基于Compass的鼻咽癌調強放療三維劑量驗證

林曉輝，張書旭，廖煜良，曾慶星，張國前，余輝，雷懷宇

廣州醫科大學附屬腫瘤醫院 放療中心，廣東 廣州 510095

引言

單純放療或以放療為主的綜合治療是鼻咽癌的主要治療方法，其中多野調強放療或容積旋轉調強放療在臨床治療上的應用越來越廣[1-2]。為了確保放療計劃的精確執行，須進行必要的劑量驗證[3]。近年來，三維劑量驗證正在逐步取代一維[4]和二維劑量驗證[5-6]，成為主要的驗證手段。常用的三維劑量驗證驗證系統有Delta4[7]、ArcCheck[8]、Compass[9]等。其中，IBA Dosimetry 公司生產的Compass系統基于串筒卷積迭加算法（Collapsed Cone Convolution，CCC）劑量計算模型，一方面，可以通過Compass 獨立核算獲得患者的三維劑量分布，再將其與原TPS 計劃劑量分布進行對比分析，達到核算驗證的目的；同時，該系統還可采用帶角度傳感器的二維空氣電離室矩陣MatriXX，實際測量患者放療計劃執行時的劑量信息，結合患者CT 圖像和系統內置CCC 劑量計算模型，重建出患者三維劑量分布，再與原TPS 計劃劑量分布進行對比分析，從而實現三維劑量驗證[10]。本研究中，擬同時利用Compass 三維驗證系統的獨立核算劑量和實測重建劑量分析功能，對鼻咽癌患者調強放療計劃進行兩種模式的三維劑量驗證，包括對患者全部受照區域的劑量差異進行分析，以及對各靶區、危及器官單獨分析，以深入探討Compass 系統在鼻咽癌調強放射治療驗證中的作用和意義。

1 材料和方法

1.1 臨床病例

選取鼻咽癌患者30 例，采用IMRT 放療的患者8 例，采用VMAT 放療的患者22 例，其中IMRT 采用9 野共面設計，0～360°等角度分布，VMAT 采用兩個全弧設計，兩弧分別為順時針181°～179°和逆時針179°～181°，患者年齡30～80 歲，平均年齡50 歲，中位年齡49 歲，劑量計算采用CCC 算法模型。

1.2 設備

美國Varian 公司生產的醫用直線加速器Clinac iX，所用X 射線能量為6 MV。計劃設計時采用Philips 公司生產的Pinnacle（V9.10）放療計劃系統，劑量驗證采用德國IBA公司生產的Compass（V3.1）三維劑量驗證系統，該系統主要包括角度傳感器、固體水模塊、劑量計算、分析軟件及二維空氣電離室矩陣MatriXX。該矩陣由1020 個空氣電離室組成，每個電離室大小為Φ4.5 mm，高度5 mm，靈敏體積0.07 cc，電離室中心彼此相距7.62 mm，有效測量范圍24 cm×24 cm。GE Lightspeed 16/64 排大孔徑模擬定位CT。

1.3 方法

1.3.1 靶區勾畫和計劃設計

鼻咽癌患者按放療體位固定后，進行CT 模擬定位掃描，掃描后將圖像經網絡傳輸至Pinnacle V9.10 放療計劃系統中，由同一醫生勾畫腫瘤靶區（GTVnx）、轉移淋巴結（GTVnd）、高危亞臨床灶（CTV1）、預防照射區（CTV2）。危及器官包括腮腺、腦干、脊髓、顳葉、晶體、眼球、視神經、視交叉等。靶區勾畫完成后，進行6 MV X 線9 野IMRT 或兩個全弧VMAT 放療計劃設計，劑量率300 MU/min，劑量計算網格3 mm。計劃完成后，得到計劃劑量分布（Plan Dose，PD），并將放療計劃系統生成的RT plan、RT Structure、RT Dose、CT Images 以Dicom RT 格式分別傳輸至Compass 系統和Mosaiq 放療記錄和驗證系統中備用。

由計劃系統自動勾畫皮膚，并逐層檢查和修改，得到“外輪廓”，該輪廓包含了固定面罩及所有的組織、器官；然后將外輪廓內縮3 mm 形成新輪廓，將其包含的所有器官、組織視為一個整體興趣區，簡稱軀體。

