不同剂量计算算法在临床肺癌调强计划的体积-剂量值差异研究*

樊林　肖明勇　傅玉川

(1.四川大学华西医院肿瘤中心， 四川 成都 610041；2.四川省肿瘤医院放疗中心， 四川 成都 610041)

·论著·

不同剂量计算算法在临床肺癌调强计划的体积-剂量值差异研究*

樊林1,2肖明勇2傅玉川1

(1.四川大学华西医院肿瘤中心， 四川 成都 610041；2.四川省肿瘤医院放疗中心， 四川 成都 610041)

【摘要】目的研究比较商用计划系统蒙特卡洛算法(XVMC)和解析算法的差异，为肺癌临床剂量计算算法选择提供依据。 方法在以往大量针对模体研究的基础上,选择符合RTOG 1306规程的10例临床肺癌病例，按规程用iPlan PB算法采用Sliding Windows IMRT技术完成治疗计划，再分别采用PBC、AAA、XMVC算法重算，计算结果统一按照1cGy精度间隔导出DVH参数，记录临床关心的靶区和器官参数，并行成对t检验统计分析。结果照射剂量分布显示，PB、PBC算法在54～62Gy间差异有统计学意义， XVMC算法和AAA算法在<58.2Gy和>61.8Gy时差异有统计学意义(均P<0.05)，且XVMC算法与AAA算法结果差异比PB算法与PBC算法间差异大；临床参数统计显示，XVMC算法和AAA算法多项剂量参数差异均有统计学意义(均P<0.05)。结论对RTOG 1306规程病例，相对XVMC算法，AAA算法高估靶区剂量，低估了肺的剂量体积，可能影响临床医师判断，临床选用时应当注意。本组数据差异在1%左右。

【关键词】剂量计算法；肺癌；调强治疗计划；体积-剂量值

肿瘤放射治疗需要利用放射治疗计划系统(treatment planning system，TPS)设计临床可实施的放射治疗计划，而先进的TPS系统必须以精确的剂量计算算法为基石，计算精度会影响计算出的患者被授予的辐射剂量值及其分布，从而通过影像医师判断影响最终的治疗效果。提高计算精度是业界长期不懈的追求，临床商用系统在计算精度和商业可行中权衡与提升。不同的商用放射治疗计划系统内进行剂量计算的算法各有不同，从本质上可分为解析算法和蒙特卡洛算法(XVMC)两类；解析算法目前大致可分为笔束算法类和更先进算法两个层次。蒙特卡洛算法被公认为是针对粒子输运最精确的计算算法，但真正能应用于肿瘤放射治疗临床工作的基于蒙特卡罗算法的放射治疗计划系统的推出却经历了一个漫长的过程，目前已有商用系统推出[1]。

已有的关于不同算法精度对比研究报道，多集中于模体计算和非临床系统比较，选用的参数和条件有时同临床常用不一致。本研究采用RTOG 1306规程，数据来源于临床IMRT实际病例，所用条件与临床采用条件一致，以反应临床实际状况，研究中采取各项措施尽可能减小非算法因素影响。研究选用iPlan net系统(版本4.5.1)的XVMC(x-ray voxel Monte Carlo)算法、PB(pencil beam)算法和Eclipse系统的AAA算法(analytical anisotropic algorithm，模块版本8615)、PBC算法(pencil beam algorithms，模块版本11031)；其中XVMC算法为简化蒙特卡罗算法，PB、PBC、AAA算法为解析算法(Analytical algorithm)。

1材料与方法

1.1病例数据选择从临床采用调强放疗(Intensity modulated radiation therapy，IMRT)技术治疗的肺癌患者中，挑选符合RTOG 1306规程条件的患者数据，最终10例病例被纳入研究，其基本情况见表1。患者固定方式为体部热塑成型膜，固定器材为MED TEC体部固定架，取仰卧体位，双手上举抱头[2]，采用Philips BigBore大孔径CT用胸部条件扫描,扫描层厚层距均为3mm。按照RTOG 1306的要求调整修改感兴趣区域(Regions of interest，ROI)及PTV等；按RTOG 1306计划设计规程，剂量处方为给予靶区PTV 60Gy/30F。

