补偿膜下空腔对放疗计划系统计算浅层剂量的影响*

孔栋，孔旭东，惠琳，魏贤顶，赵于天，杨波

214062 江苏 无锡，江南大学附属医院 肿瘤放疗科

作为肿瘤三大治疗手段之一，放射治疗已进入精确定位、精确计划、精确治疗的“三精”时代，靶区及危及器官剂量计算的准确性正是精确计划的最基本要求。对浅表肿瘤或侵犯浅表组织的肿瘤实施放疗时，为了克服MV级X射线剂量建成效应，使肿瘤区满足剂量要求，需要在体表添加补偿膜，补偿膜的临床应用及效果一直是放疗研究者关心的问题[1-2]。目前补偿膜临床应用常见的有两种方式，一种是制定计划时加“pretend”补偿膜[3]，另一种是定位时加补偿膜，将其作为患者CT的一部分制定计划。研究表明后一种方式与实际更加相符，所制定计划更贴合实际[4]。但在添加补偿膜时，补偿膜与体表之间会存在一些空腔并反映在定位CT上，研究表明空腔会影响放射治疗计划系统(treatment planning system，TPS)对其边缘剂量计算的准确性[5]，而补偿膜下空腔对体表剂量计算的影响将直接关系到肿瘤剂量的准确性，因此研究这些空腔对TPS计算浅层组织剂量影响有重要意义。蒙特卡罗方法作为剂量计算的金标准，为其他算法的比较提供了准确、公平的平台[6]，Geant4[7]作为一种开源的蒙特卡罗软件包在放疗中多有应用[8-11]。本文基于蒙特卡罗软件包Geant4对比了补偿膜下不同大小空腔对本单位两套TPS——Eclipse(v8.6)和XIO(v4.8)计算浅表组织剂量的影响，对补偿膜的应用和相关计划制定及评估有一定的指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料

Eclipse治疗计划系统(v8.6)，XIO治疗计划系统(v4.8)，Visual Studio 2013，Geant4蒙特卡罗软件包(v10_02_p02)，瓦里安2300CD医用直线加速器，IBA蓝水箱剂量测量系统，OriginPro 8。

1.2 TPS结果获取

在Eclipse和XIO中构建层厚0.1 cm、大小30 cm×30 cm×30 cm的水模体CT，依研究目的，在水模体上表面分别设置三组替代补偿膜的大小30 cm ×30 cm、厚1 cm的水膜，依次为对照组、厚度组和面积组(图1)。对照组水膜紧贴水模体上表面；厚度组在水模体上表面中心处水膜下构建边长2.0 cm的正方形空腔，厚度依次为0.2 cm、0.3 cm、0.5 cm、0.7 cm和0.9 cm；面积组在水模体上表面中心处水膜下构建厚度0.9 cm的正方形空腔，边长依次为2.0 cm、4.0 cm、8.0 cm、10.0 cm、12.0 cm和15.0 cm。水模体和水膜CT值指定为0，空腔CT值指定为-1 000。水模体上表面位于加速器源轴距且与射线入射方向垂直，计算网格为0.1 cm×0.1 cm×0.1 cm，射野面积为10 cm×10 cm，跳数100 MU，分别采用各向异性分析算法(analytical anisotropic algorithm，AAA)和超级迭加算法(Superposition)计算模体中剂量分布。以0.2 cm×0.2 cm分辨率分别导出通过射野中心轴的冠状面剂量分布。

图1 空腔模型

1.3 Geant4模型构建和剂量计算

基于Varian公司提供模型，以Geant4构建能量6 MV、射野面积10 cm ×10 cm的2300CD医用直线加速器机头模型，物理模型选用G4EmPenelope Physics，截止射程1 mm，计算30 cm×30 cm×30 cm水模体中百分深度剂量(percentage depth dose,PDD)和10 cm深度处离轴比(off-axis ratio,OAR)，与IBA蓝水箱测量数据对比验证机头模型准确性(图2)。在Geant4中分三组模拟，每组初始粒子1×108，每次产生30个相同粒子，记录到达Jaw上粒子信息作为相空间文件1；以相空间文件1作为粒子源，依次读取其中粒子信息，每次产生10个相同粒子，记录到达Jaw下粒子信息作为相空间文件2。分别构建与TPS中相同的水模体、补偿膜及空腔模型，水模体和补偿膜材质为水，空腔材质为空气，在水模体中心轴及0.1 cm、0.3 cm、0.5 cm、0.9 cm和1.5 cm深度处x方向上(-8 cm，8 cm)设置0.2 cm×0.2 cm×0.2 cm的体素以记录剂量沉积。每组模型均分三组进行模拟，以相空间文件2为粒子源，依次读取粒子信息，每次产生50个相同粒子并模拟其在模型中的输运过程，分别获取体素中剂量沉积。射野范围内剂量沉积误差小于2%。

图2 Geant4计算数据与测量数据对比

1.4 数据处理及绘图

Geant4计算数据和TPS导出数据均保存为ASCII文件，将其拷贝到Excel进行统计分析。为进一步减小模型差异，本研究采用相对深度剂量差(difference of relative depth dose,DRDD)[式(1)]和相对离轴剂量差(difference of relative off-axis dose,DROAD)[式(2)]分别描述空腔对中心轴和浅层侧向profile计算带来的影响，其越接近0说明TPS计算值与Geant4越接近，大于0说明TPS计算值高于Geant4，小于0说明TPS计算值低于Geant4。相关图片均由OriginPro 8软件绘制。