1.3.2 Compass系統準備

通過專用托架，將二維空氣電離室矩陣MatriXX 固定在加速器機頭上，在MatriXX 表面附加3 cm 固體水模塊并鎖緊，按操作手冊步驟進行MatriXX 的水平位置和中心位置調校，并在機架合適位置裝好角度傳感器。將系統硬件設施與控制軟件系統相聯后，進行本底測量；然后，使用6 MV X 射線對探測器預照射500 MU 后，再次進行本底測量；最后，進行電離室中心位置校準和絕對劑量刻度及角度傳感器設置。

1.3.3 數據采集和處理

開啟Compass 系統，按放療計劃進行實際照射，通過MatriXX 采集并保存每個病人各角度、各子野的劑量信息，將其用于三維劑量計算和重建。Compass 基于放療計劃的RT-Plan、患者CT 圖像和內置劑量計算模型CCC，獨立計算出患者的三維劑量分布（Compute Dose，CD），下稱核算劑量；同時，根據實測劑量信息，結合患者CT 圖像和系統內置劑量計算模型CCC，Compass 系統重建出患者三維劑量分布（Reconstructed Dose，RD），下稱重建劑量。通過Gamma 通過率、感興趣區域99%體積接受的處方劑量（D99%）、平均劑量（Dmean）和1%體積接受的處方劑量（D1%）等參數的對比分析，驗證計劃劑量的準確性[11-12]。

本研究分別對計劃劑量、核算劑量、重建劑量分布進行兩兩對比分析，為了敘述方便，后文中將計劃劑量與核算劑量對比稱為A 組，計劃劑量與重建劑量對比稱為B 組，核算劑量與重建劑量對比稱為C 組。首先，對軀體、各靶區和危及器官按3 mm/3%標準進行Gamma 通過率評估；然后，對比分析各感興趣區域D99%、Dmean和D1%等，并計算其劑量相對偏差；最后，對A、C 組間Dmean的差異值進行統計并做顯著性分析，同時計算各靶區和危及器官平均劑量相對偏差，其目的是分析不同的劑量計算模型和不同的劑量參數模型及計劃執行時各種因素綜合作用（MLC到位精度、機器劑量性能、數據采集精度等）對驗證結果的影響。研究中，各靶區和危及器官平均劑量的相對偏差（Pmean）按式(1)計算：

其中，Pmean代表平均劑量相對偏差。例如A 組中，D(Eval)mean為Compass 核算時各靶區和危及器官對應的平均劑量，D(Ref)mean為TPS 計算時各靶區和危及器官對應的平均劑量。

1.4 統計學分析

所有數據均采用SPSS 16.0 統計軟件行統計分析，組間采用獨立樣本t 檢驗，組內采用配對樣本t 檢驗，P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 軀體的劑量相對偏差及Gamma通過率對比分析

各組軀體的平均Gamma 通過率（3 mm/3%標準）都在97%以上，分別為99.0%、97.6%、99.0%，D1%、Dmean的相對偏差在2.5%以內（表1）。B 組中軀體的Gamma 通過率低于A 組，差異有統計學意義（t=-3.335，P=0.002＜0.05），B 組中軀體的Gamma 通過率低于C 組，差異有統計學意義（t=-3.342，P=0.001＜0.05）。

表1 不同組間的軀體劑量相對偏差和Gamma通過率

表1 不同組間的軀體劑量相對偏差和Gamma通過率

注：A組 PD vs. CD；B組 PD vs. RD；C組 CD vs. RD。

組別 Dmean D1% Gamma通過率A組 1.1±0.9 1.4±1.2 99.0±1.2 B組 2.4±1.6 1.6±1.4 97.6±1.9 C組 1.6±1.4 1.0 ±0.7 99.1±1.5

2.2 靶區的劑量相對偏差及Gamma通過率對比分析

各靶區（GTVnx、GTVnd、CTV1和CTV2）的Gamma通過率、D99%、Dmean和D1%的相對偏差如表2所示。三組的劑量相對偏差大多在0.8%～2.5%之間，小部分約2.7%～3.2%。同時，B組中GTVnd的Gamma通過率低于A組，差異有統計學意義（t=-3.005，P=0.004＜0.05），其余靶區差異無統計學意義；B組中GTVnd、CTV1、CTV2的Gamma通過率低于C組，差異有統計學意義（t=-3.379，P=0.001＜0.05；t=-2.275，P=0.029＜0.05；t=-3.149，P=0.003＜0.05），GTVnx的差異無統計學意義。

