1、不同算法模型在宫颈癌根治术后固定野调强放射治疗中剂量学分析 葛双 郗会珍 王寻 叶书成 马俊 陈长建 朱培军 杨君东 程淑媛 济宁医学院附属医院肿瘤放疗科 济宁医学院附属医院医学影像中心 摘 要： 目的:比较宫颈鳞癌根治术后患者在固定野调强放射治疗 (FF-IMRT) 计划设计时采用各向异性分析算法 (AAA) 和笔形束卷积 (PBC) 算法的剂量学差异。方法:随机选取 10 例术后接受放射治疗的宫颈鳞癌患者的定位 CT 影像资料, 分别采用 Varian Eclipse 放射治疗计划系统 (TPS) 提供的 AAA 和 PBC 两种剂量算法模型, 对七野均分的同一调强计划 (IMRT) 进行
2、剂量计算, 并用电子射野影像装置 (EPID) 进行剂量验证, 比较两种算法模型的剂量-体积直方图 (DVH) 图上靶区、小肠、结肠、直肠、膀胱、股骨头等危及器官 (OARs) 的吸收剂量与体积参数和机器跳数 (MU) 、验证结果 通过率等参数的差异。结果:两种算法模型得到靶区的平均剂量 (D mean) 与最大剂量 (D max) PBC 算法略高于 AAA, 适形度指数 (CI) 和靶区剂量均匀性指数 (HI) 的 AAA 结果均好于 PBC 算法, MU 的 AAA 略高于 PBC 算法。小肠的 V15、D mean、50%的覆盖体积受照的最小剂量 (D50%) , 结肠的 Dmean、
3、D 50%, 膀胱的 V30、V 40、V 45、D mean、D 50%, 左、右股骨头的 Dmean的 AAA 的结果均高于 PBC 算法;结肠的 Dmax, 直肠的 Dmean、D max、D 50%和V45的 PBC 算法略高于 AAA。平均差异除直肠的 V45和结肠的 V40 (21.38%, 3.59%) 较大外, 其余参数的偏差在 0.07%1.70%之间, 相同角度射野两种算法的 通过率结果均98%, 差异无统计学意义 (t=-0.886, t=0.424, t=0.261, t=-1.426, t=0.284, t=-0.552, t=0;P0.05) 。结论:在宫颈癌根治术
4、后, 七野调强放射治疗计划中两种算法获得的靶区和 OARs 的剂量学参数存在一定的差异, 但均可满足临床要求, 且剂量验证通过率差异无统计学意义。两种算法均可应用于临床, 但在直肠保护、降低放射性直肠损伤发生率方面, AAA 要好于 PBC 算法。关键词： 宫颈癌; 各向异性分析算法; 笔形束卷积算法; 调强放射治疗; 剂量学; 医用直线加速器; 作者简介：葛双, 男, (1989-) , 硕士, 物理师。济宁医学院附属医院肿瘤放疗科, 研究方向:肿瘤放射治疗物理学。作者简介：叶书成 收稿日期：2017-07-05Dosimetric analysis of different algorit
5、hms model in fixed field IMRT after radical operation of cervical squamous carcinomaGE Shuang CHI Hui-zhen WANG Xun Department of Tumor Radiotherapy, Affiliated Hospital of Jining Medical University; Abstract： Objective:To compare the dosimetric difference of patients with cervical squamous carcinom
6、a in application of fixed-fields IMRT (FF-IMRT) between anisotropic analytical algorithm (AAA) and pencil beam convolution (PBC) algorithm.Methods:The location CT images of 10 patients with cervical squamous carcinoma who received radiotherapy post-operation were randomly selected in the research.Ea
7、ch IMRT that was averaged by seven-fields was calculated by AAA and PBC, respectively, that were provided by varian eclipse TPS.And the electronic portal imaging device (EPID) was applied to verify the dosage.The adsorbed dose, volume parameter, MU, the passing rate ofon series of organ at risks (OA
