不同算法模型在宮頸癌根治術后固定野調強放射治療中劑量學分析

葛 雙 郗會珍 王 尋 葉書成* 馬 俊 陳長建 朱培軍 楊君東 程淑媛

不同算法模型在宮頸癌根治術后固定野調強放射治療中劑量學分析

葛 雙①郗會珍①王 尋②葉書成①*馬 俊①陳長建①朱培軍①楊君東①程淑媛①

目的：比較宮頸鱗癌根治術后患者在固定野調強放射治療(FF-IMRT)計劃設計時采用各向異性分析算法(AAA)和筆形束卷積(PBC)算法的劑量學差異。方法：隨機選取10例術后接受放射治療的宮頸鱗癌患者的定位CT影像資料，分別采用Varian Eclipse放射治療計劃系統(TPS)提供的AAA和PBC兩種劑量算法模型，對七野均分的同一調強計劃(IMRT)進行劑量計算，并用電子射野影像裝置(EPID)進行劑量驗證，比較兩種算法模型的劑量-體積直方圖(DVH)圖上靶區、小腸、結腸、直腸、膀胱、股骨頭等危及器官(OARs)的吸收劑量與體積參數和機器跳數(MU)、驗證結果γ通過率等參數的差異。結果：兩種算法模型得到靶區的平均劑量(Dmean)與最大劑量(Dmax)PBC算法略高于AAA，適形度指數(CI)和靶區劑量均勻性指數(HI)的AAA結果均好于PBC算法，MU的AAA略高于PBC算法。小腸的V15、Dmean、50%的覆蓋體積受照的最小劑量(D50%)，結腸的Dmean、D50%，膀胱的V30、V40、V45、Dmean、D50%，左、右股骨頭的Dmean的AAA的結果均高于PBC算法；結腸的Dmax，直腸的Dmean、Dmax、D50%和V45的PBC算法略高于AAA。平均差異除直腸的V45和結腸的V40(21.38%，3.59%)較大外，其余參數的偏差在0.07%～1.70%之間，相同角度射野兩種算法的γ通過率結果均＞98%，差異無統計學意義(t=-0.886，t=0.424，t=0.261，t=-1.426，t=0.284，t=-0.552，t=0；P＞0.05)。結論：在宮頸癌根治術后，七野調強放射治療計劃中兩種算法獲得的靶區和OARs的劑量學參數存在一定的差異，但均可滿足臨床要求，且劑量驗證通過率差異無統計學意義。兩種算法均可應用于臨床，但在直腸保護、降低放射性直腸損傷發生率方面，AAA要好于PBC算法。

宮頸癌；各向異性分析算法；筆形束卷積算法；調強放射治療；劑量學；醫用直線加速器

宮頸癌是近年來發展中國家婦女中最常見的婦科惡性腫瘤，其中90%為鱗狀細胞癌，嚴重影響著患者的身心健康和生活質量[1]。目前針對早期宮頸癌(IBIIA)的治療主要采用根治性子宮切除術及盆腔淋巴結清掃術的方法，為了降低復發的高危因素影響，行全盆腔輔助放射治療，以提高患者總的生存率[2-4]。

近年來，伴隨放射治療設備的不斷升級，調強放射治療技術被廣泛應用于宮頸癌放射治療中，與傳統放射治療相比，其能有效實施靶區處方劑量，同時降低周圍重要器官的受照劑量及發生并發癥的可能性，但對靶區和危及器官(organ at risk，OARs)劑量計算的準確性有更高的要求[5]。計劃系統內劑量計算的準確性與臨床腫瘤放射治療效果和毒性反應有著密切的關系，直接影響腫瘤控制概率(tumor control probability，TCP)以及正常組織并發癥概率(normal tissue complications probability，NTCP)。因此，針對相同優化條件的放射治療計劃，在劑量計算時，選取不同的劑量算法模型，可能導致靶區及重要器官劑量分布計算結果的差異。國際輻射單位與測量委員會(International Commission on Radiation Units and Measurements，ICRU)24報告[6]指出，5%的劑量誤差就會導致TCP的10%～20%的變化，而NTCP會有更大的變化[7]。

