獨立驗證軟件Arc QA與Veri QA在調強放療計劃驗證中的劑量學比較

潘淑豪

安徽醫科大學第一附屬醫院 腫瘤放療科，安徽 合肥 230022

引言

調強放射治療（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）是目前臨床上最常用的放射治療技術之一。IMRT 在實現高度適形和不規則劑量分布的同時，能最大限度地降低危及器官的受照射劑量。由于腫瘤靶區和危及器官的位置相鄰，因此靶區很小的劑量誤差都有可能造成嚴重的組織損傷。為了保證放療計劃的安全實施，在患者放療前有必要對治療計劃系統（Treatment Planning System，TPS）輸出的IMRT 計劃進行劑量分布驗證，確保劑量傳遞的精確性，運用的主要方法是基于測量的劑量驗證[1]和基于計算的劑量驗證[2-3]。目前多采用基于測量的劑量驗證進行計劃的質量保證（Quality Assurance，QA），該方法耗時耗力，受限于測量設備的驗證精度，且無法發現TPS 本身的計算錯誤。劑量計算錯誤的原因有：① 算法在特定系統內的具體實現；② 由特定參數下的架構缺陷導致的軟件故障[4]。基于不同算法的獨立計算驗證重復TPS 出現計算錯誤的可能性很低。

基于計算的劑量驗證簡單且高效，可以檢查數據傳輸的準確性和計劃執行的正確性，目前國內外已陸續開展相關研究[5-9]。蒙特卡羅（Monte Carlo，MC）算法已用于獨立計算驗證[10-13]，但目前基于MC 算法的對比研究較少。本研究擬評估和對比基于MC 算法的2 款劑量驗證軟件Arc QA 和Veri QA 在IMRT 計劃驗證中的臨床結果。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

選取2022年1—6月在我院行頭頸部、胸部、腹部3 類腫瘤調強放療患者的治療計劃為研究對象，總計87 例，其中頭頸部17 例，胸部46 例，腹部24 例。頭頸、胸及腹部放療計劃均采用固定野調強技術，5～7 個野不等。所有放療計劃均通過測量的劑量驗證。研究已經本院倫理委員會審批通過（批準文號：2019C049），所有患者均知情同意。

1.2 儀器設備

放療計劃使用直線加速器VitalBeam（瓦里安，美國）。VitalBeam 光子線有6 mV、6 mV-非均整過濾器（Flattening Filter Free，FFF）、10 mV 及10 mV-FFF 共4 擋能量，本研究使用6 mV 光子線，其中劑量率為600 MU/min。TPS 使用Eclipse 13.6 治療計劃系統（瓦里安，美國），該系統主要有筆形束卷積算法、各向異性分析算法（Anisotropic Analytical Algorithm，AAA）及外照射光子劑量算法，本研究中TPS 采用AAA 算法。

劑量驗證軟件Arc QA 和Veri QA 均基于MC 算法。其中Arc QA 是一款由安徽慧軟科技公司開發的具有圖形處理單元加速功能的驗證軟件；德國PTW 公司研發的Veri QA 則最大限度地提高了效率并減少了非高斯噪聲。劑量驗算時，放療計劃通過本地瓦里安網絡傳至驗證軟件。驗算完成后，驗證軟件給出劑量-體積直方圖（Dose-Volume Histogram，DVH）驗算結果、γ通過率及審查結論（包括通過、警告和不通過）。本研究使用3%/3 mm 默認標準的平均γ通過率對計劃靶區（Planning Target Volume，PTV）展開驗證分析。

1.3 劑量比較

通過選擇DVH 參數中PTV 的最小劑量、最大劑量、平均劑量和95%體積劑量（D95%）以及危及器官的平均劑量來分析驗證軟件與TPS 間關于靶區的劑量差異，并評估二者的一致性。劑量學差異值根據公式δ=(DVal-DTPS) / DTPS×100%計算，其中，DVal為驗算劑量，DTPS為TPS 計算劑量。