2.3 危及器官的劑量相對偏差及Gamma通過率對比分析

各組間危及器官的劑量對比分析結果如表3所示。除視神經、脊髓外，其余危及器官的Gamma通過率都是B組較A組和C組略低。B組中腮腺、眼球、晶體和顳葉的Gamma通過率較A組低，差異有統計學意義（t=-3.754，P＜0.001＜0.05；t=-3.357，P=0.002＜0.05；t=-2.688，P=0.009＜0.05；t=-2.554，P=0.013＜0.05），其余無統計學意義；B組中腮腺、晶體和顳葉的Gamma通過率較C組低，差異有統計學意義（t=-4.267，P＜0.001＜0.05；t=-3.264，P=0.002＜0.05；t=-2.387，P=0.023＜0.05），其余無統計學意義。體積較小的危及器官，如晶體、眼球、視神經等，其Dmean和D1%的相對偏差遠高于體積較大的危及器官。如B組中，晶體、眼球的Dmean和D1%的相對偏差分別為：（40.9%±28.3%，27.7%±23.2%）、（25.1%±13.6%，13.3%±8.1%），而腮腺和腦干的Dmean和D1%則分別為（4.7%±1.8%，2.9%±1.9%）、（3.5%±1.9%，4.0%±2.4%）。

表2 不同組間各靶區劑量相對偏差和Gamma通過率

表2 不同組間各靶區劑量相對偏差和Gamma通過率

注：A組 PD vs. CD；B組 PD vs. RD；C組 CD vs. RD。

靶區 組別 D99% Dmean D1% Gamma通過率GTVnx A組 1.6±1.4 2.0±1.5 3.2±2.4 80.5±21.8 B組 2.3±1.7 1.6±1.4 2.4±1.7 83.5±22.4 C組 1.6±1.5 1.3±1.2 1.7±1.5 91.9±15.9 GTVnd A組 1.3±1.2 1.1±0.7 2.0±2.0 94.6±8.9 B組 1.9±1.0 2.0±0.9 2.8±1.2 87.0±11.4 C組 1.4±1.0 1.3±1.0 1.6±1.2 95.5±9.3 CTV1 A組 1.6±2.0 1.6±1.4 2.7±2.2 87.4±14.2 B組 2.5±2.2 1.7±1.5 2.3±1.7 84.5±19.6 C組 1.4±1.2 1.1±1.0 1.7±1.4 94.6±10.1 CTV2 A組 1.1±0.7 1.3±1.2 2.3±1.9 92.1±11.4 B組 1.5±0.9 1.6±1.4 2.1±1.5 88.7±11.9 C組 0.8±0.6 1.2±0.8 1.5±1.1 97.1±3.4

表3 不同組間危及器官劑量相對偏差和Gamma通過率

表3 不同組間危及器官劑量相對偏差和Gamma通過率

注：A組 PD vs. CD；B組 PD vs. RD；C組 CD vs. RD。

危及器官 組別 Dmean D1% Gamma通過率腮腺A組 1.3±1.1 1.5±1.1 97.7±3.9 B組 4.7±1.8 2.9±1.9 95.0±5.1 C組 5.5±1.8 2.8±2.0 98.0±3.5眼球A組 4.6±4.3 3.6±2.6 99.8±0.7 B組 25.1±13.6 13.3±8.1 97.4±4.2 C組 22.1±8.0 15.1±6.9 97.7±6.7腦干A組 2.0±1.2 2.1±1.9 99.6±70.3 B組 3.5±1.9 4.0±2.4 98.5±3.6 C組 1.9±1.7 4.5±2.5 99.9±0.5視交叉A組 4.1±4.2 3.8±5.6 99.8±0.6 B組 7.1±9.5 6.5±12.6 98.1±5.9 C組 4.1±5.7 3.6±6.0 99.9±0.4晶體A組 16.7±19.4 14.6±17.2 99.2±3.5 B組 40.9±28.3 27.7±23.2 94.8±11.1 C組 21.2±8.7 13.9±6.9 99.9±0.1視神經A組 3.3±2.5 3.2±3.4 99.5±3.1 B組 12.2±8.6 6.2±7.8 99.3±3.0 C組 11.3±5.8 5.1±4.1 97.2±10.8脊髓A組 2.4±2.7 2.2±2.3 96.1±9.3 B組 1.7±2.4 2.0±1.7 96.9±8.1 C組 2.0±1.7 2.5±1.6 98.2±4.6顳葉A組 1.7±1.7 2.0±1.6 99.9±0.2 B組 7.1±5.4 3.0±2.6 99.5±1.1 C組 5.8±3.8 1.8±1.4 99.9±0.2

