Monaco与Xio治疗计划系统调强放疗剂量验证的比较研究

王宁，陈阿龙，夏景涛

1.中山市中医院 放射科，广东 中山528400；2.中山大学肿瘤防治中心 放疗科，广东 广州 510060；3.南方医科大学南方医院，广东 广州 510515

Monaco与Xio治疗计划系统调强放疗剂量验证的比较研究

王宁1，陈阿龙2，夏景涛3

1.中山市中医院 放射科，广东 中山528400；2.中山大学肿瘤防治中心 放疗科，广东 广州 510060；3.南方医科大学南方医院，广东 广州 510515

目的通过比较调强放疗剂量验证的结果，评价Monaco和Xio治疗计划系统的临床治疗准确性。方法选取Xio治疗计划系统20例鼻咽癌调强治疗计划，Monaco治疗计划系统20例鼻咽癌调强治疗计划，用IBA二维电离室矩阵Matrixx进行剂量验证，分别以2%/2 mm、3%/3 mm、5%/3 mm为标准进行Gamma通过率分析。结果Monaco系统在3种标准下的Gamma平均通过率均高于Xio系统。差异在2%/2 mm、3%/3 mm下具有统计学意义（P＜0.05），5%/3 mm下无统计学意义（P＞0.05）。结论两种治疗计划系统都能应用于临床调强放疗，但Monaco计划系统的准确性要优于Xio计划系统。

Xio治疗计划系统；Monaco治疗计划系统；调强放疗；剂量验证；Gamma通过率

0 前言

随着肿瘤放疗技术的发展，调强放疗（Intensity-Modulated Radiation Therapy，IMRT）越来越多地应用于临床。IMRT可利用治疗计划系统（Treatment Planning System，TPS）在医学影像（如CT、MRI、PET图像）上勾画肿瘤靶区和周围正常组织的轮廓，获得一系列感兴趣区域，并在图像上进行计划设计、条件优化、剂量计算和剂量评估。TPS在调强放疗中起着至关重要的作用，不同TPS的算法模型和优化方式可能不同，而算法准确与否直接影响剂量计算结果的精度，因此患者治疗计划执行前的剂量验证是确保治疗准确性的关键[1-5]。本文对瑞典Elekta公司的Monaco和Xio计划系统在鼻咽癌调强放疗计划中的剂量验证结果进行比较分析。

1 材料与方法

1.1 调强放疗计划系统

Monaco和Xio治疗计划系统基本情况，见表1。

表1 两种治疗计划系统

Monaco和Xio计划系统调强优化参数设置均为：调强治疗实现方式：子野式静态调强（ss-IMRT）；计算网格大小：3 mm×3 mm×3 mm；最小子野跳数：4 MU，最小子野面积：4 cm2，最小子野宽度：0.5 cm。

1.2 一般资料

选取2013年1月～6月在中山大学肿瘤防治中心行初次根治性放疗的鼻咽癌病例40例，Xio和Monaco上各取20例，每个计划系统上取T1期、T2期、T3期、T4期各5例。根据ICRU50和ICRU62号报告勾画靶区和危及器官，处方剂量PGTV为70 Gy，PTV1为60 Gy，PTV2为54 Gy，所有治疗计划都采用同步加量技术，分30次同期完成治疗。采用9野静态调强照射，射野角度为160°、120°、80°、40°、0°、320°、280°、240°和200°，准直器角度均为0°，全部照射野均行调强剂量验证。

1.3 设备

使用带有等中心处投影宽度为1 cm的40对多叶光栅的直线加速器（Synergy with MLCi，Elekta公司）的6 MV光子线进行计划设计。加速器标称剂量率为7个固定档，最大剂量率为600 MU/min。剂量平面测试仪为IBA公司的二维电离室矩阵Matrixx[6]，有效探测面积是24.3×24.3 cm2，共1020个电离室（外方4角上有4个温度气压收集点），电离室间隔7.62 mm，有效测量点深度为0.3 cm。分析软件为IBA公司的OmniPro IMRT 1.6系统。验证模体为Matrixx配套模体，为PMMA材料，该模体在Matrixx上下的物理厚度均为5 cm。