本研究探討了各向異性分析算法(anisotropic analytical algorithm，AAA)和筆形束卷積(pencil beam convolution，PBC)算法在10例宮頸鱗癌患者根治術后七野FF-IMRT計劃中靶區和OARs的劑量學差異，并采用電子射野影像裝置(EPID)劑量學驗證系統對兩種算法的γ通過率進行測量，為臨床實踐提供劑量學參考和指導。

1 材料與方法

1.1 病例材料

選取2016年4月至2017年1月在濟寧醫學院附屬醫院腫瘤放療科接受放射治療的10例宮頸鱗癌根治術患者的CT影像資料，患者年齡34～76歲，平均年齡50.1歲。按國際婦產科協會(FIGO)分期，10例患者ⅠB1期3例，ⅠB2期3例，ⅡA期4例。手術方式均為廣泛子宮、雙附件切除和盆腔淋巴結清掃術。術后病理為中、低分化鱗狀細胞癌，存在高危因素，需行全盆腔放射治療。

1.2 儀器設備

醫用電子直線加速器(美國 瓦里安Ix)、大孔徑CT模擬定位機(荷蘭 飛利浦Brilliance)、電子射野影像裝置(EPID)和Varian Eclipse計劃系統。

1.3 定位CT圖像采集

所有患者均采用仰臥位，腹盆腔體模固定，雙手抱肘(右手在上，左手在下)置于額頭，通過三維定位激光來確保患者的正中位、水平位與CT定位床板平行。囑咐患者在CT模擬機定位前排盡小便，口服800～1000 ml溫開水，開始憋尿以保證中等程度的膀胱充盈，1 h后開始掃描采集CT圖像。數據采集應用Philips Brilliance大孔徑CT模擬定位機，CT掃描同時靜脈注射碘海醇90 ml進行影像對比增強，注射速率2.5～3.0 ml/s。CT掃描的層厚和間隔均為5 mm，范圍自腰2椎體上緣至坐骨結節下5 cm，獲得的CT圖像傳輸至Varian Eclipse放射治療計劃系統(treatment planning system，TPS)。

1.4 靶體積及OARs的勾畫和處方劑量

將采集的CT圖像在TPS計劃系統進行三維重建處理后，根據美國放射治療腫瘤學組(RTOG)宮頸癌術后靶區勾畫指南和ICRU 83號報告[8]勾畫靶區、膀胱、直腸、小腸等OARs。臨床腫瘤靶體積(clinical target volume，CTV)包括陰道上段1/2及殘端、陰道旁軟組織和盆腔淋巴引流區域(髂內外、骶前、閉孔淋巴結、髂總淋巴結)。將CTV邊界在三維上均勻外擴5～10 mm得到計劃靶體積(planning target volume，PTV)，同時需要勾畫的OARs包括膀胱、小腸、結腸、直腸及雙側股骨頭。處方劑量滿足95%PTV接受4500 cGy，分25次，每次180 cGy。

1.5 計劃設計

在TPS計劃系統中對10例患者均采取固定射野逆向調強(FF-IMRT)方式制定治療計劃，照射方式為七野等中心照射，入射角分別為0°、51°、102°、153°、204°、255°和306°。

(1)優化限制條件的設置：處方劑量均設定為4500 cGy，要求95%PTV接受4500 cGy，5%PTV接受4700 cGy。

(2)計劃優先(Priority)順序：為CTV＞PTV＞直腸＞膀胱＞小腸和結腸＞股骨頭(膀胱D50%＜4500 cGy，直腸V45＜50%，小腸和結腸Dmax＜4800 cGy，雙側股骨頭D40%＜1800 cGy)。射線質選取VARIAN ix直線加速器提供的6 MV的X射線，劑量率設置為400 MU/min。對同一個計劃，設置相同的優化和歸一參數，選取AAA和PBC兩種劑量算法模型分別進行劑量計算。

