不同劑量算法對乳腺癌調強放療計劃的劑量學影響

劉萬軍,張西志,李　軍, 2,花　威,張先穩(wěn),陳雪梅

(1.江蘇省蘇北人民醫(yī)院 腫瘤科,江蘇 揚州,225001; 2.南京航空航天大學 核科學與工程系,江蘇 南京,210016)

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不同劑量算法對乳腺癌調強放療計劃的劑量學影響

劉萬軍1,張西志1,李軍1, 2,花威1,張先穩(wěn)1,陳雪梅1

(1.江蘇省蘇北人民醫(yī)院 腫瘤科,江蘇 揚州,225001; 2.南京航空航天大學 核科學與工程系,江蘇 南京,210016)

摘要:目的比較乳腺癌保乳術后調強放療(IMRT)的各向異性算法(AAA)與筆形束卷積算法(PBC)形成的治療計劃，分析在靶區(qū)的劑量均勻性HI、靶區(qū)適形度CI、雙肺照射劑量與體積以及心臟照射劑量與體積的差異。方法選取乳腺癌保乳術后20例逆向調強計劃和20例正向調強計劃,6 MV X線處方劑量靶區(qū)為50 Gy,分別用AAA算法和PBC算法模型計算，在兩種算法劑量體積直方圖上比較靶區(qū)、雙肺與心臟照射劑量和體積。結果逆向調強中AAA算法超過處方劑量的體積與PBC算法基本相似；靶區(qū)平均劑量低于PBC算法73.91 cGy,均勻性指數HI高于PBC算法2.5%,雙肺的V20高于PBC算法2.5%,心臟平均受照劑量低于PBC算法53.39 cGy。靶區(qū)適形數CI顯著高于PBC算法5.7%。正向調強中AAA算法超過處方劑量的體積高于PBC算法8.5%,靶區(qū)平均劑量高于PBC算法91.03 cGy,均勻性高于PBC算法10.1%,心臟平均受照劑量高于PBC算法3.37 cGy; 適形指數CI高于PBC算法5.9%,肺的V20顯著高于PBC算法0.9%(P<0.05)。結論乳腺癌調強計劃AAA算法適形度優(yōu)于PBC算法，但肺V20高于PBC算法。

關鍵詞:乳腺癌; 劑量算法; 調強放療; 劑量學

在腫瘤放射治療的過程中,放療計劃系統的使用是其中一個非常重要的環(huán)節(jié),因此放療計劃系統中所使用的劑量算法準確度與計算精度意義重大[1]。胸部腫瘤患者的靶區(qū)及周圍正常組織之間的密度差異較其他部位腫瘤差異更明顯，而不同的算法的特點和局限性，在計算劑量分布時會得出不同的結果。本研究應用Varian Eclipse 8.6治療計劃系統(TPS),對同一病例的調強計劃分別采用各向異性解析算法(AAA)與筆形束卷積算法(PBC)進行劑量計算，分析靶區(qū)劑量參數及劑量分布的均勻度、適形度等，探討危及器官心臟和肺的受照劑量和體積之間的差異，現報告如下。

1材料與方法

1.1一般資料

選取臨床上接受調強放療的乳腺癌患者40例，其中左側20例，右側20例，患者均為女性，年齡25～72歲，中位年齡為54歲。病理證實均為浸潤性導管癌且手術切緣無殘留，術后6周行調強放療。

1.2調強放療方法

① 患者仰臥在附有專用小型真空定位袋的乳腺托架上，患側上肢外展上舉并以舒適體位固定乳腺托架上各附件位置，以保證患者胸壁水平。同時在患者體表確定激光定位標記點。② 應用GE 16排大孔徑CT進行平靜呼吸狀態(tài)掃描，掃描范圍包括全肺和乳腺，CT掃描層厚為5 mm,并將數據傳輸至Varian Eclipse 8.6治療計劃系統上。③ 利用Varian Eclipse 8.6治療計劃系統在每層CT圖像上勾畫靶區(qū)和危及器官，全乳腺定義為臨床靶區(qū)靶體積(CTV)。④ 處方劑量(處方劑量是指90%的靶區(qū)體積所受到的最低劑量)為全乳腺50 Gy,利用Varian Eclipse 8.6治療計劃系統，逆向調強為動態(tài)調強，能量為6 MV X線，采用5野調強，優(yōu)化優(yōu)先權為CTV、肺、脊髓和心臟，分別應用AAA算法和PBC算法進行劑量計算，其中PBC算法采用等效組織空氣比(ETAR)校正，為了提高計算精度，計算網格選用2.5 mm,正向調強以切線野為主，加擋肺和擋高劑量點等子野，一般為7個治療射野，也分別應用AAA算法和PBC算法計算，計劃結果均達到臨床放療醫(yī)生要求的劑量要求。

