基于Compass的鼻咽癌调强放疗三维剂量验证

林晓辉，张书旭，廖煜良，曾庆星，张国前，余辉，雷怀宇

广州医科大学附属肿瘤医院 放疗中心，广东 广州 510095

引言

单纯放疗或以放疗为主的综合治疗是鼻咽癌的主要治疗方法，其中多野调强放疗或容积旋转调强放疗在临床治疗上的应用越来越广[1-2]。为了确保放疗计划的精确执行，须进行必要的剂量验证[3]。近年来，三维剂量验证正在逐步取代一维[4]和二维剂量验证[5-6]，成为主要的验证手段。常用的三维剂量验证验证系统有Delta4[7]、ArcCheck[8]、Compass[9]等。其中，IBA Dosimetry 公司生产的Compass系统基于串筒卷积迭加算法（Collapsed Cone Convolution，CCC）剂量计算模型，一方面，可以通过Compass 独立核算获得患者的三维剂量分布，再将其与原TPS 计划剂量分布进行对比分析，达到核算验证的目的；同时，该系统还可采用带角度传感器的二维空气电离室矩阵MatriXX，实际测量患者放疗计划执行时的剂量信息，结合患者CT 图像和系统内置CCC 剂量计算模型，重建出患者三维剂量分布，再与原TPS 计划剂量分布进行对比分析，从而实现三维剂量验证[10]。本研究中，拟同时利用Compass 三维验证系统的独立核算剂量和实测重建剂量分析功能，对鼻咽癌患者调强放疗计划进行两种模式的三维剂量验证，包括对患者全部受照区域的剂量差异进行分析，以及对各靶区、危及器官单独分析，以深入探讨Compass 系统在鼻咽癌调强放射治疗验证中的作用和意义。

1 材料和方法

1.1 临床病例

选取鼻咽癌患者30 例，采用IMRT 放疗的患者8 例，采用VMAT 放疗的患者22 例，其中IMRT 采用9 野共面设计，0～360°等角度分布，VMAT 采用两个全弧设计，两弧分别为顺时针181°～179°和逆时针179°～181°，患者年龄30～80 岁，平均年龄50 岁，中位年龄49 岁，剂量计算采用CCC 算法模型。

1.2 设备

美国Varian 公司生产的医用直线加速器Clinac iX，所用X 射线能量为6 MV。计划设计时采用Philips 公司生产的Pinnacle（V9.10）放疗计划系统，剂量验证采用德国IBA公司生产的Compass（V3.1）三维剂量验证系统，该系统主要包括角度传感器、固体水模块、剂量计算、分析软件及二维空气电离室矩阵MatriXX。该矩阵由1020 个空气电离室组成，每个电离室大小为Φ4.5 mm，高度5 mm，灵敏体积0.07 cc，电离室中心彼此相距7.62 mm，有效测量范围24 cm×24 cm。GE Lightspeed 16/64 排大孔径模拟定位CT。

1.3 方法

1.3.1 靶区勾画和计划设计

鼻咽癌患者按放疗体位固定后，进行CT 模拟定位扫描，扫描后将图像经网络传输至Pinnacle V9.10 放疗计划系统中，由同一医生勾画肿瘤靶区（GTVnx）、转移淋巴结（GTVnd）、高危亚临床灶（CTV1）、预防照射区（CTV2）。危及器官包括腮腺、脑干、脊髓、颞叶、晶体、眼球、视神经、视交叉等。靶区勾画完成后，进行6 MV X 线9 野IMRT 或两个全弧VMAT 放疗计划设计，剂量率300 MU/min，剂量计算网格3 mm。计划完成后，得到计划剂量分布（Plan Dose，PD），并将放疗计划系统生成的RT plan、RT Structure、RT Dose、CT Images 以Dicom RT 格式分别传输至Compass 系统和Mosaiq 放疗记录和验证系统中备用。

由计划系统自动勾画皮肤，并逐层检查和修改，得到“外轮廓”，该轮廓包含了固定面罩及所有的组织、器官；然后将外轮廓内缩3 mm 形成新轮廓，将其包含的所有器官、组织视为一个整体兴趣区，简称躯体。