1.4 验证方法

测量验证前，使用10 cm×10 cm标准射野对Matrixx进行绝对剂量校准，最大程度上减少治疗机输出剂量的波动对测量结果的影响。将Xio系统中的20例和Monaco系统中的20例鼻咽癌调强计划移植到验证模体中，射野机架角度全部归零，其他射野参数（射野、子野）不变；等中心设置为Matrixx测量点中心（借助验证模体表面3个金属标记点确定），计算剂量，生成验证计划；分别输出两种TPS中射野等中心处的平面剂量数据并保存为ASCII的文件格式，输出时剂量分布的分辨率设置为1 mm[7]。

1.5 分析方法

使用OmniPro IMRT 1.6 软件对射野剂量数据进行采集和分析处理。采用Gamma方法的3种阈值对两种计划系统生成的平面剂量图和Matrixx实际测量得到的平面剂量图进行对比分析，均采用绝对剂量进行对比。统计的Gamma误差限定条件为2%（剂量误差）/2 mm（位置误差），3%/3 mm和5%/3 mm。

1.6 统计方法

采用SPSS20.0软件对数据进行统计学分析，数据以均数±标准差表示。Monaco和Xio的3组样本通过率呈非正态分布，宜采用独立样本的非参数秩和检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

Monaco计划系统在2%/2 mm、3%/3 mm、5%/3 mm阈值下的Gamma通过率都比Xio计划系统的高，两种计划系统在3%/3 mm、5%/3 mm阈值下的通过率都＞90%，均能满足临床要求。两种计划系统Gamma通过率差异在5%/3 mm阈值下无统计学意义（P=0.072），在2%/2 mm和3%/3 mm阈值下有统计学意义（P＜0.05）。结果见表2。

表2 Monaco和Xio调强计划Gamma通过率

表2 Monaco和Xio调强计划Gamma通过率

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3 讨论

放疗计划系统的剂量验证误差是由从计划设计到治疗实施的各个环节所有小的误差叠加产生的，主要有以下5个方面：① 机器验收时允许范围内的机械误差，如等中心位置，臂架角度，准直器、激光灯、治疗床的运动，MLC的走位等；② TPS原始数据的误差。TPS在装机时需测量加速器的各种参数，实际测量过程中，因受测量设备摆位、精度、稳定性等的影响，误差不可避免；实际测量得到的有限数据还必须经过数据拟合建模后才能供TPS调用，而数据拟合过程中也会有误差产生；③ 算法误差。不同计划系统采用的剂量算法不同，如Xio系统采用的是多栅格超级迭代（Multigrid Superposition）算法，Monaco系统采用的是X线蒙特卡洛模拟（X-Ray Voxel Monte Carlo，XVMC）算法，而无论采用何种算法，所得结果都会与实际测量值间存在一定误差；④ 治疗计划实施时的机器误差。主要包括：每天的气压和温度变化导致的机器输出剂量绝对量的偏差；剂量传递准确性欠佳导致的治疗机的机械误差、MLC走位误差等；⑤ 二维电离室矩阵使用时产生的误差，如Matrixx的摆位误差、数据采集的精度误差、数据处理的插值误差等。