1.4 統計學分析

2 結果

2.1 PTV參數及劑量差異分布

頭頸部、胸部、腹部調強計劃中PTV 的靶區體積、適形度指數（Conformal Index，CI）、均勻性指數（Heterogeneous Index，HI）及機器跳數（Monitor Unit，MU）如表1所示。其中，胸部腫瘤的靶區體積最小、適形度及均勻性最差，同時胸部腫瘤放療過程中加速器的MU 最小。

表1 患者不同部位PTV參數（±s）

表1 患者不同部位PTV參數（±s）

注：CI：適形度指數；HI：均勻性指數；MU：機器跳數。

部位病例數/例 體積/cm3CIHIMU頭頸部 17 988±584 0.86±0.04 0.11±0.06 1038±385胸部46 504±252 0.73±0.10 0.17±0.09 851±272腹部24 748±215 0.86±0.04 0.11±0.04 1307±157

驗證軟件與TPS 間關于PTV 的DVH 參數劑量差異中位值均在±1%以內，顯示驗證軟件Arc QA 和Veri QA 均與TPS 具有良好的一致性，其中PTV 的最小劑量、最大劑量、平均劑量和D95%劑量驗算差異箱線圖如圖1所示。

圖1 驗證軟件Arc QA/Veri QA與TPS間PTV劑量差異箱線圖

2 款驗證軟件關于不同瘤種間PTV 的劑量驗算差異分布略有不同，但DVH 參數劑量差異中位值均在±2.5%以內，再次說明驗證軟件Arc QA 和Veri QA 均與TPS具有良好的一致性。Arc QA 和Veri QA 在頭頸部、胸部及腹部瘤種間PTV 劑量差異箱線圖分別如圖2a、2b所示。

圖2 驗證軟件Arc QA（a）和Veri QA（b）在不同瘤種間PTV劑量差異箱線圖

2.2 PTV劑量差異比較

在頭頸部腫瘤放療計劃中，PTV 的最小劑量、最大劑量、平均劑量及D95%劑量驗算差異均在±1%以內，Arc QA 在數值上表現出與TPS 更好的一致性，但Arc QA 和Veri QA 所得出的各組數據差異均無統計學意義（P＞0.05），見表2。

表2 2款驗證軟件頭頸部劑量參數差異值比較（%，±s）

表2 2款驗證軟件頭頸部劑量參數差異值比較（%，±s）

軟件最小劑量 最大劑量平均劑量D95%Arc QA 0.16±1.80 0.04±0.87 -0.04±0.51 -0.58±0.78 Veri QA 0.05±0.61 -0.45±0.85 -0.42±0.52 -0.76±0.76 t值0.1912.1972.0060.486 P值0.8530.0560.0760.638

在胸部腫瘤放療計劃中，Arc QA 和Veri QA 在與TPS 的一致性上表現相當，其中Arc QA 和Veri QA 的最小劑量差異分別為-0.09%±2.31% 和1.08%±1.11%，最大劑量差異分別為1.43%±1.46%和-0.13%±2.59%，差異均有統計學意義（P＜0.05），平均劑量及D95%計算結果差異均無統計學意義（P＞0.05），見表3。

表3 2款驗證軟件胸部劑量參數差異值比較（%，±s）

表3 2款驗證軟件胸部劑量參數差異值比較（%，±s）

軟件最小劑量 最大劑量 平均劑量D95%Arc QA -0.09±2.31 1.43±1.46 0.03±1.13 -0.35±1.28 Ver i QA 1.08±1.11 -0.13±2.59 0.01±0.70 -0.18±1.19 t值-2.9673.3540.077-0.647 P值0.0050.0020.9390.521