1.3.2 Compass系统准备

通过专用托架，将二维空气电离室矩阵MatriXX 固定在加速器机头上，在MatriXX 表面附加3 cm 固体水模块并锁紧，按操作手册步骤进行MatriXX 的水平位置和中心位置调校，并在机架合适位置装好角度传感器。将系统硬件设施与控制软件系统相联后，进行本底测量；然后，使用6 MV X 射线对探测器预照射500 MU 后，再次进行本底测量；最后，进行电离室中心位置校准和绝对剂量刻度及角度传感器设置。

1.3.3 数据采集和处理

开启Compass 系统，按放疗计划进行实际照射，通过MatriXX 采集并保存每个病人各角度、各子野的剂量信息，将其用于三维剂量计算和重建。Compass 基于放疗计划的RT-Plan、患者CT 图像和内置剂量计算模型CCC，独立计算出患者的三维剂量分布（Compute Dose，CD），下称核算剂量；同时，根据实测剂量信息，结合患者CT 图像和系统内置剂量计算模型CCC，Compass 系统重建出患者三维剂量分布（Reconstructed Dose，RD），下称重建剂量。通过Gamma 通过率、感兴趣区域99%体积接受的处方剂量（D99%）、平均剂量（Dmean）和1%体积接受的处方剂量（D1%）等参数的对比分析，验证计划剂量的准确性[11-12]。

本研究分别对计划剂量、核算剂量、重建剂量分布进行两两对比分析，为了叙述方便，后文中将计划剂量与核算剂量对比称为A 组，计划剂量与重建剂量对比称为B 组，核算剂量与重建剂量对比称为C 组。首先，对躯体、各靶区和危及器官按3 mm/3%标准进行Gamma 通过率评估；然后，对比分析各感兴趣区域D99%、Dmean和D1%等，并计算其剂量相对偏差；最后，对A、C 组间Dmean的差异值进行统计并做显著性分析，同时计算各靶区和危及器官平均剂量相对偏差，其目的是分析不同的剂量计算模型和不同的剂量参数模型及计划执行时各种因素综合作用（MLC到位精度、机器剂量性能、数据采集精度等）对验证结果的影响。研究中，各靶区和危及器官平均剂量的相对偏差（Pmean）按式(1)计算：

其中，Pmean代表平均剂量相对偏差。例如A 组中，D(Eval)mean为Compass 核算时各靶区和危及器官对应的平均剂量，D(Ref)mean为TPS 计算时各靶区和危及器官对应的平均剂量。

1.4 统计学分析

所有数据均采用SPSS 16.0 统计软件行统计分析，组间采用独立样本t 检验，组内采用配对样本t 检验，P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 躯体的剂量相对偏差及Gamma通过率对比分析

各组躯体的平均Gamma 通过率（3 mm/3%标准）都在97%以上，分别为99.0%、97.6%、99.0%，D1%、Dmean的相对偏差在2.5%以内（表1）。B 组中躯体的Gamma 通过率低于A 组，差异有统计学意义（t=-3.335，P=0.002＜0.05），B 组中躯体的Gamma 通过率低于C 组，差异有统计学意义（t=-3.342，P=0.001＜0.05）。

表1 不同组间的躯体剂量相对偏差和Gamma通过率

表1 不同组间的躯体剂量相对偏差和Gamma通过率

注：A组 PD vs. CD；B组 PD vs. RD；C组 CD vs. RD。

组别 Dmean D1% Gamma通过率A组 1.1±0.9 1.4±1.2 99.0±1.2 B组 2.4±1.6 1.6±1.4 97.6±1.9 C组 1.6±1.4 1.0 ±0.7 99.1±1.5

2.2 靶区的剂量相对偏差及Gamma通过率对比分析

各靶区（GTVnx、GTVnd、CTV1和CTV2）的Gamma通过率、D99%、Dmean和D1%的相对偏差如表2所示。三组的剂量相对偏差大多在0.8%～2.5%之间，小部分约2.7%～3.2%。同时，B组中GTVnd的Gamma通过率低于A组，差异有统计学意义（t=-3.005，P=0.004＜0.05），其余靶区差异无统计学意义；B组中GTVnd、CTV1、CTV2的Gamma通过率低于C组，差异有统计学意义（t=-3.379，P=0.001＜0.05；t=-2.275，P=0.029＜0.05；t=-3.149，P=0.003＜0.05），GTVnx的差异无统计学意义。