在对两种计划系统的剂量验证的对比研究中，使用的是相同的治疗机和剂量验证设备，所以二者具有相同的实验环境误差；同时，二者的系统参数设置和执行传递方式也相同。因此，两种计划系统的剂量验证差异主要来自于剂量算法模型的差别。在利用TPS进行调强放疗的计划设计时，鼻咽癌因其组织结构多、交错复杂、体积小，导致设计出的治疗计划非常复杂，子野数量多并且面积小，因而剂量验证能很大程度上反应TPS的精准度。本研究显示，Monaco在3种阈值标准下的Gamma通过率均高于Xio，且标准越高，差异越大。在剂量误差放宽的条件（5%/3mm阈值）下，两种计划系统差别较小，且无统计学意义。蒙特卡洛模拟被证明是最精确的剂量建模方法[8]，但传统的蒙卡模拟收敛速度慢，计算模拟耗时，不适用于日常临床。对传统蒙特卡洛算法加以简化和改进，在不过多损失计算精度的前提下，以提高运行速度为目标的所谓“新”蒙特卡洛算法，即Monaco系统采用的XVMC算法的计算精度相较于国际医学领域通用的基于蒙特卡洛方法的EGS程序，偏差在1%以内[9-10]。XVMC算法能反映机器特性和病人属性，能完全模拟所有粒子的运输过程，计算和存储每个粒子在每个体素中吸收能量的沉积情况，具有极高的计算精度。

本研究不足之处在于使用二维矩阵对放射治疗进行质量保证和质量控制有其局限性，如需要将机架角度归零后进行验证，不能实现实际角度下的剂量验证，忽略了验证机架的转动误差、重力对多叶准直器叶片走位精确度的影响和治疗床对剂量分布的影响等问题。另外，二维测量只能截取冠状面的剂量数据进行验证，不能对横断面和矢状面的剂量数据进行验证。全新的Delta4、ArcCheck等三维验证工具，可以在真实机架旋转的情况下，实时测量三维空间剂量分布。二维矩阵上摆放的是均匀PMMA模体，而真实人体结构由一系列非均匀组织构成，因此计划系统在非均匀组织中计算的误差远大于均匀组织。下一步可使用三维验证工具配合非均匀组织模体对Monaco和Xio剂量验证结果进行更精确的比较评估。

4 结论

调强放疗技术的出现，使得肿瘤的放疗精准度和疗效都有了显著提高。对于IMRT技术，TPS剂量计算的精确度对实现控制肿瘤和保护正常组织的放疗目标至关重要。

本研究通过对应用Monaco和Xio计划系统设计的鼻咽癌调强放疗计划进行剂量验证，表明两个计划系统均能应用于临床调强放疗，但Monaco计划系统的计算精确性要优于Xio计划系统。

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Comparative Study on the Dosimetric Verif i cation of Intensity-Modulated Radiation Therapy of Monaco and Xio Treatment Planning Systems

WANG Ning1, CHEN A-long2, XIA Jing-tao3
1.Department of Radiology, Zhongshan Traditional Chinese Medicine Hospital, Zhongshan Guangdong 528400, China; 2.Department of Radiotherapy, Sun Yat-sen University Cancer Center, Guangzhou Guangdong 510060, China; 3.Nanfang Hospital, Southern Medical University, Guangzhou Guangdong 510515, China

ObjectiveTo evaluate the clinical accuracy of Monaco and Xio treatment planning systems (TPS) by comparing the dose verification results of intensity-modulated radiation therapy (IMRT) of the two treatment planning systems.MethodsThe dose verif i cation of IMRT plans for nasopharyngeal carcinoma formulated by Xio TPS (n=20) and Monaco TPS (n=20) was conducted by IBA Matrixx. Then Gamma pass rate analysis was conducted according to various criterias including 2%/2 mm, 3%/3 mm and 5%/3 mm.ResultsThe average Gamma pass rate of IMRT plans of Monaco TPS was higher than that of Xio TPS according to all the criterias. There were signif i cant differences between Monaco TPS and Xio TPS on the Gamma pass rate according to 2%/2 mm and 3%/3 mm criterias (P＜0.05) while there were no signif i cant differences between the two treatment planning systems on the Gamma pass rate according to 5%/3 mm criterion (P＞0.05).ConclusionBoth of Monaco and Xio treatment planning systems can be applied to clinical IMRT while the accuracy of Monaco TPS is higher than that of Xio TPS.

Xio TPS; Monaco TPS; IMRT; dose verif i cation; Gamma pass rate

R730.55

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.07.006

1674-1633(2014)07-0020-03

2014-03-06

2014-04-09

本文作者：王宁，硕士。

作者邮箱：wn5626026@gmail．com