表1　10例病例一般情况

1.2治疗计划设计流程治疗计划设计首先在iPlan net上采用PB算法进行，PTV为靶区，脊髓、食管、左肺、右肺(健侧、患侧肺区别对待)为紧要器官，其余器官不纳入优化计算。选用治疗机为VARIAN NTX加速器，X射线能量为6MV，120叶片多叶光拦(MLC)，射野以PTV中心为等中心点，患侧为主采用6或7个射野Sliding Windows IMRT技术设计。处方和评估均按照RTOG 1306规程Table 6.7.1: Summary of Protocol Constraints and Compliance Criteria所列的剂量要求；靶区处方剂量为60Gy/30F，选用95.0% covers 95.0% of Target Volume方式优化。在iPlan系统将用XVMC算法、Eclipse用PBC、AAA算法重新计算剂量。

1.3错误排除和干扰因素控制对各种算法计算的计划数据必须进行一致性检查，以避免IMRT实现中某项参数被明显或者隐含的变更。将每个病例的完整DICOM RT数据集导入Varian Eclipse TPS系统，导入数据时提示识别错误或检查发现体积轮廓变化则淘汰数据，避免纳入靶区或器官数据变化病例。各个算法实现的治疗计划数据，分别导入Impac Mosaiq系统，核对射野各项参数和控制点参数，每个病例抽查一个射野的MLC子野MLC位置序列数据核对，以此确认患者数据一致，射野参数一致，MLC参数一致，在整个研究中未引入改变临床实际参数的错漏。

1.4计划系统相关配置Eclipse和iPlan系统均采用Philips BigBore大孔径CT用胸部条件扫描CIRS model062模体构建相同CT值电子密度校正曲线，避免电子密度方面的差异[3]。计算网格PBC算法为2mm或2.5mm，AAA算法为2mm或2.5mm，iPlan系统PB算法为2mm，XVMC算法为1.7mm×1.7mm×1.5mm；XVMC算法控制精度为2%[4,5]。不定义治疗床，以避免两个系统处理有差异，患者临床治疗计划则应考虑治疗床影响[6]。所有剂量体积参数均从Eclipse导出，数据导出精度间隔1cGy，数据读取精度限制为读取误差不超过1cGy。

1.5数据拟合差异探查Eclipse和iPlan系统均针对同一台加速器[VARIAN NTX，6MV X射线，HD120叶多叶光拦(MLC)]做Commissioning，原始数据一次采集；拟合后均通过临床数据验收，绝对剂量偏差不大于2%，数据验证15例适形和IMRT相对剂量验证伽码通过率优于98%。为比较两套计划系统数据拟合差异，采用均质模体设置不同3～15cm大小靶区设计适形和调强各5个共面测试计划，设计采用PB算法完成并用XVMC、PBC、AAA算法实现，统计比较绝对剂量和相对剂量分布：系统内(PB与XVMC、PBC与AAA)绝对剂量差异<1.5%，系统间(XVMC与AAA、PB与PBC)绝对剂量差异<2.5%。每个测试计划均导入采用IBA OmniPro IMRT QA系统进行伽马分析，对等中心所在横断面进行分析，3mm、3%条件下各系统内(PB与XVMC、PBC与AAA)和系统间(XVMC与AAA、PB与PBC)伽马通过率均优于97.5%。

1.6数据获取和分析照射剂量体积参数：以处方量(60Gy)的5%间隔(3Gy)记录4种算法Body的剂量体积参数，处方量的±5%范围内增加记录密度,记录值达到某个剂量D的百分体积VD。临床应用参数：靶区PTV记录最小剂量(Dmin)、最大剂量(Dmax)、平均剂量(Dmean)及5项百分体积剂量D98、D95、D90、D05、D02，并计算靶区覆盖度指数(coverage index，CI)和靶区剂量均匀性指数(relative dose homogeneity index，HI)[7]。计算公式：CI=(VPTV95*VPTV95)/(Vbody95*VPTV volume)，CI越大越接近1表示覆盖度越佳；HI=D05/D95，HI越小越接近1表示靶区剂量越均匀。食管记录最大剂量Dmax、平均剂量Dmean，脊髓记录最大剂量Dmax、平均剂量Dmean；肺记录全程达到关注剂量的百分体积V5、V10、V20、V30、V40、V50、V60和平均剂量Dmean。因PB类算法在肺部的精度较差[3]，且临床实际肺部肿瘤已经少用PB类算法，不记录PB算法和PBC算法的临床剂量体积参数。数据采用Microsoft office excel 2003行配对t检验分析[8]，记录单尾临界的P值，以P<0.01为有统计学意义。照射剂量体积参数比较统计分析PB算法、PBC算法间差异和XVMC算法、AAA算法间差异；临床应用剂量参数统计分析XVMC算法、AAA算法间差异。数据表记录精度：P值、剂量和相对百分体积及方差均精确到两位小数，P值小于0.01的记录为“P<0.01”；CI、HI及其方差记录精确到4位小数。