2.3 危及器官的剂量相对偏差及Gamma通过率对比分析

各组间危及器官的剂量对比分析结果如表3所示。除视神经、脊髓外，其余危及器官的Gamma通过率都是B组较A组和C组略低。B组中腮腺、眼球、晶体和颞叶的Gamma通过率较A组低，差异有统计学意义（t=-3.754，P＜0.001＜0.05；t=-3.357，P=0.002＜0.05；t=-2.688，P=0.009＜0.05；t=-2.554，P=0.013＜0.05），其余无统计学意义；B组中腮腺、晶体和颞叶的Gamma通过率较C组低，差异有统计学意义（t=-4.267，P＜0.001＜0.05；t=-3.264，P=0.002＜0.05；t=-2.387，P=0.023＜0.05），其余无统计学意义。体积较小的危及器官，如晶体、眼球、视神经等，其Dmean和D1%的相对偏差远高于体积较大的危及器官。如B组中，晶体、眼球的Dmean和D1%的相对偏差分别为：（40.9%±28.3%，27.7%±23.2%）、（25.1%±13.6%，13.3%±8.1%），而腮腺和脑干的Dmean和D1%则分别为（4.7%±1.8%，2.9%±1.9%）、（3.5%±1.9%，4.0%±2.4%）。

表2 不同组间各靶区剂量相对偏差和Gamma通过率

表2 不同组间各靶区剂量相对偏差和Gamma通过率

注：A组 PD vs. CD；B组 PD vs. RD；C组 CD vs. RD。

靶区 组别 D99% Dmean D1% Gamma通过率GTVnx A组 1.6±1.4 2.0±1.5 3.2±2.4 80.5±21.8 B组 2.3±1.7 1.6±1.4 2.4±1.7 83.5±22.4 C组 1.6±1.5 1.3±1.2 1.7±1.5 91.9±15.9 GTVnd A组 1.3±1.2 1.1±0.7 2.0±2.0 94.6±8.9 B组 1.9±1.0 2.0±0.9 2.8±1.2 87.0±11.4 C组 1.4±1.0 1.3±1.0 1.6±1.2 95.5±9.3 CTV1 A组 1.6±2.0 1.6±1.4 2.7±2.2 87.4±14.2 B组 2.5±2.2 1.7±1.5 2.3±1.7 84.5±19.6 C组 1.4±1.2 1.1±1.0 1.7±1.4 94.6±10.1 CTV2 A组 1.1±0.7 1.3±1.2 2.3±1.9 92.1±11.4 B组 1.5±0.9 1.6±1.4 2.1±1.5 88.7±11.9 C组 0.8±0.6 1.2±0.8 1.5±1.1 97.1±3.4

表3 不同组间危及器官剂量相对偏差和Gamma通过率

表3 不同组间危及器官剂量相对偏差和Gamma通过率

注：A组 PD vs. CD；B组 PD vs. RD；C组 CD vs. RD。

危及器官 组别 Dmean D1% Gamma通过率腮腺A组 1.3±1.1 1.5±1.1 97.7±3.9 B组 4.7±1.8 2.9±1.9 95.0±5.1 C组 5.5±1.8 2.8±2.0 98.0±3.5眼球A组 4.6±4.3 3.6±2.6 99.8±0.7 B组 25.1±13.6 13.3±8.1 97.4±4.2 C组 22.1±8.0 15.1±6.9 97.7±6.7脑干A组 2.0±1.2 2.1±1.9 99.6±70.3 B组 3.5±1.9 4.0±2.4 98.5±3.6 C组 1.9±1.7 4.5±2.5 99.9±0.5视交叉A组 4.1±4.2 3.8±5.6 99.8±0.6 B组 7.1±9.5 6.5±12.6 98.1±5.9 C组 4.1±5.7 3.6±6.0 99.9±0.4晶体A组 16.7±19.4 14.6±17.2 99.2±3.5 B组 40.9±28.3 27.7±23.2 94.8±11.1 C组 21.2±8.7 13.9±6.9 99.9±0.1视神经A组 3.3±2.5 3.2±3.4 99.5±3.1 B组 12.2±8.6 6.2±7.8 99.3±3.0 C组 11.3±5.8 5.1±4.1 97.2±10.8脊髓A组 2.4±2.7 2.2±2.3 96.1±9.3 B组 1.7±2.4 2.0±1.7 96.9±8.1 C组 2.0±1.7 2.5±1.6 98.2±4.6颞叶A组 1.7±1.7 2.0±1.6 99.9±0.2 B组 7.1±5.4 3.0±2.6 99.5±1.1 C组 5.8±3.8 1.8±1.4 99.9±0.2

