蒙特卡羅治療計劃系統(tǒng)MMCTP的臨床評估

孟慧鵬，孫小喆，付 娟，段敬豪，王克強，趙前鋒，明 鑫

（1.武警特色醫(yī)學中心，天津 300162；2.天津大學精密儀器與光電子工程學院，天津 300072；3.襄陽市中心醫(yī)院，湖北文理學院附屬醫(yī)院，湖北襄陽 441021；4.天津醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程與技術(shù)學院，天津 300050）

0 引言

隨著放療技術(shù)的發(fā)展，更高效、計算精度更高的治療計劃系統(tǒng)（treatment planning system，TPS）和劑量計算算法被開發(fā)并應用于放療，其在吸收劑量分布評價、質(zhì)量保證及質(zhì)量控制方面發(fā)揮著重要作用[1-2]?；诿商乜_或快速蒙特卡羅算法的TPS可為放療提供更準確的結(jié)果，并且隨著計算機軟硬件的發(fā)展，蒙特卡羅模擬的效率已大幅提升，基于蒙特卡羅模擬的TPS已不再局限于科研，逐步在臨床中得到推廣使用[1，3]。然而，由于不同廠家的TPS在計劃評估算法、數(shù)據(jù)存儲格式方面有所不同，跨平臺多技術(shù)、多算法之間的劑量學相關(guān)研究（回顧性和前瞻性）較難進行。加拿大McGill大學Alexander團隊[4-5]開發(fā)的MMCTP（McGill Monte Carlo treatment planning system）是一個基于蒙特卡羅模擬的TPS平臺，可支持大多數(shù)主流設(shè)備（技術(shù)）的放療計劃導入，并可提供基于蒙特卡羅模擬的劑量計算。針對MMCTP的研究多數(shù)為McGill大學原開發(fā)團隊的進一步研究，包括用MMCTP驗證模擬加速器模型的準確性及加速器本身的物理劑量學參數(shù)等[5-7]，未見將MMCTP用于真實臨床病例劑量學評估的相關(guān)報道。本研究驗證MMCTP最新版V9.2.0（2020年發(fā)布）在劑量計算方面的準確性，進一步探討將其用于臨床劑量學研究的可行性。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取武警特色醫(yī)學中心2012年6月至2016年12月期間采用RapidArc加速器治療的40例患者，按治療部位分為頭部組、胸部組、腹部組和盆腔組4組，每組10例患者。病例納入標準：（1）為盡可能保證驗證病例的多樣性，病例選取時涵蓋臨床常見的大多數(shù)病種，如腦腫瘤、鼻咽癌、肺癌、乳腺癌、食管癌、肝癌、胰腺癌、宮頸癌、前列腺癌、直腸癌等；（2）病例的計劃CT圖像、危及器官信息和治療計劃數(shù)據(jù)等信息完整。排除標準：多部位同時治療的病例。

1.2 軟件

蒙特卡羅模擬程序EGSnrc（版本：V2.0）；TPS平臺1：MMCTP[4-5]軟件（版本：V9.2.0）；TPS平臺2：Eclipse[8]計劃系統(tǒng)（版本：V10.0）。EGSnrc和MMCTP均運行于HP Compaq Elite 8300（Intel Corei 5-3480，3.2 GHz CPU，16 GiB RAM）工作站上。Eclipse計劃系統(tǒng)劑量計算采用各向異性分析算法（anisotropic analytic algorithm，AAA），該算法支持對非均勻組織的修正，計算網(wǎng)格選擇0.25 cm。

1.3 方法

1.3.1 數(shù)據(jù)獲取

40例病例均通過Eclipse計劃系統(tǒng)導出相關(guān)數(shù)據(jù)，包括每例患者的計劃CT圖像（層厚5 mm、像素512×512）、治療計劃信息（包括靶區(qū)及危及器官輪廓數(shù)據(jù)、治療計劃數(shù)據(jù)和劑量計算數(shù)據(jù)等）。為了便于比較，實驗選取的計劃處方劑量頭部和盆腔病例均為6 000 cGy/30f/6周，胸部和腹部病例均為5 000 cGy/25f/5周。