1.3數據統計

在不同放療計劃的DVH上讀取靶區(qū)、患側肺和心臟的照射劑量和體積數據，其中靶區(qū)的評價指標為機器的跳數；超過處方劑量的體積、平均劑量、適形指數(CI)和均勻性指數(HI),VT為靶區(qū)體積,VTref為參考等劑量線曲面所包繞的靶區(qū)體積,Vref為參考等劑量線曲面所包繞的三維空間體積。CI值范圍是0～1,CI值越大，靶區(qū)適形度越好。HI=(D2-D98)/D處方×100%,其中D2指在DVH圖上2%的靶區(qū)體積對應的劑量，這可被認為是“最大劑量”; D98指在DVH圖上98%的靶區(qū)體積對應的劑量，可被認為是“小劑量”; D處方即計劃給予的處方劑量。肺的評價指標為肺的平均劑量、V20(照射劑量為20 Gy時的肺受量體積)和V30(照射劑量為30 Gy時的肺受量體積)；心臟的評價指標為平均劑量、V30(照射劑量為30 Gy時的心臟受量體積)和V40(照射劑量為40 Gy時的心臟受量體積)。

1.4統計學方法

應用SPSS 13.0軟件對數據進行統計分析，對兩種不同劑量算法的結果進行配對t檢驗,P<0.05為差異有統計學意義。

2結果

2.1AAA算法與PBC算法靶區(qū)劑量比較

正逆向調強放療計劃的劑量曲線分布基本相似。逆向調強計劃AAA算法CTV超過處方劑量5 000 cG的體積低于PBC算法0.49%,CTV平均劑量低于PBC算法73.91 cGy,均勻性指數HI高于PBC算法2.5%,但均無顯著差異；而適形指數CI高于PBC算法5.7%,有顯著差異，見表1。

正向調強計劃AAA算法CTV超過處方劑量5000 cG的體積高于PBC算法8.5%,CTV平均劑量高于PBC算法91.03 cGy,均勻性HI指數高于PBC算法10.1%,但均無顯著差異；而適形度指數CI顯著高于PBC算法5.9%。見表2。

表1　逆向調強AAA算法與PBC算法比較靶區(qū)(CTV)內劑量分布和非均勻性指數及適形指數的比較

與PBC算法比較,*P<0.05。

表2　正向調強AAA算法與PBC算法比較靶區(qū)(CTV)內劑量布和非均勻性指數及適形指數的比較

與PBC算法比較，**P<0.01。

2.2AAA算法與PBC算法危及器官受照劑量和體積的比較

逆向調強計劃AAA算法患側肺的平均受照劑量低于PBC算法28.73%,患側肺V20高于PBC算法2.5%,V30高于PBC算法0.4%,但均無顯著差異；心臟平均受照劑量低于PBC算法53.39 cGy,心臟V30低于PBC算法0.1%,V40低于PBC算法0.2%,無顯著差異。正向調強計劃AAA算法患側肺的平均受照劑量高于PBC算法34.67 cGy,V30低于PBC算法0.2%,均無顯著差異；患側肺V20高于PBC算法0.9%,且有顯著差異；心臟平均受照劑量高于PBC算法3.37 cGy,心臟V30高于PBC算法0.2%,V40高于PBC算法0.5%,但均無顯著差異。見表3、4。

