不同剂量算法对乳腺癌调强放疗计划的剂量学影响

刘万军,张西志,李　军, 2,花　威,张先稳,陈雪梅

(1.江苏省苏北人民医院 肿瘤科,江苏 扬州,225001; 2.南京航空航天大学 核科学与工程系,江苏 南京,210016)



不同剂量算法对乳腺癌调强放疗计划的剂量学影响

刘万军1,张西志1,李军1, 2,花威1,张先稳1,陈雪梅1

(1.江苏省苏北人民医院 肿瘤科,江苏 扬州,225001; 2.南京航空航天大学 核科学与工程系,江苏 南京,210016)

摘要:目的比较乳腺癌保乳术后调强放疗(IMRT)的各向异性算法(AAA)与笔形束卷积算法(PBC)形成的治疗计划，分析在靶区的剂量均匀性HI、靶区适形度CI、双肺照射剂量与体积以及心脏照射剂量与体积的差异。方法选取乳腺癌保乳术后20例逆向调强计划和20例正向调强计划,6 MV X线处方剂量靶区为50 Gy,分别用AAA算法和PBC算法模型计算，在两种算法剂量体积直方图上比较靶区、双肺与心脏照射剂量和体积。结果逆向调强中AAA算法超过处方剂量的体积与PBC算法基本相似；靶区平均剂量低于PBC算法73.91 cGy,均匀性指数HI高于PBC算法2.5%,双肺的V20高于PBC算法2.5%,心脏平均受照剂量低于PBC算法53.39 cGy。靶区适形数CI显著高于PBC算法5.7%。正向调强中AAA算法超过处方剂量的体积高于PBC算法8.5%,靶区平均剂量高于PBC算法91.03 cGy,均匀性高于PBC算法10.1%,心脏平均受照剂量高于PBC算法3.37 cGy; 适形指数CI高于PBC算法5.9%,肺的V20显著高于PBC算法0.9%(P<0.05)。结论乳腺癌调强计划AAA算法适形度优于PBC算法，但肺V20高于PBC算法。

关键词:乳腺癌; 剂量算法; 调强放疗; 剂量学

在肿瘤放射治疗的过程中,放疗计划系统的使用是其中一个非常重要的环节,因此放疗计划系统中所使用的剂量算法准确度与计算精度意义重大[1]。胸部肿瘤患者的靶区及周围正常组织之间的密度差异较其他部位肿瘤差异更明显，而不同的算法的特点和局限性，在计算剂量分布时会得出不同的结果。本研究应用Varian Eclipse 8.6治疗计划系统(TPS),对同一病例的调强计划分别采用各向异性解析算法(AAA)与笔形束卷积算法(PBC)进行剂量计算，分析靶区剂量参数及剂量分布的均匀度、适形度等，探讨危及器官心脏和肺的受照剂量和体积之间的差异，现报告如下。

1材料与方法

1.1一般资料

选取临床上接受调强放疗的乳腺癌患者40例，其中左侧20例，右侧20例，患者均为女性，年龄25～72岁，中位年龄为54岁。病理证实均为浸润性导管癌且手术切缘无残留，术后6周行调强放疗。

1.2调强放疗方法

① 患者仰卧在附有专用小型真空定位袋的乳腺托架上，患侧上肢外展上举并以舒适体位固定乳腺托架上各附件位置，以保证患者胸壁水平。同时在患者体表确定激光定位标记点。② 应用GE 16排大孔径CT进行平静呼吸状态扫描，扫描范围包括全肺和乳腺，CT扫描层厚为5 mm,并将数据传输至Varian Eclipse 8.6治疗计划系统上。③ 利用Varian Eclipse 8.6治疗计划系统在每层CT图像上勾画靶区和危及器官，全乳腺定义为临床靶区靶体积(CTV)。④ 处方剂量(处方剂量是指90%的靶区体积所受到的最低剂量)为全乳腺50 Gy,利用Varian Eclipse 8.6治疗计划系统，逆向调强为动态调强，能量为6 MV X线，采用5野调强，优化优先权为CTV、肺、脊髓和心脏，分别应用AAA算法和PBC算法进行剂量计算，其中PBC算法采用等效组织空气比(ETAR)校正，为了提高计算精度，计算网格选用2.5 mm,正向调强以切线野为主，加挡肺和挡高剂量点等子野，一般为7个治疗射野，也分别应用AAA算法和PBC算法计算，计划结果均达到临床放疗医生要求的剂量要求。