8、Rs) , that included of target region, small intestine, colon, rectum, bladder and femoral head, on the dosevolume histogram (DVH) of the two algorithm model were compared.Results:Dmean and Dmax of the target region of PBC algorithms were slightly higher than those of AAA algorithms, while CI and HI
9、of AAA algorithms were better than that of PBC algorithm, and the MU of AAA was slightly higher than that of PBC algorithm.For V15, Dmean, D50%of small intestine, Dmean, D50%of colon, V30, V40, V45, Dmean, D50%of bladder, Dmean of double femoral head, all of results of AAA are higher than that of PB
10、C algorithm.Dmax of colon, Dmean, Dmax, D50%and V45 of rectal of PBC algorithms were slightly higher than that of AAA.The average differences of most of parameters were between 0.07%and 1.70%except V45 (21.38%) of rectum and V40 (3.59%) of colon.The pass rates ofof the two algorithms at same field w
11、ere higher than98%, and the difference between them were not statistically significant (t=-0.886, t=0.424, t=0.261, t=-1.426, t=0.284, t=-0.552, t=0, P0.05) .Conclusion:There are some differences in the dosimetric parameters of the target region and OARs which are obtained from two algorithms in sev
12、en fields FF-IMRT of post radical operation of cervical squamous carcinoma, but all of them can meet the clinical requirements and the difference of the pass rate of dose verification is not statistically significant.Therefore, both of algorithms can be used in clinical practice.However, in these as
13、pects of protecting rectum and reducing the incidence of radioactive rectal injury, AAA is better than PBC algorithm.Keyword： Cervical squamous carcinoma; Anisotropic analytical algorithm; Pencil beam convolution algorithm; Intensity modulated radiotherapy; Dosimetry; Medical linear accelerator; Rec
14、eived： 2017-07-05宫颈癌是近年来发展中国家妇女中最常见的妇科恶性肿瘤, 其中 90%为鳞状细胞癌, 严重影响着患者的身心健康和生活质量1。目前针对早期宫颈癌 (IB-IIA) 的治疗主要采用根治性子宫切除术及盆腔淋巴结清扫术的方法, 为了降低复发的高危因素影响, 行全盆腔辅助放射治疗, 以提高患者总的生存率2-4。近年来, 伴随放射治疗设备的不断升级, 调强放射治疗技术被广泛应用于宫颈癌放射治疗中, 与传统放射治疗相比, 其能有效实施靶区处方剂量, 同时降低周围重要器官的受照剂量及发生并发症的可能性, 但对靶区和危及器官 (organ at risk, OARs) 剂量计算的准
