Monaco 計(jì)劃系統(tǒng)一野多弧的通量拆分方式研究

楊金磊 卜明偉 李舒暢 張為天 劉明喆 候凱然 劉博 宇

吉林省腫瘤醫(yī)院放射治療科，長(zhǎng)春 130012

通信作者：劉博宇，Email：liuby1966@163.com

Monaco 是瑞典醫(yī)科達(dá)公司研發(fā)的一款用于外照射的治療計(jì)劃系統(tǒng)（treatment planning system，TPS）。有別于其他主流TPS，Monaco 采用簡(jiǎn)化的蒙特卡羅算法進(jìn)行劑量計(jì)算[1-2]，與其他TPS 相比，Monaco 的精確度較高[3-4]。在5.0 版本的Monaco 推出后，優(yōu)化算法有了顯著改善，配合生物優(yōu)化函數(shù)的使用，使得Monaco 成為了一套出色的TPS[5-7]。

采用容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)治療（volume-modulated arc therapy，VMAT）計(jì)劃進(jìn)行逆向優(yōu)化時(shí)，通量轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行子野序列的算法是TPS 較為核心的技術(shù)。Monaco 采用掃地序列式的子野進(jìn)行劑量投遞，即在每個(gè)等間距的特定機(jī)架角度內(nèi)，光柵從照射范圍的一側(cè)移動(dòng)至另一側(cè)。Monaco 的優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)控制點(diǎn)處光柵形成的子野在x軸方向上的平均寬度較大，窄條狀射野相對(duì)少；各控制點(diǎn)間的光柵變化較規(guī)律。這些優(yōu)點(diǎn)有助于改善劑量驗(yàn)證結(jié)果，但是，同時(shí)也會(huì)限制整個(gè)計(jì)劃的劑量調(diào)制能力。為此，Monaco 采用了有別于其他TPS 的1 野多弧設(shè)計(jì)來提高劑量調(diào)制能力，1 個(gè)射野最多可以添加4 個(gè)弧。當(dāng)計(jì)劃使用1 野2 弧進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在優(yōu)化進(jìn)程的第2 步，TPS 會(huì)把第1 步優(yōu)化得到的通量沿著x軸方向拆分為左右2 個(gè)部分，第1 個(gè)弧照射左半邊，第2 個(gè)弧照射右半邊。這樣，在增加劑量調(diào)制度的同時(shí)，又因每個(gè)控制點(diǎn)處光柵最大運(yùn)動(dòng)范圍變小，導(dǎo)致每個(gè)弧的照射時(shí)間減少。當(dāng)橫斷面上靶區(qū)可以被拆分為相互孤立的兩部分時(shí)，1 野2 弧可以得到很好地應(yīng)用，如對(duì)于鼻咽癌患者，一般在計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)均采用1 野2 弧，與1 野1 弧或2 野1 弧相比，在照射頸部靶區(qū)時(shí)其更容易保護(hù)兩部分靶區(qū)之間的器官和組織。目前，1 野2 弧的通量拆分方式是非常明確的，其是沿著x軸將通量分為2 份，但對(duì)于1 野3 弧和1 野4 弧的通量拆分方式，在廠家能夠提供的技術(shù)資料及以往的文獻(xiàn)報(bào)道中均未見。因此，我們通過研究探求Monaco 中1 野3 孤和1 野4 弧的通量拆分方式，為物理師使用Monaco進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì)及多弧選取時(shí)提供理論參考。

1 資料與方法

1.1 主要材料與設(shè)備

模擬患者使用瑞典ScandiDos 公司的Delta4 模體的標(biāo)準(zhǔn)CT 圖像；所有TPS 均使用瑞典醫(yī)科達(dá)公司的Monaco 計(jì)劃系統(tǒng)（version 5.11.03）。X 射線照射使用瑞典醫(yī)科達(dá)公司的infinity 6 MV 型加速器；劑量測(cè)量使用德國(guó)IBA 公司的Matrixx 劑量驗(yàn)證系統(tǒng)。