1.3数据统计

在不同放疗计划的DVH上读取靶区、患侧肺和心脏的照射剂量和体积数据，其中靶区的评价指标为机器的跳数；超过处方剂量的体积、平均剂量、适形指数(CI)和均匀性指数(HI),VT为靶区体积,VTref为参考等剂量线曲面所包绕的靶区体积,Vref为参考等剂量线曲面所包绕的三维空间体积。CI值范围是0～1,CI值越大，靶区适形度越好。HI=(D2-D98)/D处方×100%,其中D2指在DVH图上2%的靶区体积对应的剂量，这可被认为是“最大剂量”; D98指在DVH图上98%的靶区体积对应的剂量，可被认为是“小剂量”; D处方即计划给予的处方剂量。肺的评价指标为肺的平均剂量、V20(照射剂量为20 Gy时的肺受量体积)和V30(照射剂量为30 Gy时的肺受量体积)；心脏的评价指标为平均剂量、V30(照射剂量为30 Gy时的心脏受量体积)和V40(照射剂量为40 Gy时的心脏受量体积)。

1.4统计学方法

应用SPSS 13.0软件对数据进行统计分析，对两种不同剂量算法的结果进行配对t检验,P<0.05为差异有统计学意义。

2结果

2.1AAA算法与PBC算法靶区剂量比较

正逆向调强放疗计划的剂量曲线分布基本相似。逆向调强计划AAA算法CTV超过处方剂量5 000 cG的体积低于PBC算法0.49%,CTV平均剂量低于PBC算法73.91 cGy,均匀性指数HI高于PBC算法2.5%,但均无显著差异；而适形指数CI高于PBC算法5.7%,有显著差异，见表1。

正向调强计划AAA算法CTV超过处方剂量5000 cG的体积高于PBC算法8.5%,CTV平均剂量高于PBC算法91.03 cGy,均匀性HI指数高于PBC算法10.1%,但均无显著差异；而适形度指数CI显著高于PBC算法5.9%。见表2。

表1　逆向调强AAA算法与PBC算法比较靶区(CTV)内剂量分布和非均匀性指数及适形指数的比较

与PBC算法比较,*P<0.05。

表2　正向调强AAA算法与PBC算法比较靶区(CTV)内剂量布和非均匀性指数及适形指数的比较

与PBC算法比较，**P<0.01。

2.2AAA算法与PBC算法危及器官受照剂量和体积的比较

逆向调强计划AAA算法患侧肺的平均受照剂量低于PBC算法28.73%,患侧肺V20高于PBC算法2.5%,V30高于PBC算法0.4%,但均无显著差异；心脏平均受照剂量低于PBC算法53.39 cGy,心脏V30低于PBC算法0.1%,V40低于PBC算法0.2%,无显著差异。正向调强计划AAA算法患侧肺的平均受照剂量高于PBC算法34.67 cGy,V30低于PBC算法0.2%,均无显著差异；患侧肺V20高于PBC算法0.9%,且有显著差异；心脏平均受照剂量高于PBC算法3.37 cGy,心脏V30高于PBC算法0.2%,V40高于PBC算法0.5%,但均无显著差异。见表3、4。