1.3.2 實驗設(shè)計

實驗的基本思路是將Eclipse計劃系統(tǒng)導出的病例數(shù)據(jù)導入MMCTP，并設(shè)置與Eclipse計劃系統(tǒng)相同的靶區(qū)及危及器官信息、射野信息和計劃參數(shù)等，通過MMCTP的BEAMnrc和DOSXYZnrc模塊調(diào)用EGSnrc的對應模塊進行蒙特卡羅模擬，并計算得到新的劑量學結(jié)果。通過比較Eclipse計劃系統(tǒng)的計劃結(jié)果和MMCTP計劃結(jié)果的差異，探討MMCTP用于劑量學研究的可行性。

（1）基礎(chǔ)準備。選取的病例通過Eclipse計劃系統(tǒng)的Export功能導出完整的治療計劃信息備用。配置MMCTP和EGSnrc程序的模擬參數(shù)，模擬的粒子數(shù)設(shè)為109；電子和光子的截止能量（ECUT、PCUT）、二次粒子能量閾值（AE、AP）設(shè)為ECUT=AE=0.521 MeV、PCUT=AP=0.001 MeV；劑量計算網(wǎng)格設(shè)為0.25 cm（與Eclipse計劃系統(tǒng)保持一致），其余參數(shù)使用默認設(shè)置。

（2）獲取校準因子。通過標準水模體模擬，計算Eclipse計劃系統(tǒng)的劑量和EGSnrc程序生成的3ddose三維劑量矩陣之間的校準因子，并輸入MMCTP相應位置（校準因子計算的模擬條件為源皮距100 cm，10 cm×10 cm射野，40 cm×40 cm×40 cm標準水模體）。此外為保證實驗的準確，在EGSnrc中對虛擬的RapidArc加速器參數(shù)進行適當?shù)呐渲煤驼{(diào)整，包括微調(diào)各建模組件的位置（毫米級）、配置對應的多葉光柵、對所模擬加速器百分深度劑量及離軸劑量等劑量學參數(shù)的驗證等，確保劑量計算結(jié)果與測量結(jié)果一致。

（3）MMCTP蒙特卡羅模擬。將Eclipse計劃系統(tǒng)導出的病例的計劃信息導入MMCTP，系統(tǒng)將自動用患者的ID號進行標識。導入的信息由MMCTP自動生成對應的計劃參數(shù)，并作為EGSnrc程序（DOSXYZnrc和BEAMnrc模塊）蒙特卡羅模擬的輸入文件。執(zhí)行蒙特卡羅模擬操作后MMCTP將生成的3ddose文件通過獲取的校準因子轉(zhuǎn)化為絕對劑量，此時MMCTP生成的等劑量線、劑量體積直方圖（dose volume histogram，DVH）等劑量學參數(shù)可直接進行比較。

（4）結(jié)果比較。通過比較2種TPS的靶區(qū)和危及器官等的物理劑量學參數(shù)結(jié)果，分析二者之間的差異。

1.3.3 評估方法

40例患者均通過DVH比較靶區(qū)和危及器官的劑量學差異。所有病例的靶區(qū)除評估計劃靶區(qū)（planning target volume，PTV）D98、D2、Dmean外，還評估適形性指數(shù)（conformity index，CI）和均勻性指數(shù)（homogeneity index，HI）。CI=VT，ref/VT×VT，ref/Vref，式中，VT為靶體積，VT，ref為參考等劑量線面所包繞的靶區(qū)體積，Vref為參考等劑量線面所包繞的所有區(qū)域體積，CI取值為0～1，越接近1說明靶區(qū)適形度越好；HI=（D2-D98）/D50×100%，式中D2、D98和D50分別為2%、98%和50%體積的靶區(qū)受到照射的劑量，HI值越大說明計劃的劑量分布均勻性越差。

危及器官頭部組評估左右晶體、左右視神經(jīng)、腦組織，其中晶體統(tǒng)計D1、視神經(jīng)和腦組織統(tǒng)計Dmean；胸部組評估左右肺、脊髓、心臟，其中左右 肺 統(tǒng) 計V5、V20、V30，脊髓統(tǒng)計D1，心臟統(tǒng)計V10；腹部組評估肝臟、左右腎、脊髓，其中肝臟統(tǒng)計V20和V30，左右腎統(tǒng)計Dmean，脊髓統(tǒng)計D1；盆腔組評估左右側(cè)股骨頭和直腸，其中左右側(cè)股骨頭統(tǒng)計Dmean，直腸統(tǒng)計V40和V50。劑量評估的參數(shù)中Dmean表示平均劑量；Vn和Dn分別表示nGy的劑量照射感興趣組織的體積百分數(shù)、n%體積的感興趣組織受到照射的劑量（單位為Gy）。此外，還分別評估2種計劃系統(tǒng)的等中心平面Gamma通過率（使用德國PTW公司的Detector 729配合八角模體測量得到），采用的標準為3%/3 mm。