15、确性有更高的要求5。计划系统内剂量计算的准确性与临床肿瘤放射治疗效果和毒性反应有着密切的关系, 直接影响肿瘤控制概率 (tumor control probability, TCP) 以及正常组织并发症概率 (normal tissue complications probability, NTCP) 。因此, 针对相同优化条件的放射治疗计划, 在剂量计算时, 选取不同的剂量算法模型, 可能导致靶区及重要器官剂量分布计算结果的差异。国际辐射单位与测量委员会 (International Commission on Radiation Units and Measurements, ICRU)
16、24 报告6指出, 5%的剂量误差就会导致 TCP 的 10%20%的变化, 而 NTCP 会有更大的变化7。本研究探讨了各向异性分析算法 (anisotropic analytical algorithm, AAA) 和笔形束卷积 (pencil beam convolution, PBC) 算法在 10 例宫颈鳞癌患者根治术后七野 FF-IMRT 计划中靶区和 OARs 的剂量学差异, 并采用电子射野影像装置 (EPID) 剂量学验证系统对两种算法的 通过率进行测量, 为临床实践提供剂量学参考和指导。1 材料与方法1.1 病例材料选取 2016 年 4 月至 2017 年 1 月在济宁医学
17、院附属医院肿瘤放疗科接受放射治疗的 10 例宫颈鳞癌根治术患者的 CT 影像资料, 患者年龄 3476 岁, 平均年龄50.1 岁。按国际妇产科协会 (FIGO) 分期, 10 例患者B1 期 3 例, B2 期 3例, A 期 4 例。手术方式均为广泛子宫、双附件切除和盆腔淋巴结清扫术。术后病理为中、低分化鳞状细胞癌, 存在高危因素, 需行全盆腔放射治疗。1.2 仪器设备医用电子直线加速器 (美国瓦里安 Ix) 、大孔径 CT 模拟定位机 (荷兰飞利浦Brilliance) 、电子射野影像装置 (EPID) 和 Varian Eclipse 计划系统。1.3 定位 CT 图像采集所有患者均采
18、用仰卧位, 腹盆腔体模固定, 双手抱肘 (右手在上, 左手在下) 置于额头, 通过三维定位激光来确保患者的正中位、水平位与 CT 定位床板平行。嘱咐患者在 CT 模拟机定位前排尽小便, 口服 8001000 ml 温开水, 开始憋尿以保证中等程度的膀胱充盈, 1 h 后开始扫描采集 CT 图像。数据采集应用Philips Brilliance 大孔径 CT 模拟定位机, CT 扫描同时静脉注射碘海醇 90 ml 进行影像对比增强, 注射速率 2.53.0 ml/s。CT 扫描的层厚和间隔均为 5 mm, 范围自腰 2 椎体上缘至坐骨结节下 5 cm, 获得的 CT 图像传输至 Varian E
19、clipse 放射治疗计划系统 (treatment planning system, TPS) 。1.4 靶体积及 OARs 的勾画和处方剂量将采集的 CT 图像在 TPS 计划系统进行三维重建处理后, 根据美国放射治疗肿瘤学组 (RTOG) 宫颈癌术后靶区勾画指南和 ICRU 83 号报告8勾画靶区、膀胱、直肠、小肠等 OARs。临床肿瘤靶体积 (clinical target volume, CTV) 包括阴道上段 1/2 及残端、阴道旁软组织和盆腔淋巴引流区域 (髂内外、骶前、闭孔淋巴结、髂总淋巴结) 。将 CTV 边界在三维上均匀外扩 510 mm 得到计划靶体积 (planning
20、 target volume, PTV) , 同时需要勾画的 OARs 包括膀胱、小肠、结肠、直肠及双侧股骨头。处方剂量满足 95%PTV 接受 4500 c Gy, 分 25次, 每次 180 c Gy。1.5 计划设计在 TPS 计划系统中对 10 例患者均采取固定射野逆向调强 (FF-IMRT) 方式制定治疗计划, 照射方式为七野等中心照射, 入射角分别为 0、51、102、153、204、255和 306。(1) 优化限制条件的设置:处方剂量均设定为 4500 c Gy, 要求 95%PTV 接受4500 c Gy, 5%PTV 接受 4700 c Gy。(2) 计划优先 (Prior
21、ity) 顺序:为 CTVPTV直肠膀胱小肠和结肠股骨头 (膀胱 D50%15 Gy、30 Gy、40 Gy 和 45 Gy 的体积占危及器官总体积的百分比 (V15、V 30、V 40和 V45) , 50%的覆盖体积受照的最小剂量 (D 50%) , 左、右股骨头5%的覆盖体积受照的最小剂量 (D 5%) , 其 HI 计算为公式 1:而 CI 计算为公式 2:式中 D2%为 2%的 PTV 覆盖体积受照的最小剂量, D 98%为 98%的 PTV 覆盖体积受照的最小剂量, D 50%为 50%的 PTV 覆盖体积受照的最小剂量, VTV95%为 95%等剂量线所包绕的 PTV 的体积,
22、VTV 为 PTV 的总体积, V 95%为 95%等剂量线所包绕的总体积。HI 值越小, 剂量跌落区越陡, 靶区内剂量变化梯度越小, 表示靶区剂量分布均匀性越好;CI 值范围是 01, 值越大, 表示适形度越好。正常组织的分析指标是受到特定剂量水平照射的体积百分比, 越接近于 1, 表示靶区剂量分布的适形度越好。1.8 统计学方法数据结果采用 SPSS 17.0 软件进行统计学分析, 对得到的两种剂量算法模型的各剂量学参数结果采用配对 t 检验分析, 以 P0.05) , PTV 的 95%覆盖体积受照的 D95%差异无统计学意义 (t=0.623, P0.05) , AAA 的 CI 和