1.6 劑量驗證

在TPS中通過Portal Dosimetry模塊對兩種劑量算法的放射治療計劃分別生成劑量驗證計劃(Verification Plan)，射野角度全部歸零，將其傳輸到VARIAN加速器配備的電子射野影像裝置(EPID)進行二維劑量學驗證。Gamma分析中設置約束條件限值為：劑量容度(Dose Tolerance)為3%，距離偏差(DTA)＜3 mm，以感興趣區域內γ值＜1為通過，要求通過率好于95%，即為測量結果與計劃系統計算結果一致。

1.7 計劃評估及劑量學評價

評價指標的參數通過靶區和OARs的劑量-體積直方圖(DVH)進行比較，參數包括最小劑量(Dmin)、最大劑量(Dmax)、平均劑量(Dmean)、95%的PTV覆蓋體積受照的最小劑量(D95%)、靶區劑量均勻性指數(homogeneity index，HI)、適形度指數(conformity index，CI)，小腸、結腸、直腸和膀胱的受照射劑量分別＞15 Gy、30 Gy、40 Gy和45 Gy的體積占危及器官總體積的百分比(V15、V30、V40和V45)，50%的覆蓋體積受照的最小劑量(D50%)，左、右股骨頭5%的覆蓋體積受照的最小劑量(D5%)，其HI計算為公式1：

而CI計算為公式2：

式中D2%為2%的PTV覆蓋體積受照的最小劑量，D98%為98%的PTV覆蓋體積受照的最小劑量，D50%為50%的PTV覆蓋體積受照的最小劑量，VTV95%為95%等劑量線所包繞的PTV的體積，VTV為PTV的總體積，V95%為95%等劑量線所包繞的總體積。HI值越小，劑量跌落區越陡，靶區內劑量變化梯度越小，表示靶區劑量分布均勻性越好；CI值范圍是0～1，值越大，表示適形度越好。正常組織的分析指標是受到特定劑量水平照射的體積百分比，越接近于1，表示靶區劑量分布的適形度越好。

1.8 統計學方法

數據結果采用SPSS 17.0軟件進行統計學分析，對得到的兩種劑量算法模型的各劑量學參數結果采用配對t檢驗分析，以P＜0.05為差異有統計學意義；平均偏差(DP)為兩種算法平均值的差值與AAA平均值的百分比。

2 結果

2.1 靶區劑量學參數及MU的差異

CTV和PTV的Dmean與Dmax的PBC算法均略高于AAA，差異有統計學意義(t=-6.621，t=-4.061；P＜0.05)，平均差異最大為0.96%，Dmin差異無統計學意義(t=0.986，t=1.523；P＞0.05)，PTV的95%覆蓋體積受照的D95%差異無統計學意義(t=0.623，P＞0.05)，AAA的CI和HI均好于PBC算法，差異有統計學意義(t=2.552，t=-14.036；P＜0.05)；MU的AAA(1580±99.03)略高于PBC算法(1563±97.04)，差異有統計學意義(t=7.373，P＜0.05)，見表1。

2.2 OARs劑量學參數的差異

小腸的V15、Dmean和D50%的AAA結果高于PBC算法，平均偏差分別為0.64%、0.81%與1.24%，差異有統計學意義(t=2.56，t=2.576，t=2.78；P＜0.05)；V30和V40差異無統計學意義(t=0.274，t=-0.079；P＞0.05)；結腸的Dmean和D50%的AAA結果略高于PBC算法，平均偏差為0.6%和1.2%，差異有統計學意義(t=2.61，t=2.413；P＜0.05)；Dmax的PBC算法略高于AAA，平均偏差為0.84%，差異有統計學意義(t=-3.34，P＜0.05)；V15、V30和V40差異無統計學意義(t=2.142，t=-0.796，t=-2.069；P＞0.05)；直腸的Dmean、Dmax、D50%和V45的PBC算法結果均高于AAA，其中除V45平均偏差較大為21.38%外，其余分別為1.05%、0.88%和0.97%，差異有統計學意義(t=-4.77，t=-3.201，t=-3.383，t=-4.427；P＜0.05)；膀胱的V30、V40、V45、Dmean和D50%的AAA算法結果略高于PBC算法，平均偏差最大為1.54%，差異有統計學意義(t=0，t=0.001，t=0.024，t=0，t=0；P＜0.05)；Dmax差異無統計學意義(t=-0.75，P＞0.05)；左、右股骨頭的Dmean的AAA結果略高于PBC算法，差異有統計學意義(t=8.343，t=6.591；P＜0.05)；Dmax與D5%差異無統計學意義(t=1.665，t=0.821，t=1.98，t=2.232；P＞0.05)，見表2。