1.3.4 統(tǒng)計學方法

使用IBM SPSS 26.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，4組病例的物理劑量學參數(shù)結(jié)果采用t檢驗進行統(tǒng)計學分析，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

4組病例2種TPS的靶區(qū)劑量學參數(shù)結(jié)果見表1。由表1可知，Eclipse計劃系統(tǒng)的結(jié)果與MMCTP相比，除胸部組的D98、Dmean和HI差異有統(tǒng)計學意義外（t值分別為-3.947、-4.385和3.959，P＜0.05），其余3組病例的靶區(qū)劑量學參數(shù)差異均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。4組病例2種TPS的危及器官劑量學參數(shù)結(jié)果見表2～5。由4個表中數(shù)據(jù)可知，所統(tǒng)計的危及器官劑量學參數(shù)中，Eclipse計劃系統(tǒng)的結(jié)果與MMCTP相比，差異均無統(tǒng)計學意義（t為-1.739～2.142，P＞0.05）。4組病例等中心平面模體實測Gamma通過率結(jié)果見表6。由表6可知，2種TPS的結(jié)果差異均無統(tǒng)計學意義（t為-0.428～2.111，P＞0.05）。2種TPS劑量計算結(jié)果的差異值如圖1所示。由圖1可知，4組病例的劑量學差異平均值均在±1.6%以內(nèi)，差異最大值為頭部組的D2，其中1例病例的差異值為4.8%。2種TPS相比，所統(tǒng)計的劑量學參數(shù)中，大多數(shù)參數(shù)的差異值中位數(shù)在±1%以內(nèi)。

表1 2種TPS的靶區(qū)劑量學參數(shù)結(jié)果

表1 2種TPS的靶區(qū)劑量學參數(shù)結(jié)果

TPS 頭部組（n=10） 胸部組（n=10）D2/cGy D98/cGy Dmean/cGy CI HI D2/cGy D98/cGy Dmean/cGy CI HI Eclipse 6 357±146 5 897±61 6 166±138 0.91±0.03 7.43±2.28 5 686±280 4 855±128 5 303±214 0.89±0.06 15.58±3.02 MMCTP 6 382±160 5 872±80 6 148±139 0.89±0.04 8.26±2.73 5 699±286 4 928±139 5 364±208 0.88±0.06 14.28±2.52 t 0.367 0.796 0.295 1.927 -1.074 -2.215 -3.947 -4.385 1.901 3.959 P ＞0.05＞0.05＞0.05＞0.05＞0.05＞0.05＜0.05＜0.05＞0.05＜0.05 TPS Eclipse MMCTP腹部組（n=10）盆腔組（n=10）t P D2/cGy 5 264±95 5 272±93-0.194＞0.05 D98/cGy 4 885±88 4 891±100-0.145＞0.05 Dmean/cGy 5 135±92 5 149±111-0.314＞0.05 CI 0.95±0.03 0.94±0.02 1.118＞0.05 HI 7.24±0.35 7.29±0.42-0.408＞0.05 D2/cGy 6 374±239 6 399±228-0.239＞0.05 D98/cGy 6 015±228 6 011±220 0.039＞0.05 Dmean/cGy 6 168±226 6 172±228-0.038＞0.05 CI 0.93±0.05 0.92±0.04 0.859＞0.05 HI 5.84±3.42 6.31±3.39-1.043＞0.05

表2 頭部組危及器官劑量學參數(shù)結(jié)果(，n=10)單位：cGy

表2 頭部組危及器官劑量學參數(shù)結(jié)果(，n=10)單位：cGy

TPS 腦組織Dmean左晶體D1右晶體D1左視神經(jīng)Dmean右視神經(jīng)Dmean Eclipse 660±76 528±95 467±58 3 238±174 3 223±319 MMCTP 659±87 524±99 463±56 3 276±160 3 236±300 t 0.017 0.090 0.152 -0.504 -0.095 P ＞0.05 ＞0.05 ＞0.05 ＞0.05 ＞0.05