23、HI 均好于 PBC 算法, 差异有统计学意义 (t=2.552, t=-14.036;P0.05) ;结肠的 Dmean和 D50%的 AAA 结果略高于 PBC 算法, 平均偏差为 0.6%和 1.2%, 差异有统计学意义 (t=2.61, t=2.413;P0.05) ;直肠的 Dmean、D max、D 50%和 V45的 PBC 算法结果均高于 AAA, 其中除 V45平均偏差较大为 21.38%外, 其余分别为 1.05%、0.88%和 0.97%, 差异有统计学意义 (t=-4.77, t=-3.201, t=-3.383, t=-4.427;P0.05) ;左、右股骨头的 Dm
24、ean的 AAA 结果略高于 PBC 算法, 差异有统计学意义 (t=8.343, t=6.591;P0.05) , 见表 2。表 1 AAA 与 PBC 算法靶区剂量学参数的差异 (s) 下载原表 表 2 两种算法 OARs 剂量学参数的差异 (s) 下载原表 表 3 不同角度 7 射野两种算法通过率的差异 下载原表 2.3 EPID 剂量验证通过率的差异采取相同角度单一射野验证结果进行比较, 7 个射野两种算法各自的 通过率结果均98%, 平均差异非常小, 两种算法总的通过率为 99.16%和 99.17%, 差异无统计学意义 (t=-0.886, t=0.424, t=0.261, t=
25、-1.426, t=0.284, t=-0.552, t=0;P0.05) , 见表 3。3 讨论放射治疗计划系统中不同的剂量算法其计算原理不同, PBC 和 AAA 均是基于模型的算法, 模型建立的准确性将直接影响到剂量计算的精度9。PBC 算法是一维能量非局部沉积算法, 是基于笔形束核的卷积模型, 采用了快速傅立叶变换, 深度方向和侧向电子密度修正在卷积过程中不考虑, 因此对光子穿过不同电子密度组织时的二次建成效应体现较弱, 但基本可以满足剂量计算准确性的要求10-11;AAA 模型的建立考虑了原射线、电子线污染以及散射线的影响, 是三维的 PBC 叠加算法12-15。对于侧向不均匀组织进
26、行了等效电子密度的修正, 在不均匀介质中的剂量计算更准确, 也更接近于测量值16。对于 AAA 与 PBC 算法的剂量学对比的研究国内外均有相关文献报道, 主要集中于肺癌、鼻咽癌等部位的剂量学差异。Fogliata 等17和张富利等18提出肺癌 PBC 算法和 AAA 的 HI 及 CI 无差异, 但是肺的指标差异显著, AAA 计算结果受呼吸影响的幅度小于 PBC 算法, 因此采用 AAA 更好。张先稳等19报道, 鼻咽癌 AAA 与 PBC 算法相比, 靶区的 HI 及 CI 的 Dmean更有优势, 脑干、脊髓、晶体以及视神经的最大剂量值均更低。结果均显示出在低密度区域或空腔部位AAA
27、精度好于 PBC 算法, 但针对两种算法模型在宫颈癌术后患者治疗计划方面的剂量学差异研究不多。宫颈癌术后患者解剖结构复杂, 靶区体积大, 周围的膀胱、小肠、直肠等 OARs紧密包绕靶区, 极易受到过量照射, 因此有必要开展 AAA 与 PBC 算法针对宫颈癌术后患者剂量学差异的研究, 探讨较优的剂量算法。本研究结果表明, 两种算法模型得到的靶区的 Dmean、D max, 小肠的V15、D mean、D 50%, 结肠的 Dmean、D 50%, 膀胱的 V30、V 40、V 45、D mean、D 50%, 左、右股骨头的 Dmean, 结肠的 Dmax, 直肠的 Dmean、D max、D
28、 50%、V 45等剂量学参数 PBC 算法与 AAA 结果相差不大, 平均偏差均98%, 相差不明显, 无统计学意义。综上所述, 在宫颈癌根治术后调强放射治疗计划中两种算法获得的靶区和 OARs的剂量学参数差异不大, 并且剂量验证通过率差异无统计学意义。两种算法均可以应用于临床, 但在降低放射性直肠损伤毒性, 保护直肠方面, AAA 要好于PBC 算法。参考文献1高强, 邱杰, 全红, 等.不同铅门宽度和螺距对宫颈癌放射治疗计划设计的影响研究J.中国医学装备, 2015, 12 (12) :47-51. 2Tsai CS, Lai CH, Wang CC, et al.The prognos
29、tic factors forpatients with early cervical cancer treated by radical hysterectomyand postoperative radiotherapyJ.Gynecol Oncol, 1999, 75 (3) :328-333. 3Papp Z, CsapZ, Mayer A, et al.Wertheimoperation:5-yearsurvival of 501 consecutive patients with cervical cancerJ.Orv Hetil, 2006, 147 (12) :537-545