1.2 模擬計(jì)劃

選用密度均勻的圓柱形Delta4 模體，在模體的標(biāo)準(zhǔn)CT 圖像上分別勾畫2、3、4 個(gè)橫向整齊排列的圓柱形結(jié)構(gòu)，分別代表2、3、4 個(gè)相互孤立的靶體積，共3 組CT 圖像和結(jié)構(gòu)，用其模擬3 例需要進(jìn)行VMAT 且同時(shí)照射2、3、4 個(gè)孤立靶區(qū)的患者，即模擬患者（圖1）。針對(duì)每例模擬患者分別設(shè)計(jì)3 個(gè)VMAT 計(jì)劃，計(jì)劃均采用一個(gè)360°射野，每個(gè)計(jì)劃分別采用1 野2、3、4 弧進(jìn)行設(shè)計(jì)。VMAT 計(jì)劃設(shè)計(jì)完成后，回看各個(gè)控制點(diǎn)處射野的主要照射范圍，觀察每個(gè)射野形狀與靶區(qū)的位置關(guān)系，統(tǒng)計(jì)并分析其規(guī)律性。

圖1 用于1 野多弧容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)治療計(jì)劃設(shè)計(jì)的Delta4 模體的標(biāo)準(zhǔn)CT 圖 A、B、C 分別為勾畫了2、3、4 個(gè)孤立靶區(qū)的模體，黑色圓圈代表需要照射的靶區(qū)。CT 為計(jì)算機(jī)體層攝影術(shù)Figure 1 Delta4 phantom standard CT images for single-beam multi-arc volume-modulated arc therapy planning

1.3 患者投照

采用完全隨機(jī)法選取吉林省腫瘤醫(yī)院放射治療科進(jìn)行過放射治療的3 例患者，包括全腦預(yù)防性照射患者（女性，56 歲）、鼻咽癌患者（男性，48 歲）和宮頸癌患者（女性，51 歲），對(duì)每例患者分別重新設(shè)計(jì)3 個(gè)VMAT 計(jì)劃，均采用一個(gè)360°射野，每個(gè)計(jì)劃分別選用1 野2、3、4 弧進(jìn)行治療。設(shè)計(jì)完成后，將計(jì)劃?rùn)C(jī)架角度均歸0°，在加速器上執(zhí)行計(jì)劃，使用Matrixx 劑量驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量每個(gè)計(jì)劃的總劑量和每個(gè)弧的劑量，通過每個(gè)弧的實(shí)測(cè)劑量分布與計(jì)劃總劑量分布的對(duì)比，比較二者的位置關(guān)系，判斷計(jì)劃的通量拆分方式。

2 結(jié)果

2.1 模擬計(jì)劃

擁有2、3、4 個(gè)孤立靶區(qū)的模擬患者分別使用1 野2、3、4 弧進(jìn)行優(yōu)化后，得到各弧在機(jī)架角度最接近0°的控制點(diǎn)處的射野形狀（圖2）。使用1 野多弧照射多個(gè)孤立靶區(qū)時(shí)，各弧按照先后順序，在射野方向觀（beam's eye view，BEV）上由左至右照射了各個(gè)靶區(qū)。特別是在采用1 野2、3、4 弧分別同時(shí)照射2、3、4 個(gè)孤立靶區(qū)時(shí)，各弧按照先后順序，從左至右分別照射了不同的靶區(qū)，如圖2A 中的a2、b2，圖2B 中的a3、b3 、c3，圖2C 中的a4、b4、c4、d4。

圖2 3 例模擬患者容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)治療計(jì)劃中機(jī)架最接近0°時(shí)射野方向觀上的射野形狀 A、B、C 為1 野2、3、4 弧計(jì)劃分別照射2、3、4 個(gè)靶區(qū)，其中橫向表示3 例不同的模擬患者，縱向?yàn)? 個(gè)計(jì)劃中的各個(gè)弧Figure 2 The shape of the radiation field in the beam's eye view direction when the gantry angle of each arc was closest to 0° in the volumemodulated arc therapy of three simulated patients

采用1 野多弧同時(shí)照射2、3、4 個(gè)孤立靶區(qū)時(shí)，各弧主要照射的靶區(qū)位置情況見表1。1 野3 弧和1 野4 弧照射多個(gè)靶區(qū)時(shí)，各弧是按照先后順序，在BEV 上由左至右照射了各個(gè)靶區(qū)。由此可知，Monaco 計(jì)劃系統(tǒng)采用1 野多弧設(shè)置時(shí)，通量的拆分方式與1 野2 弧類似，都是沿著x軸方向進(jìn)行分割，計(jì)劃設(shè)置了幾個(gè)弧，通量就會(huì)沿著x軸拆分成幾份；且各弧是按照先后順序，在BEV 上由左至右進(jìn)行照射。