2结果

2.1照射剂量分布PB算法和PBC算法在6～48Gy区间差异不具备统计学意义(P为0.15～0.44)；54.0～61.8Gy区间差异有统计学意义(均P<0.01)，且区间PB算法结果大于PBC算法结果，平均剂量体积为PB算法的2.58%～0.67%与PBC算法的2.49%～0.13%。XVMC算法结果比AAA算法结果在60Gy下都偏大(平均剂量体积为XVMC算法的31.27%～0.85%与AAA算法的27.81%～0.83%)，60Gy及以上则反之(XVMC算法的0.56%～0.0%与AAA算法的0.66%～0.02%)；58.8～60.0Gy区间剂量体积差异无统计学意义(P为0.06～0.41)，其余剂量差异均有统计学意义。62.4Gy的体积，XVMC算法结果为0.0%，不纳入比较。6.0～57.0Gy区间，XVMC算法与AAA算法结果差异比PB算法与PBC算法间的差异更大(3.09%～0.38%与0.35%～0.16%)，58.2～61.8Gy区间XVMC算法与AAA算法结果差异更小(0.26%～0.10%与0.34%～0.54%),见表2。

2.2临床剂量参数比较靶区PTV的Dmin、D95、D90、D05、D025项及HI指数XVMC算法和AAA算法结果差异均有统计学意义(均P<0.01)，Dmax、Dmean、D98及CI指数差异无统计学意义(P为0.09～0.30)。紧要器官：脊髓和食管两种算法差异无统计学意义(P为0.06～0.25)；两种算法肺的V5、V10、Dmean差异有统计学意义(P<0.01)，而V20、V30、V40、V50、V60差异无统计学意义(P为0.03～0.37),见表3。

3讨论

照射剂量分布数据显示，PB算法和PBC算法得到的照射剂量体积分布在54～61.8Gy区间差异有统计学意义，剂量差异<1%，伽玛分析3mm、3%条件剂量分布比较通过率98%以上，考虑到PB算法和PBC算法在两套系统中实现PB算法后采用的不同命名(可有差异)，综合认为二者一致，表现出在54～61.8Gy区间用体积表现为较大数据差异，其差异来源于两套系统的拟合和其他系统特性。XVMC算法和AAA算法得到的照射剂量体积分布，在6～58Gy都有统计学意义，且XVMC算法与AAA算法结果间差异比PB算法与PBC算法间差异大，综合认为XVMC算法与AAA算法结果在胸部剔除数据拟合和两套系统特性带来的差异，结果仍然不一致，体现了XVMC算法和AAA算法间算法特性的差异；相对XVMC算法，AAA算法低剂量体积偏小且热点偏大。

临床应用参数部分数据显示，XVMC算法与AAA算法许多体积参数差异均有统计学意义，特别是影响临床判断的最常用参数之一。以靶区PTV的D95参数为例，XVMC算法为(54.71±2.26)Gy，AAA算法为(54.36±1.74)Gy，相差0.35Gy，相对偏差0.6%。PB算法与PBC算法照射剂量体积分布结果差异较小，可认为两套系统数据拟合即设备参数高度吻合。PB、PBC算法在非均匀组织区域要慎用已经是共识。本研究数据显示，对RTOG 1306规程使用肺癌病例，XVMC算法、AAA算法得出的靶区和肺剂量体积参数差异，可影响到临床医师对完全相同的计划得出不同的结论。相对于XVMC算法结果，AAA算法高估了靶区低端剂量，低估了肺的剂量体积。

表2　不同算法的照射剂量体积参数比较±s)

表3　XVMC算法与AAA算法临床应用参数比较

Irina Fotina等[9]用模体对比研究了多种商用TPS的XVMC和解析算法精度，结论为XVMC算法和先进核算法都在用于高精度的剂量计算，商用TPS的XVMC算法比先进核算法在非均匀模体和界面上剂量计算更加准确。本研究的数据与结论同该模拟研究吻合。Wambaka 等[10]研究对比了XVMC算法和SHM、CCC、SP算法对肺SRT的精度，认为在肺SRT中，CCC和SP算法接近XVMC模拟结果，CCC、SP算法适合于肺肿瘤的SRT治疗。张彦秋等[11]报道对2 cm×2 cm～8 cm×8 cm射野，相对XVMC算法，AAA算法与PBC算法均高估了骨介质区域的剂量，均低估了(PBC算法2 cm×2 cm射野除外)肺介质后区域的剂量。张富利、张玉海等[12，13]比较AAA算法和PBC算法在肺癌IMRT中的剂量学差异，建议临床肺癌放疗采用AAA算法。本研究XVMC算法和AAA算法结果有统计学差异，靶区临床参数差异多在1%左右，小于TPS的数据拟合差异控制在2%以内的要求。