在腹部腫瘤放療計劃中，Veri QA 表現出與TPS 更好的一致性，其中，Arc QA 和Veri QA 的最小劑量差異分別為-1.48%±1.56%和-0.36%±0.35%，平均劑量差異分別為-1.76%±0.66%和0.84%±0.37%，D95%劑量差異分別為-2.18%±0.51%和-1.01%±0.47%，差異均有統計學意義（P＜0.05），最大劑量計算結果差異無統計學意義（P＞0.05），見表4。

表4 2款驗證軟件腹部劑量參數差異值比較（%，±s）

表4 2款驗證軟件腹部劑量參數差異值比較（%，±s）

軟件最小劑量 最大劑量 平均劑量D95%Arc QA -1.48±1.56 -1.20±1.03 -1.76±0.66 -2.18±0.51 Veri QA -0.36±0.35 -0.94±0.53 0.84±0.37 -1.01±0.47 t值-3.459-1.206-5.163-6.993 P值0.0020.240＜0.001＜0.001

2.3 危及器官劑量差異比較

在危及器官平均劑量差異值比較中，Arc QA 和Veri QA 的驗算差異均小于±1.5%，進一步說明2 款驗證軟件與TPS 間具有良好的劑量學一致性。Arc QA 和Veri QA 在頭頸部、胸部及腹部危及器官中的驗算結果有區別，但無統計學意義（P＞0.05）；對于腹部危及器官，2 款驗證軟件的平均劑量驗算差異偏高于頭頸部和胸部，見表5。

表5 2款驗證軟件危及器官平均劑量差異值比較（%，±s）

表5 2款驗證軟件危及器官平均劑量差異值比較（%，±s）

軟件腦干視交叉脊髓雙肺膀胱直腸Arc QA-0.03±0.510.25±0.450.47±0.670.31±1.01-0.71±0.35-0.97±0.56 Veri QA-0.14±0.63-0.03±0.70-0.12±0.750.25±0.83-1.01±0.44-0.86±0.43 t值1.9361.6452.128-1.003-1.744-1.455 P值0.0980.1760.0750.4230.0960.160

2.4 γ通過率比較

在頭頸部、胸部和腹部3 個部位中，Arc QA 和Veri QA 關于PTV 的計劃劑量驗證γ平均通過率均＞95%，顯示驗證軟件的劑量驗算結果與TPS 的初始劑量計算結果具有良好的一致性。Arc QA/Veri QA 與TPS 的平均γ通過率在頭頸部、胸部和腹部腫瘤靶區中分布不同，在胸部分別為95.74%±3.16%和99.37%±0.77%，在腹部分別為97.10%±2.41%和99.84%±0.17%，結果顯示，Veri QA 優于Arc QA，且差異均有統計學意義（P＜0.05）；對于頭頸部腫瘤靶區，Veri QA 的γ通過率略優于Arc QA，但差異無統計學意義（P＞0.05），見表6。

表6 2款驗證軟件γ通過率比較（%，±s）

表6 2款驗證軟件γ通過率比較（%，±s）

軟件頭頸部胸部腹部Arc QA98.90±1.9995.74±3.1697.10±2.41 Veri QA 99.21±0.8-0.529 0.610599.37±0.7799.84±0.17 t值-5.972-5.133 P值＜0.001＜0.001