30、. 4夏怡, 李云海, 赵森, 等.宫颈癌术后适形调强放疗与三维适形放疗同步化疗的对比研究J.中国癌症杂志, 2012, 22 (2) :142. 5吴建亭, 狄慧, 施春明, 等.两种算法在宫颈癌术后调强放疗中的剂量学比较研究J.肿瘤预防与治疗, 2017, 30 (1) :39-42. 6ICRU.Determination of absorbed dose in a patient irradiated by beams of X or Gamma rays in radiotherapy procedures (ICRU report24) EB/OL.http:/www.icru.o
31、rg, 1976. 7Bufacchi A, Nardiello B, Capparella R, et al.Clinical implications in the use of the PBCalgorithm versus the AAA by comparison of different NTCP models/parametersJ.Radiat Oncol, 2013, 8 (1) :164. 8ICRU.Prescribing, recording, and reporting photonbeam intensity-modulated radiation therapy
32、(IMRT) (ICRU83) J.J ICRU, 2010, 10 (1) :1-106. 9李小波.组织不均匀条件对调强计划系统计算模型精度影响的研究D.北京:清华大学, 2012. 10Panetteri V, Barsoum P, Westermark M, et al.AAA and PBC calculation accuracy in the surface build-up region in tangentialbeam treatments.Phantom and breast case study with the Monte Carlo code PENELOPEJ.R
33、adiother Oncol, 2009, 19 (3) :1221-1228. 11Carlaprile PF, Venencia CD, Besa P, et al.Comparisonbetween measured and calculated dynamic wedge dose distributionsusing the anisotropic analytic algorithm and pencil-beam convolutionJ.J Appl Clin Med Phys, 2006, 8 (1) :47-54. 12谭丽娜, 石梅, 柴广金, 等.食管癌调强放疗计划中
34、AAA 算法与 PBC 算法的对比研究J.中国医学物理学杂志, 2012, 29 (1) :3092-3095. 13李金伟, 肖海, 王蓉, 等.鼻咽癌调强放疗中解剖位置变化对剂量分布的影响J.中国当代医药, 2016, 23 (20) :66-68. 14Carlaprile P, Venencia CD, Besa P.Comparison between measured and calculated dynamic wedgedose distributions using the anisotropic analytic algorithm and pencil-beam conv
35、olutionJ.J Appl Clin Med Phys, 2007, 8 (1) :47-54. 15刘晓静, 张西志, 李军, 等.胸中段食管癌旋转容积调强与固定野动态调强放疗的剂量学研究J.实用癌症杂志, 2011, 26 (6) :630-633. 16张先稳, 张西志, 花威, 等.AAA 算法和 PBC 算法在食管癌调强放疗中的验证评估J.实用癌症杂志, 2013, 28 (3) :282-284. 17Fogliata A, Nicolini G, Vanetti E, et al.The impact of photon dose calculation algorithms on expected dose distributionsin lungs under different respiratory phasesJ.Phys Med Biol, 2008, 53 (9) :2375-2390. 18张富利, 王军良, 盛红国, 等.PBC 算法与 AAA 算法在肺癌调强放疗中的剂量学比较J.中国医学物理学杂志, 2011, 28 (3) :2588-2590. 19张先稳, 桂龙刚, 张西志, 等.不同剂量算法在鼻咽癌调强放疗中的剂量学研究J.医疗装备, 2017, 30 (1) :30-32.