(1)

式中，DC,d,TPS和Dd,TPS分别为含空腔和不含空腔时深度d处TPS计算值；DC,d,MC和Dd,MC分别为含空腔和不含空腔时深度d处Geant4计算值。

(2)

式中，DC,p,TPS和Dp,TPS分别为含空腔和不含空腔时p处TPS计算值；DC,p,MC和Dp,MC分别为含空腔和不含空腔时p处Geant4计算值。

2 结 果

2.1 对照组结果

无空腔时，Eclipse和XIO与Geant4计算所得PDD差异在2%以内(图3A)，0.1 cm深度处OAR差异在射野范围内也均在2%以内(图3B)。因此模型几何结构和所用参数合理。

2.2 空腔厚度的影响

由表1知，补偿膜下空腔会导致两套TPS高估浅表剂量，空腔厚度对二者计算浅层剂量影响相似，空腔厚度≤0.5 cm时，对中心浅层剂量计算影响很小，即使0.1 cm深度处影响也仅2%左右；但随着其厚度增加，对中心浅层剂量计算影响逐渐增加，其中Eclipse所受影响大于XIO。由图4知，空腔厚度主要影响TPS对水模体浅层剂量计算的准确性，随水模体深度增加，影响迅速减小，即使对于厚度为0.9 cm的空腔，在水下0.5 cm处影响也只有2%左右，在深度较大处Eclipse表现略好于XIO。

图3 无空腔时Geant4与TPS计算结果对比

表1 不同深度空腔下0.1 cm深度处相对深度剂量差

图4 不同厚度空腔下Eclipse和XIO相对深度剂量差对比

2.3 空腔面积的影响

由表2知，空腔面积对两套TPS计算浅表剂量影响相似，随空腔面积增加，对中心轴浅表剂量影响减小，面积较小时XIO优于Eclipse，而面积较大时，Eclipse优于XIO。从图5可以看出，空腔面积对中心轴深度剂量影响较小，Eclipse表现略优于XIO。由图6知，随空腔面积增加，浅层影响较大区域逐渐外移，Eclipse在外周区域所受影响要大于XIO；对中心区域影响逐渐趋于稳定，二者均在2%左右，但Eclipse略好于XIO，在离轴距离接近5.0 cm时波动较大，可能由于蒙卡计算误差所致。

表2 不同空腔面积下0.1 cm深度处相对深度剂量差

图5 不同面积空腔下Eclipse和XIO相对深度剂量差对比

图6 0.1 cm深度处不同面积空腔下Eclipse和XIO相对离轴剂量差对比

3 讨 论

TPS计算精度直接关系到放疗的最终效果，为确保其能安全有效应用于临床，国内外出台了一系列的标准和指南[12-16]，虽然在TPS验收或做相关质控时会采用其中的方法，但其并不涵盖临床中所遇到的一些特殊情况，因此针对临床的各种可能性验证TPS的准确性对更好地应用其制定放疗计划及计划的质量保证有重要意义。Eclipse和XIO是两种应用广泛的商用TPS软件，其中均涉及多种算法，本文基于Geant4蒙特卡罗软件包研究了补偿膜下空腔对Eclipse的AAA和XIO的Superposition计算浅层组织剂量的影响。空腔的存在会使二者在一定程度上高估浅层剂量，通过对比Geant4、AAA和Superposition的计算结果，发现空腔对Geant4的影响更大，因此可能是两种算法低估了次级电子与空腔介质的相互作用，其中厚度是影响二者计算精度的主要因素，但在空腔厚度小于0.5 cm时，与Geant4差异在3%以内；面积主要影响计算精度的侧向分布，随空腔面积变大，影响较大区域逐渐外移，二者在中心区域与蒙卡算法差异逐渐减小至2%左右。对于图和表中数据的波动可能是由于蒙卡计算误差所致，尤其是接近射野边缘处，剂量梯度较大，更容易造成OROAD较大波动。

临床工作中，物理师在使用Eclipse的AAA算法和XIO的Superposition算法制定放疗计划时如遇补偿膜下空腔问题应根据空腔大小在计划中适当增加空腔下浅表肿瘤剂量；医生在评估计划时也应注意到空腔存在的影响，此时对肿瘤区域剂量均匀性的过高要求极有可能意味着肿瘤浅表部分剂量的不足；空腔过大时，建议重新定位，以使靶区及周围危及器官剂量计算更加准确。对补偿膜进行改进使其与凹凸不平的体表更加贴合或升级TPS、改进TPS算法使其更好处理剂量二次建成及电子扩散问题或许是解决补偿膜下空腔问题最直接有效的办法，很多学者也在朝这方面努力。

本研究只针对1 cm厚补偿膜研究了射野10 cm×10 cm、源皮距100 cm、机架角0°时的情况，有空腔时机架角的倾斜会变相增加其厚度，同时不同厚度补偿膜及不同照射方式下是否会有不同结果也有待进一步研究。

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