2.4 靶區和危及器官的平均劑量差異及Dmean差異值顯著性分析

各組間靶區和危及器官的平均劑量差異的顯著性分析結果如表4 所示，A 組為TPS 計劃劑量與Compass 核算劑量對比，A 組中軀體、GTVnx、GTVnd、CTV1、CTV2 的Dmean差異值都具有統計學意義（P＜0.05）。C 組為Compass核算劑量與重建劑量對比，C 組中軀體、GTVnd 的Dmean差異值具有統計學意義（P＜0.05）。對于危及器官而言，A組中除腮腺、視交叉、視神經外，其余危及器官的Dmean差異值均具有統計學意義（P＜0.05）；而C 組中則只有視交叉的Dmean差異值不具有統計學意義（P＞0.05）。

3 討論

本研究選取30 例鼻咽癌放療病例，基于Compass 系統對放療計劃進行三維劑量驗證與分析。由于患者的固定面罩呈網狀結構，并處于劑量建成區，其劑量計算的不確定性較大，在后續的劑量對比分析中，如包含了面罩和表皮下的劑量建成區，就會影響結果的準確性。將皮下3 mm 輪廓線包含的所有器官、組織視為一個興趣區（即軀體），對該區域的計劃劑量、核算劑量和重建劑量分布進行的兩兩對比分析，結果顯示A、B、C 三組中，其Gamma 通過率平均值都在97%以上，Dmean和D1%的相對差異都在2.5%以內。

A 組是TPS 的計劃劑量分布與Compass 系統的獨立核算劑量分布的對比分析，這兩者之間的差異，主要源于采用了不同的劑量計算模型和不同的劑量參數模型（基于不同百分深度劑量、離軸比的不同擬合過程）。因此，Compass 系統數據建模的優劣，決定了它是否可以準確地進行劑量驗證。當研究中所用計劃系統的準確性已通過其它方法、措施進行了充分驗證、確認后，須對Compass 系統進行標準參數測試和驗證，張秀春等[13]以三維水箱為基準，比較分析Compass 系統在百分深度劑量、輸出因子、離軸曲線和絕對劑量等方面的測量數據與三維水箱所測量數據的相關性和一致性。結果表明，Compass 系統測量和重新計算的百分深度劑量、輸出因子、離軸曲線與三維水箱測量的數據具有較好的一致性，其絕對劑量偏差均小于2.5%，獨立計算功能和劑量重建功能具有類似TPS 的精度，可為臨床提供三維的劑量分布信息。B 組則是計劃劑量分布與Compass 系統的基于實測信息和內置CCC 劑量計劃模型的重建劑量分布的對比分析，這兩者之間的差異，不但源于采用了不同的劑量計算模型、不同的劑量參數模型（基于不同百分深度劑量、離軸比的不同擬合過程），還來自數據傳輸及加速器執行計劃過程中的各種誤差，在一定程度上反映了計劃劑量和實際執行劑量的綜合差異。C 組是Compass 的核算劑量與重建劑量的對比，這二者之間，具有完全相同的內置CCC 劑量計算模型，因此，其差異主要反映了計劃執行時各種因素綜合作用下（MLC 到位精度、機器劑量性能、數據采集精度等）的重建劑量與核算劑量的差異，對用戶而言，無法區分二維空氣電離室矩陣MatriXX 中電離室的性能和幾何精度所致的系統誤差與加速器本身所致誤差。由此可見，為了恰當地評估基于Compass 的三維劑量驗證結果，同時進行A、B、C 三方面的綜合分析是非常必要的。