商用TPS发展基于蒙特卡罗算法(XVMC)程序，是提高剂量计算精度的一个途径。虽然蒙特卡罗算法的特性决定实现精度越高需要的计算能力越强，在计算机软硬件的投入越大。实际上，临床TPS应用时的实际精度既受制于数据拟合因素、原始数据测量结果和验证精度的综合影响，又受到计算网格选择、CT密度校准等因素影响，是一个多方面作用的结果。算法选择导致的差异应当得到重视，它影响到使用不同算法的系统在基本剂量数据的准确性上存在系统性差异。基于蒙特卡罗算法的系统通常速度慢且随精度提高计算量呈几何级数增加，即使采用GPU加速等技术手段获得数十倍的加速[14，15]，研究采用的VXMC算法及其计算处理设置，是该系统处理RTOG 1306病例可以实现精度和计算时间等达到临床上可接受的程度，而更加精确地实现需要更加深入研究。目前有更多的商用系统采用基于蒙特卡罗算法并作为主要算法用于临床治疗。

三维适形仍然在临床大量应用[16]，并作为一种规范治疗模式，同时临床采用改变剂量分割模式、配合化疗等[17，18]综合治疗手段来改善治疗效果。单纯在技术方面，IMRT技术在临床肺癌治疗中有一定的优势。劳小芳[19]的研究结果指出，三维适形放疗与调强放疗同步化疗治疗Ⅲ期非小细胞肺癌的临床疗效相近,但调强放疗能更好地保护周围正常组织,减轻放疗毒副作用。陈金梅等[20]报道了IMRT相比3D CRT的剂量学优势。由于临床IMRT技术系统的普及和IMRT系统相对传统3D CRT对正常组织更加有利的保护，临床更大比例的采用IMRT技术进行肺癌的治疗是必然的。鉴于临床肺癌放疗实际越来越多地采用基于IMRT的治疗技术，且算法差异不因治疗技术的差异而改变，该设备临床上最常见的治疗模式是合适的。

4结论

对RTOG 1306规程病例，相对XVMC算法，AAA算法高估了靶区剂量，低估了肺的剂量体积，临床应用参数差异有统计学意义，可能影响到临床医师判断，临床选用时应当注意到算法特性差异带来的影响。本组数据XVMC算法与AAA算法靶区剂量差异在1%左右。

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Differences in dose-volumetric data among different algorithms in planning of intensity modulated radiation therapy for lung cancer in clinic

FAN Lin1，2,XIAO Mingyong2,FU Yuchuan1

(1.CancerCenter,WestChinaHospital,Chengdu610041,China; 2.CenterofRadiotherapy,SichuanCancerHospital,Chengdu610041,China)

【Abstract】ObjectiveMonte Carlo simulation has been known as the most accurate algorithm for particle transport. In recent years, great development has been realized on commercial TPSs based on Monte Carlo algorithm. In this paper, instead of phantoms, clinical patients with lung cancers suitable for RTOG1306 protocol were selected for different algorithms comparisons. Methods The patients according to RTOG1306 procedures were treated with Sliding Windows IMRT by iPlan PB algorithm. The planning of sliding window intensity modulated radiation therapy for lung cancer was carried with Pencil Beam (PB) algorithm implemented in iPlan, analytical anisotropic algorithm (AAA) in Eclipse and Voxel Monte Carlo(XVMC) algorithm in iPlan, respectively. Differences in dose-volumetric data among different algorithms were analyzed by student t test. ResultsThere were significant difference between the dose distribution of PBC and PB algorithm as the dose in the number of prescriptions(54.0 to 62.4Gy). Between the dose distribution of XVMC and AAA algorithm, it was wider range(6 to 57.6Gy). The difference between XVMC and AAA algorithm were significant difference between PBC and PB algorithm. ConclusionThere are significant differences in the clinical parameters of the XVMC algorithm and AAA algorithm, which may affect the clinical doctors. The data of RTOG1306 cases in this study are about 1%.

【Key words】Dose calculation；Algorithm；Lung cancer；IMRT plan；Dose-volumetric data

基金项目：国家自然科学基金(81101697)

通信作者：傅玉川，E-mail：ychfu@hotmail.com

【中图分类号】R 73; R 815

【文献标志码】A

doi：10.3969/j.issn.1672-3511.2016.06.014

(收稿日期：2015-11-02; 修回日期： 2016-03-31； 编辑： 母存培)