表1 模擬患者容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)治療中采用1 野2、3、4 弧照射2、3、4 個(gè)孤立靶區(qū)時(shí)各弧主要照射的靶區(qū)位置Table 1 The main irradiating positions of each arc when 2, 3 and 4 carcs of 1 beam were used to irradiate 2, 3 and 4 isolated targets in the simulated patients by volume-modulated arc therapy

2.2 患者投照

全腦預(yù)防性照射、鼻咽癌和宮頸癌患者使用Matrixx 劑量驗(yàn)證系統(tǒng)進(jìn)行劑量測(cè)量獲得的計(jì)劃劑量分布及計(jì)劃中各弧的劑量分布見圖3。在9 個(gè)計(jì)劃中，通過每個(gè)計(jì)劃的劑量分布與其每個(gè)弧的劑量分布間的位置比較，可以清晰地可見Monaco 計(jì)劃系統(tǒng)采用1 野多弧設(shè)置時(shí)的通量拆分方式，即通量是沿著x軸方向進(jìn)行分割的，計(jì)劃設(shè)置了幾個(gè)弧，通量就會(huì)沿著x軸拆分成幾份，且每個(gè)弧是按照先后順序，在BEV 上由左至右進(jìn)行照射。

圖3 3 例患者容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)治療設(shè)計(jì)各計(jì)劃的劑量分布及其各弧的劑量分布圖 3 例患者均分別采用1 野2、3、4 弧進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì)，所有計(jì)劃射野角度歸0°后在加速器上進(jìn)行照射，并使用Matrixx 二維探測(cè)器對(duì)每個(gè)弧的劑量及總劑量進(jìn)行測(cè)量Figure 3 Dose distribution of each volume-modulated arc therapy planing and each arc of each plan in 3 patients

3 討論

通量分布轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的子野序列是TPS 的核心算法之一，其對(duì)計(jì)劃執(zhí)行的效率和劑量驗(yàn)證結(jié)果均有影響。掌握不同設(shè)置對(duì)子野序列細(xì)節(jié)的影響，可以在計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)更容易獲得最優(yōu)的劑量結(jié)果。

在本研究中，我們通過2 個(gè)研究分別證實(shí)了Monaco 計(jì)劃系統(tǒng)采用1 野多弧設(shè)置時(shí)，TPS 是根據(jù)設(shè)定的弧的數(shù)量將通量沿著x軸方向進(jìn)行拆分的，且弧的數(shù)量與通量被拆分的份數(shù)相等。模擬計(jì)劃實(shí)驗(yàn)是在理想模型中進(jìn)行的，因?yàn)榘袇^(qū)形狀規(guī)則，這樣通過回看各個(gè)控制點(diǎn)處的子野形狀，是比較容易發(fā)現(xiàn)規(guī)律的。需要指出的是，在一些入射角度上，如果在其BEV 上查看各孤立靶區(qū)時(shí)，各靶區(qū)位置相互重疊，則各弧照射位置也是相互重疊的，這時(shí)，通過人為判定射野照射范圍與各個(gè)靶區(qū)的位置關(guān)系是較難的，這也是Monaco 計(jì)劃系統(tǒng)采用多弧設(shè)置時(shí)，并不清楚其射野拆分方式的主要原因之一。而在BEV 上，當(dāng)各孤立靶區(qū)的邊界可以清晰地分開時(shí)，各弧照射范圍與各個(gè)靶區(qū)位置之間的關(guān)系是較容易判斷的。但是在實(shí)際的臨床工作中，絕大部分患者靶區(qū)的形態(tài)都是不規(guī)則的，這很難甚至無法再通過翻看子野形狀或子野照射范圍來尋找規(guī)律。因此，本研究選擇通過實(shí)際劑量測(cè)量尋找通量拆分的規(guī)律?；颊咄墩昭芯恐詫C(jī)架角度歸0°進(jìn)行照射，是因?yàn)樵贛onaco 計(jì)劃系統(tǒng)中，所謂的通量拆分都是在BEV 上進(jìn)行的，當(dāng)入射角度為180°時(shí)，BEV 上觀察的左側(cè)，即為患者左側(cè)，而當(dāng)入射角度為0°時(shí)，BEV 上觀察的左側(cè)，實(shí)則為患者右側(cè)。故只有將所有角度都?xì)w0°，才能保證BEV 上觀察到的方向與投照時(shí)劑量探測(cè)裝置的方向保持一致。這樣才可以通過劑量探測(cè)裝置接受照射的位置來判斷計(jì)劃通量的拆分方式。我們通過患者投照研究進(jìn)一步證實(shí)了多弧設(shè)置與通量沿x軸方向進(jìn)行相應(yīng)拆分的機(jī)制。

