型指形電離室，電離室探頭放于I’mRT模體中與計劃設(shè)計一致的測量點位置，經(jīng)氣壓、溫度和本底信號校準后開始執(zhí)行測量，記錄劑量儀讀數(shù)，并修正為吸收劑量。

1.4 數(shù)據(jù)分析 由于dose deviation在劑量分布梯度大的區(qū)域、DTA在劑量分布平緩區(qū)域容易引起較大誤差，Gamma分析法使得兩者相互彌補不足，因此本研究采取Gamma分析法〔4〕。對AXBw計劃劑量強度分布與實測劑量強度分布的對比結(jié)果使用3 mm/3%標準和2 mm/2%標準進行Gamma分析，記錄Gamma通過率。再將AXBm的RT dose以DICOM RT(.dcm)格式導(dǎo)入Delta4軟件與實測劑量強度分布做對比，使用3 mm/3%標準和2 mm/2%標準進行Gamma分析，分別記錄Gamma通過率，簡記為Gamma_3 mm/3%和Gamma_2 mm/2%〔5〕。點劑量誤差采用以下公式進行計算:(計劃值－實測值)/實測值×100%。對Gamma_3 mm/3%和Gamma_2 mm/2%和點劑量誤差使用SPSS V19進行統(tǒng)計分析，計算AXBw和AXBm的Gamma_3mm/3%、Gamma_2mm/2%和點劑量誤差的差值，采用Shapiro-Wilk法進行正態(tài)性檢驗，滿足正態(tài)性則行配對t檢驗。

2 結(jié)果

Gamma值通過率:以3 mm/3%標準，AXBw比AXBm高(7.8±3.5)%，95%CI(6.1%，9.5%);以2 mm/2%標準，AXBw比AXBm高(25.1±6.6)%，95%CI(21.9%，28.3%)。點劑量:AXBw比AXBm 好(1.43±0.14)%，95%CI(1.37%，1.50%)。見表1。

表1 AXBw與AXBm的數(shù)值統(tǒng)計(±s，%)

表1 AXBw與AXBm的數(shù)值統(tǒng)計(±s，%)

變量AXBw AXBm Gamma_3 mm/3% 99.8±0.2 92.0±3.6 Gamma_2 mm/2% 95.7±1.8 70.6±7.7點劑量誤差 －0.17±0.57 －1.60±0.52

3 討論

本研究中不使用Delta4模體進行CT掃描而獲取模體影像的原因是為了避免半導(dǎo)體探測器在CT掃描中引出誤差。模體計劃加入虛擬治療床板Exact IGRT Couch top(thin)，是考慮到VMAT計劃中有約三分之一弧的射束穿過治療床，依機架角與床面的傾斜程度，治療床有2%到5%的衰減〔6〕。

AcurosXB算法屬于求解線性玻耳茲曼輸運方程(LBTE)類型的算法，目的是模擬介質(zhì)中沉積的劑量〔7〕，特點在于使用了數(shù)值的方法確定性地直接地求解LBTE。AcurosXB的兩種劑量報告模式輸運計算(即碰撞電子通量計算)是一樣的，都是基于病人或模體的介質(zhì)屬性，而不考慮是否選擇dose to water還是dose to medium，僅僅后處理部分是不同的。后處理中，將碰撞電子通量轉(zhuǎn)換為吸收劑量，轉(zhuǎn)換系數(shù)是介質(zhì)的質(zhì)量碰撞阻止本領(lǐng)。當(dāng)計算dose to medium時，質(zhì)量碰撞阻止本領(lǐng)是基于介質(zhì);當(dāng)計算dose to water時，質(zhì)量碰撞阻止本領(lǐng)是基于水，類似于計算一小體積(足夠小沒有明顯擾動碰撞電子通量)水接受到的劑量。國外Walters等〔8，9〕學(xué)者研究表明兩種劑量報告模式所表示的劑量在軟組織中差異小，約1%，在骨組織和肺組織差異大，高達15%。本研究使用的模體影像的密度與水差異很小，理論上dose to water與dose to medium劑量差異不大，然而本研究表明在鼻咽癌VMAT計劃劑量驗證中dose to water與dose to medium計算的劑量之間存在的系統(tǒng)偏差數(shù)值較大，并且直接影響到鼻咽癌VMAT計劃的驗證結(jié)果，不容忽視。

