Compass三維劑量驗證系統在鼻咽癌容積旋轉調強放射治療計劃劑量驗證中的應用*

吳廣鑫 蔡勇君 陳濟鴻 柏朋剛 王藝輝*

容積旋轉調強放射治療(volumetric modulated arc therapy，VMAT)是近年來發展起來的一種新的調強放射治療(intensity modulated radiation therapy，IMRT)[1-2]技術，該技術對治療計劃系統(treatment planning system，TPS)、網絡系統以及直線加速器的各項參數提出了更高的要求，對劑量精準提出了更高的標準。鼻咽癌采取VMAT時，因其靶區復雜、危及器官(organ at risk，OAR)較多、劑量梯度較大等因素更加要求放射治療劑量的精確。

Compass三維劑量驗證系統是一種先進的驗證設備，能夠提供基于患者的各個靶區和OAR等感興趣區域(region of interesting，ROI)的二維和三維劑量信息，為各ROI理論和實際的劑量差異提供更多的信息[3]。目前Compass的臨床應用研究主要集中在食管癌[4]、宮頸癌[5]、前列腺癌[6]以及直腸癌[7]等腫瘤方面，對鼻咽癌的研究相對較少。基于以上原因，本研究回顧性分析17例鼻咽癌單弧VMAT計劃的劑量驗證數據，分析各ROI理論和實際照射劑量差異的原因，為鼻咽癌VMAT技術劑量的精準實施提供數據支持。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

選取解放軍聯勤保障部隊第909醫院收治的17例無轉移鼻咽癌患者，其中男性12例，女性5例；年齡41～69歲，平均年齡(53.70±6.93)歲。根據中國鼻咽癌分期2017版本[8-9](AJCC第八版)進行分期。①T分期：T2、T3及T4分別為4例、8例和5例；②N分期：N1、N2和N3分別為6例、5例和6例；③臨床分期：Ⅱ期4例，Ⅲ期6例，Ⅳa期7例。所有患者均行單弧VMAT放射治療計劃。

1.2 儀器設備

采用SOMATOM Definition雙源64排CT模擬機(德國西門子公司)，IBA Compass 3.1b三維劑量驗證系統，PTW Unidose電離室及固體水；Synergy直線加速器(瑞典醫科達公司)及Monaco 5.11治療計劃系統。

1.3 靶區及OAR的勾畫和劑量設定

依據2010鼻咽癌調強放射治療靶區及劑量設計指引專家共識[10]原發腫瘤及咽后淋巴結的腫瘤靶區GTVnx-P、臨床靶區CTV1-P以及計劃靶區CTV2-P的處方劑量分別為7128 cGy、6600 cGy和5600 cGy；雙側頸部轉移淋巴結GTVnd-R/L-P和預防照射區CTVnd-R/L-P的處方劑量分別為6600 cGy和5600 cGy。OAR包括脊髓、腦干、視交叉、左右腮腺、視神經、晶體、顳葉、垂體及下頜骨等。OAR限量值：脊髓＜45 Gy，腦干＜54 Gy，腮腺D50＜35 Gy，眼晶狀體＜7 Gy，視交叉＜54 Gy，顳頜關節＜70 Gy，顳葉＜60 Gy，眼球＜30 Gy。

1.4 WMAT計劃設計

17例單弧VMAT計劃的優化參數為：蒙特卡羅(Monte carlo，MC)算法，能量為6 MV的X射線，治療床及準直角度均為0°，最大控制點數設定范圍100～120[11]。MC算法不確定度模式1%，機架旋轉角度為順時針180°～360°，最小子野寬度1 cm，區域分割為30°，計算網格3 mm，優化模式為OAR優先(constrained)模式。

1.5 驗證流程

按照廠商標準將Compass的MatriXX和角度傳感器分別固定在直線加速機頭和機架上，依據建模的數據加2 cm的固體水于Matrixx表面做劑量建成，依次進行初次本底測量、預照射、再次本底測量、幾何位置和絕對劑量校準以及機架角度校正等步驟，以上步驟均符合標準后通過放射治療網絡管理系統Mosaiq執行相應的VMAT計劃。