表3　逆向调强AAA算法与PBC算法比较危及器官(OAR)受照剂量和体积百分比

与PBC比较,*P<0.05。

表4　正向调强AAA算法与PBC算法比较危及器官(OAR)受照剂量和体积百分比

与PBC比较,**P<0.05。

2.3AAA算法与PBC算法机器跳数的比较

逆向调强计划AAA算法机器跳数平均低于PBC算法18.5 MU,正向调强计划AAA算法机器跳数平均低于PBC算法2.1 MU,但均无显著差异。见表5。

表5　逆向调强与正向调强AAA算法与PBC算法机器跳数(MU)比较

3讨论

实验证明PBC剂量计算模型由于可以利用卷积技术与快速傅立叶变换而受到了越来越多的关注，这一模型认为不规则射野的剂量分布进行卷积运算得到，理论上是指在零野条件下的一束无穷小尺寸的射线束，而实际上无法做到零野照射，实际临床中获取的笔形束射野一般都是有限尺寸的。笔形束核是指某一笔形束(零野)垂直入射到半平面体介质上的射野沉积能量分布，它是周边区域对笔形束中心轴的散射贡献的量化，它的提取是不规则射野笔形束剂量模型的核心问题，而计算笔形束卷积核的精确方法是Monte Carlo方法。AAA算法是三维上的笔形束卷积叠加算法，它的模型建立考虑了原射线、电子线的污染以及准直器散射的影响，更接近于实际测量值，是一种更精确的算法[2]。本研究中逆向调强PBC算法在评价超过处方剂量的靶区体积，靶区平均剂量均高于AAA算法，在评价危及器官的受照剂量和体积时，患侧肺的平均受照剂量、V20和V30均低于AAA算法，心脏平均受照剂量、V30和V40均略高于AAA算法。正向调强中PBC算法在评价超过处方剂量的靶区体积，靶区平均剂量均低于AAA算法，在评价危及器官的受照剂量和体积时，患侧肺的平均受照剂量和V20均低于AAA算法，此结果与Bragg CM[3]等报道的AAA算法在肺内肿瘤的调强计划结论是肺的平均剂量和V20略高于模体测量结果，但误差在3%以内一致,V30略高于PBC算法，心脏平均受照剂量、V30和V40均略低于AAA算法。Panettieri V[4]等报道了AAA算法和PBC算法在皮肤表面组织的比较，PBC算法在大机架角时组织的头2～3 mm计算剂量低于Monte Carlo模拟剂量，在小机架角时组织的头几毫米深度计算剂量却高于Monte Carlo模拟剂量，AAA算法在所有深度，任何机架角时计算剂量均高于Monte Carlo模拟剂量。在乳腺治疗中呼吸会引起靶区的运动,Fogliata A[5]等报道了AAA算法在各个呼吸时相的计算剂量连贯稳定，而PBC算法却存在缺陷。

在肿瘤放射治疗中,TPS的使用是其中非常重要的一个环节，因此TPS所使用的剂量算法是否准确是必须考虑的问题[6]。各种剂量算法在进行不同密度介质分界面上的电子转移近似时，都会遇到不同的困难，而且不同的算法所带来的局限性也不同[7-8]。在大多数情况下PBC算法能较好地满足剂量计算的精度[9],但不能准确地体现射线穿过两种不同密度组织时的二次建成效应。由于AAA算法是三维的笔型束卷积叠加算法，它的模型建立考虑了原射线、电子线污染及准直器散射的影响，对不均匀介质中的剂量计算能够进行更准确地修正，理论上AAA算法是一种更精确的算法[10]。研究结果表明,PBC算法趋于过高估计靶区内低密度组织的吸收剂量。关于AAA算法与PBC算法的剂量学讨论已有多篇报道，但多见于肺癌的比较，强调肺受量的区别。Aarup LR等[11]研究了各个呼吸时相肺密度的改变对AAA算法和PBC算法的影响，并与蒙特卡罗算法的计算结果比较发现,PBC算法剂量与蒙特卡罗计算结果偏差远大于AAA算法(肺密度为0.01 g/cm3),AAA算法相对于PBC算法更接近于实际测量值，但仍会低估肺的受量，而盆腔部位由于没有肺的存在，因此更适合AAA剂量算法。Rnde[12]等通过测量验证得出在不均匀组织中AAA算法优于PBC算法,AAA算法较PBC算法不仅能获得更好的靶区适形度和均匀性，而且能更好的控制正常组织和危及器官的剂量。因此乳腺癌调强放疗用AAA剂量算法较好。