國內外有不同的作者，分別用Compass 進行了不同病種、不同計劃系統、不同類型的調強放療方式（IMRT、VMAT 等）的三維劑量驗證[14-17]。彭瑩瑩等[14]對頭頸部腫瘤進行了IMRT 計劃劑量與重建劑量的對比研究，陳旭明等[15]則對Eclipse 計劃系統設計的宮頸癌調強放療計劃進行了三維劑量驗證研究，柏朋剛等[16]利用Compass 三維劑量驗證系統，對8 例鼻咽癌患者的VMAT 計劃進行了劑量驗證，該研究主要考查了Masterplan 放療計劃系統計算的劑量分布與Compass 基于實測結果的重建劑量分布，二者的靶區Gamma 通過率均＞95%，各個靶區的D95%平均偏差大多＜3%，各個靶區Dmean的偏差平均值在1%以內。宋婷婷等[17]則應用Compass 系統，對Oncentra 計劃系統設計的腦腫瘤瘤床同步追量VMAT 計劃進行了驗證研究，結果發現，3%/3 mm 標準進行評估時，50 例腦腫瘤瘤床同步追量VMAT 計劃中，PGTV、PTV 的Gamma 通過率分別為（97.92±1.69）%、（96.72±1.99）%，其他危及器官的Gamma 通過率均在90.00%以上。追量的瘤床個數對Gamma 通過率無影響（P＞0.05）。視交叉、視神經、晶體的D1%劑量差異均大于3%，其他危及器官和PGTV、PTV的Dmean、D1%劑量差異均小于3%。

另一方面，本研究中發現，A 組和B 組中，大部分患者的靶區平均Gamma 通過率＞90%，而小部分低至約70%；而C 組的平均Gamma 通過率較A 組和B 組高，介于91.9%～97.1%之間（表2）。對此，進一步分析發現下列因素可能是導致該現象的重要原因：其一，鼻咽癌患者的靶區形態遠較危及器官復雜，特別是可能包含大量空腔、或臨近高密度骨，會出現劑量跌落或二次劑量建成效應等，嚴重影響這些區域劑量計算的準確性（圖1）；其二，A 組和B 組，均會同時涉及TPS 和Compass 的不同劑量算法，由于算法差異所致誤差，也會影響靶區的Gamma 通過率。而C 組是Compass 核算和重建劑量對比，不存在算法差異（圖2），因此，C 組的靶區Gamma 通過率高于A 組和B 組。同時，由于危及器官，如腮腺、腦干、眼球等，其四周沒有大的空腔或密度差異極大的組織，不會受到劑量跌落或二次劑量建成效應的影響，因此，其Gamma 通過率高于受空腔或高密度骨影響的靶區。上述研究結果與方明明等[18]研究相似，即采用3 mm/3%的Gamma 通過率評判標準時，所有靶區的通過率分別為70.6%（TPS 計劃 vs. Compass 核算）、58.8%（TPS 計劃 vs. Compass 重建）。

表4 靶區和危及器官的Dmean差異值、平均劑量相對偏差和Dmean差異值顯著性分析

圖1 TPS計劃劑量和Compass重建劑量對比

圖2 Compass核算劑量和重建劑量對比

目前，還沒有廣泛認可的三維劑量驗證時靶區和危及器官的Gamma 通過率評判標準，但二維劑量驗證，AAPM TG119 號報告[19]曾指出：當每個野的Gamma 通過率＜90%或多野復合測試Gamma 通過率＜88.0%時，需要進一步的調查分析。在本研究中，單從軀體的通過率而言（＞97%），符合通常臨床QA 測試要求。在此基礎上，借助Compass 的三維劑量分析功能后，進一步分析各靶區和危及器官的劑量差異，如冷、熱點的分布等。根據分析結果，必要時進行更深入的測試驗證，如采用廣泛接受的二維劑量驗證，采用仿真體模進行點劑量或面劑量測試，或對加速器本身的機械性能和劑量參數進行全面測試，甚至重新進行計劃設計與驗證，力求查找到誤差/偏差的根源，以確保放療的準確性。

本研究發現，體積較小的危及器官，如晶體等，其Dmean和D1%的劑量相對偏差都較高。究其原因，可能是因體積小且靠近體表，劑量計算容易出現誤差；同時，由于體積小，MLC 到位精度、機架旋轉精度、劑量率準確度等參數對其劑量測量的影響更大。這與段龍焱等[20]的研究結果相似，該研究利用Compass 三維驗證系統，驗證了10 例直腸癌術前放療計劃，結果表明，在靶區邊緣區域，劑量偏差較大。

綜上所述，Compass 系統的獨立計算模塊和劑量重建模塊提供患者更詳細直觀的三維的劑量分布信息，是一種較好的三維劑量驗證工具，但是Compass 計算模型難以完全等同TPS 的計算模型，劑量計算模型的差異會對最終驗證結果的判定產生一定的影響，同時，驗證設備探測器的性能和幾何精度對劑量測量結果也有一定影響，因此，需要綜合應用不同分析方法，如研究中的A、B、C 三組分析結果，對放療計劃及其實施進行綜合評價，才能更加準確和客觀。