1.6 驗證結果評價指標

采用3 mm、3%、閾值為1的γ通過率標準對各ROI分別計算治療計劃系統和COMPASS自身計算劑量的γ通過率比較(treatment planning systemcomputer dose，TPS-CD)和治療計劃系統和實測重建劑量的γ通過率比較(treatment planning system-reconstructed dose，TPS-RD)的γ通過率。通過劑量體積直方圖(dose volume histogram，DVH)讀取各ROI在TPS及RD上的D1%和D99%平均劑量Dmean等數據，并分別計算TPS-RD之間差值的絕對值和百分比，D1%和D99%分別表示靶區1%和99%體積受到的照射劑量。

1.7 統計學方法

采用SPSS17.0軟件對數據進行統計分析，所有數據均以均數±標準差()記錄。對TPS-CD和TPS-RD的γ通過率比較，TPS-RD的D1%、D99%及Dmean等劑量學比較均采用配對t檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。

表1 靶區和OAR的γ通過率比較(±s)

表1 靶區和OAR的γ通過率比較(±s)

注：表中ROI為感興趣區域；TPS-CD為治療計劃系統和COMPASS自身計算劑量的γ通過率比較：TPS-RD為治療計劃系統和實測重建劑量的γ通過率比較

ROI TPS-CD(%) TPS-RD(%) t值 P值GTVnx-P 98.9±0.43 96.1±2.55 2.110 0.049 CTV1-P 99.1±0.52 97.2±2.13 2.749 0.016 CTV2-P 98.8±0.39 96.3±1.93 2.489 0.038 GTVnd-L-P 97.6±1.53 95.1±3.15 2.687 0.018 CTVnd-L-P 98.1±0.95 95.9±2.89 2.798 0.017 GTVnd-R-P 97.9±1.49 95.2±2.63 2.881 0.015 CTVnd-R-P 98.0±1.61 95.6±2.11 2.921 0.010脊髓 98.3±1.67 98.2±1.33 1.337 0.201腦干 99.3±0.48 98.6±0.42 1.116 0.309左腮腺 98.6±1.23 96.9±1.85 1.411 0.192右腮腺 97.8±1.31 96.3±2.16 1.651 0.115左晶狀體 99.8±0.09 99.7±0.13 0.681 0.508右晶狀體 99.7±0.11 99.6±0.16 0.702 0.498

表2 靶區和OAR的TPS-RD絕對劑量比較(±s)

表2 靶區和OAR的TPS-RD絕對劑量比較(±s)