表1 AAA與PBC算法靶區劑量學參數的差異(±s)

表1 AAA與PBC算法靶區劑量學參數的差異(±s)

表2 兩種算法OARs劑量學參數的差異(±s)

表2 兩種算法OARs劑量學參數的差異(±s)

表3 不同角度7射野兩種算法通過率的差異

2.3 EPID劑量驗證通過率的差異

采取相同角度單一射野驗證結果進行比較，7個射野兩種算法各自的γ通過率結果均＞98%，平均差異非常小，兩種算法總的通過率為99.16%和99.17%，差異無統計學意義(t=-0.886，t=0.424，t=0.261，t=-1.426，t=0.284，t=-0.552，t=0；P＞0.05)，見表3。

3 討論

放射治療計劃系統中不同的劑量算法其計算原理不同，PBC和AAA均是基于模型的算法，模型建立的準確性將直接影響到劑量計算的精度[9]。PBC算法是一維能量非局部沉積算法，是基于筆形束核的卷積模型，采用了快速傅立葉變換，深度方向和側向電子密度修正在卷積過程中不考慮，因此對光子穿過不同電子密度組織時的二次建成效應體現較弱，但基本可以滿足劑量計算準確性的要求[10-11]；AAA模型的建立考慮了原射線、電子線污染以及散射線的影響，是三維的PBC疊加算法[12-15]。對于側向不均勻組織進行了等效電子密度的修正，在不均勻介質中的劑量計算更準確，也更接近于測量值[16]。

對于AAA與PBC算法的劑量學對比的研究國內外均有相關文獻報道，主要集中于肺癌、鼻咽癌等部位的劑量學差異。Fogliata等[17]和張富利等[18]提出肺癌PBC算法和AAA的HI及CI無差異，但是肺的指標差異顯著，AAA計算結果受呼吸影響的幅度小于PBC算法，因此采用AAA更好。張先穩等[19]報道，鼻咽癌AAA與PBC算法相比，靶區的HI及CI的Dmean更有優勢，腦干、脊髓、晶體以及視神經的最大劑量值均更低。結果均顯示出在低密度區域或空腔部位AAA精度好于PBC算法，但針對兩種算法模型在宮頸癌術后患者治療計劃方面的劑量學差異研究不多。

宮頸癌術后患者解剖結構復雜，靶區體積大，周圍的膀胱、小腸、直腸等OARs緊密包繞靶區，極易受到過量照射，因此有必要開展AAA與PBC算法針對宮頸癌術后患者劑量學差異的研究，探討較優的劑量算法。

本研究結果表明，兩種算法模型得到的靶區的Dmean、Dmax，小腸的V15、Dmean、D50%，結腸的Dmean、D50%，膀胱的V30、V40、V45、Dmean、D50%，左、右股骨頭的Dmean，結腸的Dmax，直腸的Dmean、Dmax、D50%、V45等劑量學參數PBC算法與AAA結果相差不大，平均偏差均＜2%，其原因是由于宮頸癌根治術后靶區位于盆腔較深區域，與周圍組織密度相差不大，造成組織間劑量跌落效應變小，AAA的優勢不明顯；直腸的V45和結腸的V45平均差異較大，分別為21.38%和3.59%，PBC算法明顯高于AAA，主要原因是直腸的大部分和結腸的一部分是包含到靶區內，造成PBC算法趨向于過高估計靶區內低密度組織的吸收劑量，與譚麗娜等[12]的報道一致。靶區的CI和HI的AAA結果要略優于PBC算法；MU的AAA略高于PBC算法1.08%，兩者計劃實施的時間相差不大。電子射野影像裝置(EPID)的驗證實際測量結果與兩種算法的計算結果γ通過率均＞98%，相差不明顯，無統計學意義。