3 討論

放療計劃的QA 是現代腫瘤放射治療過程中不可或缺的一步。通常在治療前使用電離室矩陣對患者放療計劃進行劑量驗證，在3%/3 mm 的默認標準下，通過其γ通過率評估調強計劃是否滿足臨床要求：當γ通過率≥95%時，調強計劃符合臨床要求，可用于患者放療；當γ通過率＜95%時，需分析原因，重新驗證或優化調強計劃。然而基于測量的計劃驗證在患者的解剖結構方面信息不足且需要額外的人力付出，因此，強化的放療計劃驗證工具可能對提升放療計劃QA 的質量和效率更有明顯意義。Arc QA 與Veri QA 均是基于計算的獨立劑量驗算軟件，可在后臺數分鐘內自動完成放射治療計劃的驗證，驗算過程多樣且可重復。驗證軟件基于機器安裝時的基準參數進行劑量驗算，與TPS 處理環境一致，可發現計算中源于TPS 模型、算法或配置的劑量學誤差，這些有臨床意義的誤差測量驗證很難被發現[14]，同時驗證軟件還可檢驗數據傳輸的準確性。測量驗證基于實時機器參數，引入了劑量精度、機械精度及擺位誤差等因素，可測出實際的劑量沉積。相較于測量驗證單一結果即γ通過率，驗證軟件還能算出DVH 參數劑量驗算差異值，有助于放療計劃的綜合評估。這2 種驗證方法各有利弊，若能互相補充、有效結合，則可節約人力成本，提高日常QA 的整體效率。由于機型、驗證方法的不同[15-17]，不同機構間驗算結果存在差異[18]，且基于MC 算法的劑量驗證尚未有統一的誤差標準。本研究基于2 款驗證軟件分析MC 算法在劑量驗算中的驗證誤差，分析了不同瘤種間的驗算差異，有助于建立獨立驗證的行動閾值。本研究對頭頸部、胸部和腹部調強計劃進行了三維劑量驗證，分析了靶區的最小劑量、最大劑量、平均劑量及D95%劑量差異以及γ通過率，有助于更加全面地了解患者的靶區劑量信息，同時還進一步分析了危及器官的劑量驗算差異，有助于放療計劃的優化。

本研究收集了頭頸部、胸部及腹部3 個部位共計87 例腫瘤調強放療計劃，定量評估了Arc QA 與Veri QA 間的劑量驗算差異。研究結果顯示，對于加速器VitalBeam，驗證軟件Arc QA 和Veri QA 的劑量分布與TPS 輸出計劃有著良好的一致性，且γ通過率分析均在95%以上，符合調強計劃驗證要求。

驗證軟件與TPS 間關于PTV 的DVH 參數劑量差異中位值均在±1%以內，整體一致性較好。Arc QA 和Veri QA 與TPS 的靶區DVH 劑量差異均在±2.5%以內。根據不同瘤種間劑量驗算差異的不同可以看出，對于頭頸部靶區，Arc QA 和Veri QA 與TPS 的一致性相當；對于胸、腹部靶區，整體來看，Arc QA 較于Veri QA劑量驗算差異稍大，Veri QA 與TPS 具有更好的一致性。相較于頭頸部、胸部危及器官，腹部危及器官的驗算差異偏大。

頭頸部計劃中，Arc QA 和Veri QA 與TPS 關于腫瘤靶區的平均γ通過率均＞98%，二者劑量驗證表現較好且相當；在胸、腹部腫瘤靶區的平均γ通過率中，Veri QA 與TPS 顯示更好的一致性，Arc QA 與TPS 的一致性有所降低，特別是胸部腫瘤計劃。胸部腫瘤計劃涉及空腔（肺）的劑量計算，而不同算法對空氣中劑量沉積的計算精度不同[19-20]。與AAA、筒串卷積算法[21]相比，MC 算法在二次電子輸運模型上獲得了更大改進，可以在生物組織中計算劑量沉積，故在異構區域的劑量測量性能方面較AAA 算法更精確。結合2 款軟件的獨立驗證，基于MC 算法的劑量驗算誤差在±2.5%以內，平均γ通過率在95%以上。未來計劃在其他TPS 和加速器中進一步比較2 款劑量驗證軟件。

4 結論

利用Arc QA 和Veri QA 2 款驗證軟件對IMRT 計劃進行驗證簡單、高效且可行，均表現出了與TPS 具有很好的一致性，可作為第三方軟件用于放射治療臨床劑量驗證工作。2 款驗證軟件具有增強現有治療計劃驗證范式和提高臨床治療計劃及審查過程安全性的潛力。