注：表中ROI為感興趣區域；TPS為治療計劃系統；RD為實測重建劑量的絕對值；TPS-RD為治療計劃系統和實測重建劑量的絕對劑量比較

ROI 指標 TPS(cGy) RD(cGy) 差值 TPS-RD絕對值 百分比 t值 P值GTVnx-P D1% 7700.1±124.9 7614.9±141.9 85.5±40.3 1.11±0.63 0.161 0.812 Dmean 7461.3±159.9 7356.6±110.6 104.7±38.3 1.40±0.41 1.322 0.549 D99% 7142.2±130.4 7056.2±145.3 85.0±39.1 1.19±0.54 1.286 0.551 CTV1-P D1% 7558.6±143.2 7494.2±152.7 64.4±50.6 0.84±0.43 0.171 0.809 Dmean 7099.4±109.6 7006.6±89.6 92.8±63.3 1.31±0.34 1.283 0.564 D99% 6415.3±100.7 6325.2±110.3 90.1±42.1 1.40±0.44 1.396 0.405 CTV2-P D1% 7218.6±159.6 7100.2±171.7 118.4±61.3 1.64±0.43 1.411 0.355 Dmean 6472.3±111.3 6400.6±100.4 92.8±72.6 1.11±0.38 0.999 0.682 D99% 5338.3±98.4 5252.2±95.6 86.1±62.1 1.61±0.29 1.336 0.522 GTVnd-L-P D1% 7146.8±169.3 7009.3±158.6 137.5±51.6 1.92±0.33 1.423 0.348 Dmean 6808.8±106.1 6720.2±80.2 88.6±61.7 1.30±0.41 1.282 0.579 D99% 6441.1±108.7 6358.2±75.5 82.9±44.9 1.29±0.38 1.334 0.539 CTVnd-L-P D1% 7096.3±119.6 7039.3±138.2 57.0±29.3 0.80±0.19 0.865 0.689 Dmean 6180.4±79.4 6090.3±61.2 90.1±54.6 1.46±0.49 1.261 0.598 D99% 5107.1±99.3 5036.2±45.5 70.9±46.2 1.39±0.51 1.252 0.602 GTVnd-R-P D1% 7136.9±144.3 6989.3±132.1 147.6±52.1 2.06±0.33 1.367 0.429 Dmean 6859.3±106.1 6780.6±99.2 78.7±51.3 1.15±0.38 1.225 0.639 D99% 6399.8±108.7 6338.2±52.6 61.8±45.3 0.96±0.29 1.246 0.632 CTVnd-R-P D1% 7066.8±109.2 6999.2±107.2 67.6±39.4 0.96±0.37 0.361 0.753 Dmean 6170.3±66.4 6090.3±41.9 90.0±49.6 1.30±0.59 1.036 0.647 D99% 5138.9±77.3 5059.6±42.3 79.3±51.2 1.54±0.47 1.127 0.641脊髓D1% 3788.9±203.9 3692.6±209.6 96.3±41.1 2.54±0.81 1.349 0.448 Dmean 2109.6±144.3 2023.6±159.8 86.0±31.9 4.07±1.27 1.603 0.159 D99% 608.2±400.1 726.6±509.2 118.4±66.9 19.4±17.1 4.018 0.001腦干D1% 5003.1±503.9 4870.6±489.1 132.5±51.8 2.65±0.72 1.333 0.522 Dmean 2711.4±344.3 2623.6±369.8 87.8±41.3 3.23±0.97 1.594 0.203 D99% 511.2±301.3 428.3±279.1 82.9±46.2 16.2±7.6 4.035 0.001左腮腺D1% 5103.9±311.1 5002.7±299.3 101.2±37.8 1.98±0.66 1.356 0.436 Dmean 2783.1±356.2 2651.2±369.7 131.9±40.4 4.73±1.91 1.685 0.143 D99% 1368.4±199.3 1221.2±181.2 147.2±53.5 10.7±2.89 3.646 0.005右腮腺D1% 4903.1±283.1 4976.2±299.3 73.1±29.8 1.49±0.56 1.036 0.647 Dmean 2671.5±309.6 2771.6±289.5 100.1±41.3 3.75±1.33 1.471 0.248 D99% 1271.5±185.1 1111.6±169.3 159.9±31.5 12.6±3.31 4.112 0.001左晶狀體D1% 400.9±79.6 305.3±88.3 95.6±21.2 23.8±11.4 4.328 0.001 Dmean 311.6±68.3 231.6±59.7 80.0±19.7 25.6±10.2 4.658 0.001 D99% 253.9±57.7 198.6±62.3 55.3±14.6 21.7±9.3 4.210 0.001 D1% 421.3±97.1 319.3±72.1 102.3±35.2 24.2±18.9 4.551 0.001 Dmean 313.3±46.3 225.6±49.2 87.7±29.1 28.0±16.7 4.896 0.001 D99% 261.9±51.4 179.6±42.3 82.3±25.2 31.4±15.8 5.241 0.001右晶狀體

2 結果

2.1 靶區和OAR的γ通過率比較

γ通過率TPS-CD均＞97.5%，TPS-RD均＞95%，且TPS-CD均大于TPS-RD。兩者靶區的γ通過率比較差異均具有統計學意義(t=2.110，t=2.749，t=2.489，t=2.687，t=2.798，t=2.881，t=2.921；P＜0.05)，OAR比較則差異無統計學意義，見表1。

2.2 靶區和OAR的TPS-RD絕對劑量比較

TPS-RD的靶區D1%、Dmean及D99%三項指標絕對劑量差異均無統計學意義；左右晶狀體三項指標絕對劑量差異均有明顯統計學意義(t=4.328，t=4.658，t=4.210，t=4.511，t=4.896，t=5.241；P＜0.05)；脊髓、腦干、左右腮腺等OAR的D99%差異有明顯統計學意義(t=4.018，t=4.035，t=3.646，t=4.112；P＜0.05)；Dmean和D1%差異均無統計學意義，見表2。