針對(duì)Monaco 計(jì)劃系統(tǒng)，以往的研究者報(bào)道了一些相關(guān)設(shè)置對(duì)治療計(jì)劃影響的研究。張勇和李銳杰[8]研究了Monaco 中優(yōu)化函數(shù)對(duì)計(jì)劃質(zhì)量的影響。裴運(yùn)通等[9]和 Palanisamy 等[10]分別研究了計(jì)算網(wǎng)格大小和統(tǒng)計(jì)不確定性對(duì)Monaco 劑量計(jì)算準(zhǔn)確性的影響。洪楷彬等[11]和Wang 等[12]分別研究了控制點(diǎn)數(shù)量和最小子野寬度設(shè)置對(duì)Monaco 計(jì)劃優(yōu)化結(jié)果的影響。此外，噪聲參數(shù)對(duì)計(jì)算效率和劑量計(jì)算精度的影響[13]和子野形狀優(yōu)化結(jié)合可調(diào)劑量率的適形弧技術(shù)在Monaco 中的應(yīng)用情況[14]，也都有相應(yīng)的研究結(jié)果。射野和弧數(shù)量對(duì)計(jì)劃結(jié)果的影響也有諸多研究報(bào)道，比如， Nithya 等[15]研究了VMAT 射野角度以及弧數(shù)量的增加對(duì)計(jì)劃結(jié)果的影響；另一些研究者探討了不同病種應(yīng)用VMAT技術(shù)時(shí)，弧數(shù)量的不同對(duì)治療計(jì)劃結(jié)果的影響[16-18]；Kalet 等[19]還研究了射野數(shù)量不同對(duì)計(jì)劃的影響。但這些研究都是局限在弧數(shù)量≤2 的范圍內(nèi)進(jìn)行的，而且針對(duì)弧數(shù)量的不同而產(chǎn)生的劑量學(xué)差異，并沒有從本質(zhì)上闡述其具體原因。特別是使用3 弧和4 弧時(shí)的劑量學(xué)結(jié)果在以往的文獻(xiàn)中均未見報(bào)道。臨床上很少使用3 弧或更多弧進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì)，究其原因，主要是考慮到治療效率，以及絕大多數(shù)常規(guī)患者并不需要太高的劑量調(diào)制度。但了解了1 野多弧的通量拆分原理，這對(duì)物理師在進(jìn)行VMAT 計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于弧數(shù)量的選擇提供了理論指導(dǎo)，對(duì)臨床工作有實(shí)際意義。

綜上所述，本研究通過計(jì)劃模擬和劑量測(cè)量2 種方法分別證實(shí)了Monaco 計(jì)劃系統(tǒng)采用1 野多弧設(shè)置時(shí)，計(jì)劃系統(tǒng)是根據(jù)弧的數(shù)量將通量沿著x軸方向拆分成相應(yīng)份數(shù)。了解Monaco 計(jì)劃系統(tǒng)的通量拆分方式，可以更好地指導(dǎo)其在臨床工作中的實(shí)際應(yīng)用。

利益沖突所有作者聲明無利益沖突

作者貢獻(xiàn)聲明楊金磊負(fù)責(zé)研究方法的設(shè)計(jì)、論文撰寫；卜明偉、李舒暢負(fù)責(zé)計(jì)劃模擬實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施、論文的修改、部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理；張為天、劉明喆、候凱然負(fù)責(zé)患者投照的具體實(shí)施、論文的修改、部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理；劉博宇負(fù)責(zé)研究主題的提出、研究方向的把握與指導(dǎo)、論文的審閱等