傳統(tǒng)光子束放療劑量計算通常報告dose to water，有多個因素:治療計劃算法的歷史發(fā)展;人體細胞和體液中水占了絕大部分體積;國際原子能機構(gòu)(IAEA)TRS-398報告和美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)家協(xié)會(AAPM)TG-51報告規(guī)定使用電離室在水中校準治療機器的絕對劑量〔10〕;治療計劃系統(tǒng)射束模型輸入的數(shù)據(jù)比如百分深度劑量(PDD)、橫截面離軸比(OAR)曲線和輸出因子都是在水模體中測量得到的。Delta4校準時使用電離室標定絕對劑量，而電離室測量的劑量是定義在水模體中的劑量，因此，Delta4和電離室測到的劑量是dose to water。本研究數(shù)據(jù)表明，Delta4模體測得的三維劑量和I’mRT模體測得的點劑量與dose to water劑量報告模式計算的劑量更為接近(Gamma通過率越接近100%、點劑量誤差越接近0%，說明計算值與實測值越接近)。因此，使用Delta4模體和I’mRT模體進行鼻咽癌AcurosXB容積調(diào)強放療計劃驗證時，建議使用dose to water劑量報告模式計算模體計劃以減少驗證的誤差。若計劃使用dose to medium進行計算，則需要將實測劑量修正轉(zhuǎn)換為dose to medium〔9〕再與計劃中的dose to medium劑量對比。

1 Ling CC，Zhang P，Archambault Y，et al.Commissioning and quality assurance of RapidArc radiotherapy delivery system〔J〕.Int J Radiat Oncol Biol Phys，2008;72(2):575-81.

2 戴建榮，胡逸民，張紅志，等.針對患者調(diào)強放射治療計劃的劑量學(xué)驗證〔J〕.中華放射腫瘤學(xué)雜志，2004;13(3):229-33.

3 陸佳揚，林 珠，陳志堅.基于Delta4對Truebeam容積調(diào)強放療(VMAT)計劃的驗證評估〔J〕.中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2013;30(3):4118-47.

4 苗 利，孫彥澤，李新民.放射治療劑量驗證中常用劑量分布比較方法及分析〔J〕.輻射研究與輻射工藝學(xué)報，2012;30(4):247-51.

5 Low DA，Harms WB，Mutic S，et al.A technique for the quantitative evaluation of dose distributions〔J〕.Med Phys，1998;25(5):656-61.

6 Bedford JL，Lee YK，Wai P，et al.Evaluation of the Delta4 phantom for IMRT and VMAT verification〔J〕.Phys Med Biol，2009;54(9):167-76.

7 Fogliata A，Nicolini G，Clivio A，et al.Dosimetric evaluation of Acuros XB Advanced Dose Calculation algorithm in heterogeneous media〔J〕.Radiat Oncol，2011;19(6):82.

8 Walters BR，Kramer R，Kawrakow I.Dose to medium versus dose to water as an estimator of dose to sensitive skeletal tissue〔J〕.Phys Med Biol，2010;55(16):4535-46.

9 Siebers JV，Keall PJ，Nahum AE，et al.Converting absorbed dose to medium to absorbed dose to water for Monte Carlo based photon beam dose calculations〔J〕.Phys Med Biol，2000;45(4):983-95.

10 Huq MS，Andreo P，Song H.Comparison of the IAEA TRS-398 and AAPM TG-51 absorbed dose to water protocols in the dosimetry of high-energy photon and electron beams〔J〕.Phys Med Biol，2001;46(11):2985-3006.