3 討論

近20年來，放射治療技術發展日新月異，劑量精確性要求越來越高，驗證方法已由傳統的二維發展為三維。三維劑量驗證優勢明顯，不僅可以探測劑量傳遞中或者TPS的錯誤，還可以在患者圖像中立體顯示劑量偏差分布，因此作為三維劑量驗證設備之一的Compass已經得到了廣泛的運用[12，3]。該系統由探測器和軟件兩部分組成，探測器是由1020個平行電離室組成的MatriXX矩陣，測量有效面積為24.2 cm×24.2 cm，靈敏度體積為0.07 cm3，間距7.62 mm。軟件部分由Beam Commissioning、Detector Commissioning以及Patient 3D Dosimetry組成。①Beam Commissioning模塊的功能是擬合直線加速器劑量學模型，包括百分深度劑量、離軸比曲線和因子及輸出因子等因素；②Detector Commissioning模塊的功能是在驗證之前標定MatriXX矩陣的幾何位置和電離室的絕對劑量；③Patient 3D Dosimetry模塊可利用其自帶的卷積/超分割算法(collasped cone convolution，CCC)對TPS的原始計劃進行獨立計算，即基于TPS數據重新計算劑量，也就是CD，此外還可將MatriXX矩陣固定于機頭上，實際照射后采集注量圖和角度信息后基于CCC算法重建出三維劑量分布，也就是RD。

本研究中，Compass三維驗證系統和Monaco在使用之前都必須與相應的直線加速器模型擬合，建模和數據擬合的過程中必然會產生誤差，且Monaco使用的MC算法與Compass的CCC算法也存在誤差，兩種誤差最終體現出來的是TPS-CD之間的γ通過率，各ROI在TPS-CD的γ通過率都在97.5%以上，表明上述兩種誤差帶來的影響較小。各ROI在TPS-RD的γ通過率均低于TPS-CD，這是因為影響TPS-RD的γ通過率原因除了與TPS-CD共同因素之外還有驗證時Compass擺位精度、直線加速器MLC走位與機架旋轉精度、劑量標定與劑量率的準確性等因素。靶區相關ROI的兩組γ通過率比較具有統計學意義，這是因為靶區所在空間為高劑量區域且劑量梯度落差大，較多的參考點無法在半徑為3 mm的球體空間匹配到劑量相同的點，雙側頸部淋巴轉移區及其預防照射區的γ通過率低于原發腫瘤相關靶區，考慮是由于其所處空間毗鄰皮膚，因劑量建成的原因導致一定的劑量誤差[13]。OAR相關ROI的兩組γ通過率比較無統計學意義，是因為其所在空間為低劑量區且劑量梯度落差小，基于上述原因有較高的γ通過率。

本研究對TPS-RD絕對劑量進行了統計對比，雖然絕對劑量對比體現的只有局部，臨床實際應用以體現全局對比的γ通過率驗證為主，但仍可為劑量的精準實施進一步提供數據支持。通過表2可見靶區D1%、Dmean及D99%三項指標絕對劑量差均＜200 cGy，百分差均＜2.5%，且差異均無統計學意義，提示TPS的理論劑量和實際的重建劑量高度吻合。晶狀體三項指標絕對劑量差異均有明顯統計學意義，除晶狀體外的OAR的D99%差異有統計學意義，Dmean和D1%差異均無統計學意義，所有OAR有統計學差異的指標均為低劑量區，但其絕對劑量差均＜200 cGy，臨床實際意義不大，臨床應用中舍棄低劑量區絕對劑量的對比。本研究僅為17例患者資料，可能存在統計學偏差，且此類研究受所選患者的TNM分期、靶區勾畫和計劃制定的主客觀差異、直線加速器的型號和性能以及TPS的型號等因素影響較大。基于以上原因，本研究所得驗證數據可能與類似研究有一定的差距，故未做橫向對比。

4 結語

通過本研究的分析，在使用Compass三維驗證系統時，應綜合考慮靶區復雜程度、ROI的體積及所處位置以及劑量梯度等因素，并以γ通過率驗證為主、絕對劑量驗證進一步提供數據支持。