表3 胸部組危及器官劑量學參數(shù)結(jié)果(，n=10)

表3 胸部組危及器官劑量學參數(shù)結(jié)果(，n=10)

TPS 脊髓D1/cGy左肺V5/%左肺V20/%左肺V30/%右肺V5/%右肺V20/%右肺V30/%心臟V10/%Eclipse 1 666±1 418 51.6±13.9 21.7±11.1 12.7±9.9 51.8±7.2 26.2±6.5 15.5±4.5 19.3±15.6 MMCTP 1 653±1 404 51.5±14.1 22.0±11.5 12.4±9.7 51.4±6.9 26.3±6.4 15.6±4.4 18.9±15.8 t 1.543 0.420 -1.739 1.575 1.725 -0.790 -1.492 2.142 P ＞0.05 ＞0.05 ＞0.05 ＞0.05 ＞0.05 ＞0.05 ＞0.05 ＞0.05

表4 腹部組危及器官劑量學參數(shù)結(jié)果(n=10)

表4 腹部組危及器官劑量學參數(shù)結(jié)果(n=10)

TPS 脊髓D1/cGy左腎Dmean/cGy右腎Dmean/cGy肝臟V20/%肝臟V30/%Eclipse 1 867±102 381±121 489±127 36.5±2.5 19.9±1.8 MMCTP 1 890±106 374±117 495±131 36.6±2.8 20.2±1.9 t -0.504 0.141 -0.105 -0.117 -0.282 P ＞0.05 ＞0.05 ＞0.05 ＞0.05 ＞0.05

表5 盆腔組危及器官劑量學參數(shù)結(jié)果(n=10)

表5 盆腔組危及器官劑量學參數(shù)結(jié)果(n=10)

TPS 左側(cè)股骨頭Dmean/cGy右側(cè)股骨頭Dmean/cGy直腸V40/%直腸V50/%Eclipse 1 507±832 2 058±532 41.9±20.9 28.1±17.8 MMCTP 1 501±818 2 070±569 42.4±21.6 27.7±17.7 t 0.016 -0.049 0.040 0.044 P＞0.05 ＞0.05 ＞0.05 ＞0.05

3 討論

MMCTP最新版本V9.2.0于2020年發(fā)布，該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)主流TPS的全部功能，包括導入DICOM標準文件、二維和三維可視化顯示圖像及劑量分布、進行DVH分析比較、射野設(shè)計和編輯等。該軟件是一款開源的蒙特卡羅模擬軟件，其蒙特卡羅模擬引擎為EGSnrc，可用于主流放療設(shè)備的模擬[9-11]。同時MMCTP是一個支持多接口的跨平臺TPS，可以將其他TPS的劑量分布與蒙特卡羅模擬結(jié)果進行比較和分析（Varian、Elekta等主流設(shè)備的TPS均支持）；可部署于Mac OS、Windows和Linux 3種操作系統(tǒng)，支持單機或計算機集群進行模擬，支持多任務并發(fā)計算，大幅提升了蒙特卡羅模擬的效率。本研究中MMCTP模式使用主流的八核CPU，應用并行處理20～40 min即可完成模擬（頭部時間較短，胸部和盆腔時間較長），采用更高端的CPU或計算機集群處理，模擬計算時間可縮短到幾分鐘內(nèi)。

表6 Gamma通過率結(jié)果（）單位：%

表6 Gamma通過率結(jié)果（）單位：%

組別 Eclipse計劃系統(tǒng) MMCTP 2種TPS差異 t P頭部組（n=10） 98.24±0.95 98.26±1.23 0.44±0.39 -0.135＞0.05胸部組（n=10） 95.72±1.10 95.80±1.08 0.51±0.26 -0.428＞0.05腹部組（n=10） 96.86±1.11 96.70±1.20 0.62±0.37 0.654＞0.05盆腔組（n=10） 97.78±1.27 97.42±0.91 0.54±0.34 2.111＞0.05