表3　逆向調強AAA算法與PBC算法比較危及器官(OAR)受照劑量和體積百分比

與PBC比較,*P<0.05。

表4　正向調強AAA算法與PBC算法比較危及器官(OAR)受照劑量和體積百分比

與PBC比較,**P<0.05。

2.3AAA算法與PBC算法機器跳數的比較

逆向調強計劃AAA算法機器跳數平均低于PBC算法18.5 MU,正向調強計劃AAA算法機器跳數平均低于PBC算法2.1 MU,但均無顯著差異。見表5。

表5　逆向調強與正向調強AAA算法與PBC算法機器跳數(MU)比較

3討論

實驗證明PBC劑量計算模型由于可以利用卷積技術與快速傅立葉變換而受到了越來越多的關注，這一模型認為不規(guī)則射野的劑量分布進行卷積運算得到，理論上是指在零野條件下的一束無窮小尺寸的射線束，而實際上無法做到零野照射，實際臨床中獲取的筆形束射野一般都是有限尺寸的。筆形束核是指某一筆形束(零野)垂直入射到半平面體介質上的射野沉積能量分布，它是周邊區(qū)域對筆形束中心軸的散射貢獻的量化，它的提取是不規(guī)則射野筆形束劑量模型的核心問題，而計算筆形束卷積核的精確方法是Monte Carlo方法。AAA算法是三維上的筆形束卷積疊加算法，它的模型建立考慮了原射線、電子線的污染以及準直器散射的影響，更接近于實際測量值，是一種更精確的算法[2]。本研究中逆向調強PBC算法在評價超過處方劑量的靶區(qū)體積，靶區(qū)平均劑量均高于AAA算法，在評價危及器官的受照劑量和體積時，患側肺的平均受照劑量、V20和V30均低于AAA算法，心臟平均受照劑量、V30和V40均略高于AAA算法。正向調強中PBC算法在評價超過處方劑量的靶區(qū)體積，靶區(qū)平均劑量均低于AAA算法，在評價危及器官的受照劑量和體積時，患側肺的平均受照劑量和V20均低于AAA算法，此結果與Bragg CM[3]等報道的AAA算法在肺內腫瘤的調強計劃結論是肺的平均劑量和V20略高于模體測量結果，但誤差在3%以內一致,V30略高于PBC算法，心臟平均受照劑量、V30和V40均略低于AAA算法。Panettieri V[4]等報道了AAA算法和PBC算法在皮膚表面組織的比較，PBC算法在大機架角時組織的頭2～3 mm計算劑量低于Monte Carlo模擬劑量，在小機架角時組織的頭幾毫米深度計算劑量卻高于Monte Carlo模擬劑量，AAA算法在所有深度，任何機架角時計算劑量均高于Monte Carlo模擬劑量。在乳腺治療中呼吸會引起靶區(qū)的運動,Fogliata A[5]等報道了AAA算法在各個呼吸時相的計算劑量連貫穩(wěn)定，而PBC算法卻存在缺陷。

在腫瘤放射治療中,TPS的使用是其中非常重要的一個環(huán)節(jié)，因此TPS所使用的劑量算法是否準確是必須考慮的問題[6]。各種劑量算法在進行不同密度介質分界面上的電子轉移近似時，都會遇到不同的困難，而且不同的算法所帶來的局限性也不同[7-8]。在大多數情況下PBC算法能較好地滿足劑量計算的精度[9],但不能準確地體現射線穿過兩種不同密度組織時的二次建成效應。由于AAA算法是三維的筆型束卷積疊加算法，它的模型建立考慮了原射線、電子線污染及準直器散射的影響，對不均勻介質中的劑量計算能夠進行更準確地修正，理論上AAA算法是一種更精確的算法[10]。研究結果表明,PBC算法趨于過高估計靶區(qū)內低密度組織的吸收劑量。關于AAA算法與PBC算法的劑量學討論已有多篇報道，但多見于肺癌的比較，強調肺受量的區(qū)別。Aarup LR等[11]研究了各個呼吸時相肺密度的改變對AAA算法和PBC算法的影響，并與蒙特卡羅算法的計算結果比較發(fā)現,PBC算法劑量與蒙特卡羅計算結果偏差遠大于AAA算法(肺密度為0.01 g/cm3),AAA算法相對于PBC算法更接近于實際測量值，但仍會低估肺的受量，而盆腔部位由于沒有肺的存在，因此更適合AAA劑量算法。Rnde[12]等通過測量驗證得出在不均勻組織中AAA算法優(yōu)于PBC算法,AAA算法較PBC算法不僅能獲得更好的靶區(qū)適形度和均勻性，而且能更好的控制正常組織和危及器官的劑量。因此乳腺癌調強放療用AAA劑量算法較好。

隨著精確放療技術的發(fā)展，患者在治療前的影像獲取，靶區(qū)定位以及靶區(qū)勾畫等方面的精確越來越高，但是在患者實際治療過程中仍然受到許多不確定因素的影響。研究表明患者接受治療時其擺位位置以及器官運動等有可能造成靶區(qū)漏照，或者使危及器官接受高劑量照射。很多研究[13-15]表明乳腺癌患者在調強放療過程中產生的擺位誤差達5～40 mm。Balter等[16]研究顯示當擺位誤差大于1 cm時會導致周邊靶區(qū)丟失大于6 mm。因此對乳腺癌患者接受調強放療時進行擺位校正也是非常有必要的，否則劑量算法再好也會產生非常大的劑量誤差和位置誤差，整個治療計劃也會失敗，對放療患者來說更是致命的。

本研究比較了AAA算法和PBC算法在乳腺癌正逆向調強計劃的靶區(qū)受照劑量，均勻性和適形度的差異，以及危及器官的受照劑量和體積之間的差異，并運用統計學分析，得出在適形度CI和肺的V20上有顯著差異，然而兩種算法與實際的誤差有多大需要用Monte Carlo算法進行模擬計算，以及用體模進行點劑量測量和膠片驗證作比較，這有待于進一步的實驗研究與探索。

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收稿日期:2016-03-26

通信作者:李軍,E-mail:lijun19751000@163.com

中圖分類號:R 737.9

文獻標志碼:A

文章編號: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