2.4 靶区和危及器官的平均剂量差异及Dmean差异值显著性分析

各组间靶区和危及器官的平均剂量差异的显著性分析结果如表4 所示，A 组为TPS 计划剂量与Compass 核算剂量对比，A 组中躯体、GTVnx、GTVnd、CTV1、CTV2 的Dmean差异值都具有统计学意义（P＜0.05）。C 组为Compass核算剂量与重建剂量对比，C 组中躯体、GTVnd 的Dmean差异值具有统计学意义（P＜0.05）。对于危及器官而言，A组中除腮腺、视交叉、视神经外，其余危及器官的Dmean差异值均具有统计学意义（P＜0.05）；而C 组中则只有视交叉的Dmean差异值不具有统计学意义（P＞0.05）。

3 讨论

本研究选取30 例鼻咽癌放疗病例，基于Compass 系统对放疗计划进行三维剂量验证与分析。由于患者的固定面罩呈网状结构，并处于剂量建成区，其剂量计算的不确定性较大，在后续的剂量对比分析中，如包含了面罩和表皮下的剂量建成区，就会影响结果的准确性。将皮下3 mm 轮廓线包含的所有器官、组织视为一个兴趣区（即躯体），对该区域的计划剂量、核算剂量和重建剂量分布进行的两两对比分析，结果显示A、B、C 三组中，其Gamma 通过率平均值都在97%以上，Dmean和D1%的相对差异都在2.5%以内。

A 组是TPS 的计划剂量分布与Compass 系统的独立核算剂量分布的对比分析，这两者之间的差异，主要源于采用了不同的剂量计算模型和不同的剂量参数模型（基于不同百分深度剂量、离轴比的不同拟合过程）。因此，Compass 系统数据建模的优劣，决定了它是否可以准确地进行剂量验证。当研究中所用计划系统的准确性已通过其它方法、措施进行了充分验证、确认后，须对Compass 系统进行标准参数测试和验证，张秀春等[13]以三维水箱为基准，比较分析Compass 系统在百分深度剂量、输出因子、离轴曲线和绝对剂量等方面的测量数据与三维水箱所测量数据的相关性和一致性。结果表明，Compass 系统测量和重新计算的百分深度剂量、输出因子、离轴曲线与三维水箱测量的数据具有较好的一致性，其绝对剂量偏差均小于2.5%，独立计算功能和剂量重建功能具有类似TPS 的精度，可为临床提供三维的剂量分布信息。B 组则是计划剂量分布与Compass 系统的基于实测信息和内置CCC 剂量计划模型的重建剂量分布的对比分析，这两者之间的差异，不但源于采用了不同的剂量计算模型、不同的剂量参数模型（基于不同百分深度剂量、离轴比的不同拟合过程），还来自数据传输及加速器执行计划过程中的各种误差，在一定程度上反映了计划剂量和实际执行剂量的综合差异。C 组是Compass 的核算剂量与重建剂量的对比，这二者之间，具有完全相同的内置CCC 剂量计算模型，因此，其差异主要反映了计划执行时各种因素综合作用下（MLC 到位精度、机器剂量性能、数据采集精度等）的重建剂量与核算剂量的差异，对用户而言，无法区分二维空气电离室矩阵MatriXX 中电离室的性能和几何精度所致的系统误差与加速器本身所致误差。由此可见，为了恰当地评估基于Compass 的三维剂量验证结果，同时进行A、B、C 三方面的综合分析是非常必要的。