蒙特卡羅模擬已被證實在放療計劃的劑量計算中可獲得較準確的結(jié)果[1，12]，MMCTP作為一款蒙特卡羅模擬TPS平臺已逐步被應用于相關(guān)的研究[3]。本研究選取40例患者，將Eclipse計劃系統(tǒng)（已被主流學者認可的商用TPS之一，劑量計算結(jié)果可靠性高）導出的計劃信息導入MMCTP，通過MMCTP軟件調(diào)用EGSnrc程序進行蒙特卡羅模擬。通過比較2種TPS的靶區(qū)和危及器官的物理劑量學參數(shù)，分析二者之間的差異，進而驗證MMCTP用于劑量學研究的準確性。從研究結(jié)果來看，在典型部位的放療計劃中，所統(tǒng)計的大多數(shù)物理劑量學參數(shù)MMCTP的結(jié)果與Eclipse計劃系統(tǒng)均無明顯差異，證實MMCTP可用于放療計劃的劑量學研究。

本研究在4組典型部位（頭部、胸部、腹部和盆腔）病例的劑量學研究中，MMCTP的結(jié)果與Eclipse計劃系統(tǒng)的劑量計算結(jié)果相比，差異平均值（±1.6%以內(nèi)）均低于Bhagroo等[13]的研究結(jié)果（均大于2%）。究其原因，Bhagroo等[13]研究在DOSXYZnrc模塊中建立體素仿體時僅使用了4種材料（空氣、肺、軟組織和骨）的密度值，與真實病例的密度曲線相差較大。本研究則調(diào)用了Eclipse計劃系統(tǒng)CT值-電子密度校準曲線（該曲線由CIRS 062電子密度模體實測生成，包含17個密度插件）的密度值，與真實病例的密度曲線更接近，因此劑量計算的結(jié)果更準確。此外，本研究在蒙特卡羅模擬時使用了更多的粒子數(shù)（109vs 107），由蒙特卡羅模擬本身引入的不確定因素更小，劑量計算的可靠性更高，同時印證了Bhagroo等[13]的推斷（109模擬粒子數(shù)會進一步降低蒙特卡羅模擬與Eclipse計劃系統(tǒng)結(jié)果的差異）。另外，MMCTP允許調(diào)整建立體素仿體時使用材料的類型和數(shù)量，可根據(jù)實測CT值調(diào)整密度曲線，理論上使用的材料類型越多，密度曲線被劃分得越細，模擬得到的劑量計算結(jié)果越準確。因此，建議在建立模擬用體素仿體時盡可能使用人體仿生組織插件多的模體。

圖1 MMCTP與Eclipse計劃系統(tǒng)劑量計算結(jié)果的差異值

值得一提的是，本研究2種TPS的結(jié)果中，胸部組的靶區(qū)劑量學參數(shù)D98、Dmean和HI差異有統(tǒng)計學意義，但差異平均值均在較小的范圍內(nèi)（分別為1.50%、1.17%和1.30%）。究其原因，該組病例部分計劃靶區(qū)中包含了一部分肺組織，而Eclipse計劃系統(tǒng)的AAA在靶區(qū)包含肺組織時計算的劑量會比真實值偏低[14-15]，使得Eclipse計劃系統(tǒng)劑量計算的低劑量區(qū)（D98）結(jié)果整體略低于MMCTP的結(jié)果，進而產(chǎn)生統(tǒng)計學差異。Dmean和HI均與D98高度相關(guān)，因此也產(chǎn)生了統(tǒng)計學差異。事實上，與MMCTP蒙特卡羅模擬的結(jié)果相比，Eclipse計劃系統(tǒng)更精確（Eclipse計劃系統(tǒng)算法本身相比其他未考慮電子輸運歷程的算法準確性更高），而理論上在模擬粒子數(shù)足夠的情況下，MMCTP的劑量計算結(jié)果可信度更高[12-13]。蒙特卡羅模擬粒子數(shù)越多，劑量計算的精度就越高，但是同時會影響模擬效率，因此需要在速度和精度之間進行權(quán)衡。就目前的主流硬件而言，比較推薦109量級的粒子數(shù)。本研究的不足之處是，未能進一步比較Eclipse計劃系統(tǒng)的Acuros XB算法及未與其他廠家的商用TPS進行比較[16-17]，下一步將在這2個方面繼續(xù)展開研究。

綜上所述，MMCTP的劑量計算結(jié)果準確、可靠，可用于放療劑量學的研究。尤其在胸部病例中，MMCTP比Eclipse計劃系統(tǒng)對肺組織相關(guān)的劑量計算結(jié)果更接近真實情況。隨著計算機軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展和基于云計算的計算機集群的部署，類似MMCTP的開源TPS將會成為放療和科研的有力工具。