綜上所述，在宮頸癌根治術后調強放射治療計劃中兩種算法獲得的靶區和OARs的劑量學參數差異不大，并且劑量驗證通過率差異無統計學意義。兩種算法均可以應用于臨床，但在降低放射性直腸損傷毒性，保護直腸方面，AAA要好于PBC算法。

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Dosimetric analysis of different algorithms model in fixed field IMRT after radical operation of cervical squamous carcinoma

GE Shuang, CHI Hui-zhen, WANG Xun, et al

Objective:To compare the dosimetric difference of patients with cervical squamous carcinoma in application of fixed-fields IMRT(FF-IMRT) between anisotropic analytical algorithm(AAA) and pencil beam convolution(PBC)algorithm.Methods:The location CT images of 10 patients with cervical squamous carcinoma who

radiotherapy post-operation were randomly selected in the research. Each IMRT that was averaged by seven-fields was calculated by AAA and PBC, respectively, that were provided by varian eclipse TPS. And the electronic portal imaging device (EPID)was applied to verify the dosage. The adsorbed dose, volume parameter, MU, the passing rate of γon series of organ at risks (OARs), that included of target region, small intestine, colon, rectum, bladder and femoral head, on the dosevolume histogram (DVH) of the two algorithm model were compared.Results:Dmeanand Dmaxof the target region of PBC algorithms were slightly higher than those of AAA algorithms, while CI and HI of AAA algorithms were better than that of PBC algorithm, and the MU of AAA was slightly higher than that of PBC algorithm. For V15, Dmean, D50%of small intestine, Dmean, D50%of colon, V30, V40, V45, Dmean, D50%of bladder, Dmeanof double femoral head, all of results of AAA are higher than that of PBC algorithm. Dmax of colon, Dmean, Dmax, D50%and V45of rectal of PBC algorithms were slightly higher than that of AAA. The average differences of most of parameters were between 0.07% and 1.70% except V45(21.38%) of rectum and V40(3.59%)of colon. The pass rates of γ of the two algorithms at same field were higher than 98%, and the difference between them were not statistically significant (t=-0.886, t=0.424, t=0.261, t=-1.426, t=0.284,t=-0.552, t=0, P＞0.05).Conclusion:There are some differences in the dosimetric parameters of the target region and OARs which are obtained from two algorithms in seven fields FF-IMRT of post radical operation of cervical squamous carcinoma, but all of them can meet the clinical requirements and the difference of the pass rate of dose verification is not statistically significant. Therefore, both of algorithms can be used in clinical practice. However, in these aspects of protecting rectum and reducing the incidence of radioactive rectal injury, AAA is better than PBC algorithm.

Cervical squamous carcinoma; Anisotropic analytical algorithm; Pencil beam convolution algorithm;Intensity modulated radiotherapy; Dosimetry; Medical linear accelerator

Department of Tumor Radiotherapy, Affiliated Hospital of Jining Medical University,Jining 272000, China.

1672-8270(2017)11-0034-06

R814.2

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.11.0010

葛雙,男,(1989- ),碩士，物理師。濟寧醫學院附屬醫院腫瘤放療科，研究方向：腫瘤放射治療物理學。

①濟寧醫學院附屬醫院腫瘤放療科 山東 濟寧 272000

②濟寧醫學院附屬醫院醫學影像中心 山東 濟寧 272000

*通訊作者：18678766862@163.com

China Medical Equipment,2017,14(11):34-39.

2017-07-05