国内外有不同的作者，分别用Compass 进行了不同病种、不同计划系统、不同类型的调强放疗方式（IMRT、VMAT 等）的三维剂量验证[14-17]。彭莹莹等[14]对头颈部肿瘤进行了IMRT 计划剂量与重建剂量的对比研究，陈旭明等[15]则对Eclipse 计划系统设计的宫颈癌调强放疗计划进行了三维剂量验证研究，柏朋刚等[16]利用Compass 三维剂量验证系统，对8 例鼻咽癌患者的VMAT 计划进行了剂量验证，该研究主要考查了Masterplan 放疗计划系统计算的剂量分布与Compass 基于实测结果的重建剂量分布，二者的靶区Gamma 通过率均＞95%，各个靶区的D95%平均偏差大多＜3%，各个靶区Dmean的偏差平均值在1%以内。宋婷婷等[17]则应用Compass 系统，对Oncentra 计划系统设计的脑肿瘤瘤床同步追量VMAT 计划进行了验证研究，结果发现，3%/3 mm 标准进行评估时，50 例脑肿瘤瘤床同步追量VMAT 计划中，PGTV、PTV 的Gamma 通过率分别为（97.92±1.69）%、（96.72±1.99）%，其他危及器官的Gamma 通过率均在90.00%以上。追量的瘤床个数对Gamma 通过率无影响（P＞0.05）。视交叉、视神经、晶体的D1%剂量差异均大于3%，其他危及器官和PGTV、PTV的Dmean、D1%剂量差异均小于3%。

另一方面，本研究中发现，A 组和B 组中，大部分患者的靶区平均Gamma 通过率＞90%，而小部分低至约70%；而C 组的平均Gamma 通过率较A 组和B 组高，介于91.9%～97.1%之间（表2）。对此，进一步分析发现下列因素可能是导致该现象的重要原因：其一，鼻咽癌患者的靶区形态远较危及器官复杂，特别是可能包含大量空腔、或临近高密度骨，会出现剂量跌落或二次剂量建成效应等，严重影响这些区域剂量计算的准确性（图1）；其二，A 组和B 组，均会同时涉及TPS 和Compass 的不同剂量算法，由于算法差异所致误差，也会影响靶区的Gamma 通过率。而C 组是Compass 核算和重建剂量对比，不存在算法差异（图2），因此，C 组的靶区Gamma 通过率高于A 组和B 组。同时，由于危及器官，如腮腺、脑干、眼球等，其四周没有大的空腔或密度差异极大的组织，不会受到剂量跌落或二次剂量建成效应的影响，因此，其Gamma 通过率高于受空腔或高密度骨影响的靶区。上述研究结果与方明明等[18]研究相似，即采用3 mm/3%的Gamma 通过率评判标准时，所有靶区的通过率分别为70.6%（TPS 计划 vs. Compass 核算）、58.8%（TPS 计划 vs. Compass 重建）。

表4 靶区和危及器官的Dmean差异值、平均剂量相对偏差和Dmean差异值显著性分析

图1 TPS计划剂量和Compass重建剂量对比

图2 Compass核算剂量和重建剂量对比

目前，还没有广泛认可的三维剂量验证时靶区和危及器官的Gamma 通过率评判标准，但二维剂量验证，AAPM TG119 号报告[19]曾指出：当每个野的Gamma 通过率＜90%或多野复合测试Gamma 通过率＜88.0%时，需要进一步的调查分析。在本研究中，单从躯体的通过率而言（＞97%），符合通常临床QA 测试要求。在此基础上，借助Compass 的三维剂量分析功能后，进一步分析各靶区和危及器官的剂量差异，如冷、热点的分布等。根据分析结果，必要时进行更深入的测试验证，如采用广泛接受的二维剂量验证，采用仿真体模进行点剂量或面剂量测试，或对加速器本身的机械性能和剂量参数进行全面测试，甚至重新进行计划设计与验证，力求查找到误差/偏差的根源，以确保放疗的准确性。

本研究发现，体积较小的危及器官，如晶体等，其Dmean和D1%的剂量相对偏差都较高。究其原因，可能是因体积小且靠近体表，剂量计算容易出现误差；同时，由于体积小，MLC 到位精度、机架旋转精度、剂量率准确度等参数对其剂量测量的影响更大。这与段龙焱等[20]的研究结果相似，该研究利用Compass 三维验证系统，验证了10 例直肠癌术前放疗计划，结果表明，在靶区边缘区域，剂量偏差较大。

综上所述，Compass 系统的独立计算模块和剂量重建模块提供患者更详细直观的三维的剂量分布信息，是一种较好的三维剂量验证工具，但是Compass 计算模型难以完全等同TPS 的计算模型，剂量计算模型的差异会对最终验证结果的判定产生一定的影响，同时，验证设备探测器的性能和几何精度对剂量测量结果也有一定影响，因此，需要综合应用不同分析方法，如研究中的A、B、C 三组分析结果，对放疗计划及其实施进行综合评价，才能更加准确和客观。