随着精确放疗技术的发展，患者在治疗前的影像获取，靶区定位以及靶区勾画等方面的精确越来越高，但是在患者实际治疗过程中仍然受到许多不确定因素的影响。研究表明患者接受治疗时其摆位位置以及器官运动等有可能造成靶区漏照，或者使危及器官接受高剂量照射。很多研究[13-15]表明乳腺癌患者在调强放疗过程中产生的摆位误差达5～40 mm。Balter等[16]研究显示当摆位误差大于1 cm时会导致周边靶区丢失大于6 mm。因此对乳腺癌患者接受调强放疗时进行摆位校正也是非常有必要的，否则剂量算法再好也会产生非常大的剂量误差和位置误差，整个治疗计划也会失败，对放疗患者来说更是致命的。

本研究比较了AAA算法和PBC算法在乳腺癌正逆向调强计划的靶区受照剂量，均匀性和适形度的差异，以及危及器官的受照剂量和体积之间的差异，并运用统计学分析，得出在适形度CI和肺的V20上有显著差异，然而两种算法与实际的误差有多大需要用Monte Carlo算法进行模拟计算，以及用体模进行点剂量测量和胶片验证作比较，这有待于进一步的实验研究与探索。

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收稿日期:2016-03-26

通信作者:李军,E-mail:lijun19751000@163.com

中图分类号:R 737.9

文献标志码:A

文章编号:1672-2353(2016)15-028-05

DOI:10.7619/jcmp.201615008

Effects of dose calculation algorithm on dosiology of breast cancer patients with intensity modulated radiation therapy

LIU Wanjun1,ZHANG Xizhi1,LI Jun1,2,HUA Wei1, ZHANG Xianwen1,CHEN Xuemei1

(1.Department of Oncology,Subei People′s Hospital,Yangzhou,Jiangsu,225001; 2.School of Nuclear Science and Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,Jiangsu,210016)

ABSTRACT:ObjectiveTo compare analytical anisotropic algorithm (AAA) and pencil beam convolution (PBC) in the IMRT after breast-conserving surgery in formation of the treatment plan.Differences in target dose uniformity of Hi,target conformal CI,double lung irradiation dose and volume and heart irradiation dose and volume were analyzed.Methods20 breast cancer cases with inverse intensity modulation scheme after breast conserving surgery and 20 cases with positive intensity modulation scheme were selected.6 MV X-ray prescription dose for the target area was 50 Gy,and was calculated with AAA algorithm and the PBC algorithm model respectively.In the two algorithms dose volume histogram,target area,lungs and heart irradiation dose and volume were compared.ResultsIn inverse IMRT plan,the above prescription dose of PTV with AAA was equal to the dose with PBC.The mean PTV dose with AAA was lower than the PBC by 73.91 cGy,and the uniformity was higher than the PBC by 2.5%.V20of ipsilateral lung was higher than the PBC by 2.5%,and the mean heart dose was lower than the PBC by 53.39 cGy.The conformity index of PTV with AAA was significantly higher than the PBC by 5.7%.In positive IMRT plan,the above prescription dose of PTV with AAA was higher than the PBC by 8.5%,the mean PTV dose was higher than the PBC by 91.03 cGy,the uniformity was higher than the PBC by 10.1%,and the heart mean dose was higher than the PBC by 3.37 cGy.The conformity index of PTV with AAA was significantly higher than thePBC by 5.9%.V20of ipsilateral lung with AAA was significantly higher than the PBC by 0.9%. ConclusionThe conformity of PTV with AAA is better than the PBC in breast cancer in IMRT plan,but the V20of the ipsilateral lung is higher than the PBC.

KEYWORDS:breast cancer; dose calculation algorithm; intensity modulated radiation therapy; dosiology