无均整器的Halcyon平台下AXB与AAA算法在肺癌计划中剂量学差异及分析*

李珍, 余建荣, 李民英, 杨鑫

1中山市人民医院肿瘤分院放疗科(广东中山 528400)； 2中山大学肿瘤防治中心、华南肿瘤学国家重点实验室、肿瘤医学协同创新中心、广东省鼻咽癌诊治研究重点实验室(广东广州 510060)

中央型肺癌指原发于支气管或段支气管、位于肺门附近的肺癌，放射治疗中照射靶区往往临近大血管、气管、心脏、食管等正常组织，包含了骨、空气和软组织存在大的组织不均匀性，肺高度非均质介质中放疗计划的剂量计算是值得关注的问题。Eclipse计划系统(Varian Medical Systems， Palo Alto，CA)广泛采用的剂量计算算法是各向异性解析算法(anisotropic analytical algorithm，AAA)[1]，它采用卷积-叠加方法来近似模拟电子输运的变化，相对于传统笔形束算法(single pencil beam，SPB)，AAA可以改善剂量计算精确度[1]。但是由于AAA算法缺乏侧向电子失衡的考虑以及低密度区域中二次区域剂量的预测，在高度非均匀性区域比如胸腔区域处，AAA算法存在一定程度上的剂量误差[2]。因此Acuros XB(AXB)算法被提出并于2010年在Eclipse计划系统中实现[3]。AXB算法通过对辐射传输、粒子与介质的相互作用以及散射模型进行改进，提高了高剂量梯度变化区域的分辨率，在高度非均质区域处精确性更高[4-6]。本研究旨在分析无均整器Halcyon平台下AAA和AXB两种算法计算的中央型肺癌IMRT剂量分布之间的差异，并探讨这种差异可能对临床的影响及指导意义。

1 资料与方法

1.1 一般资料 用随机数字选取法(样本编号，随机函数生成编号获取)，回顾性选取2018年10月至2021年2月间在中山大学肿瘤防治中心确诊并接受IMRT治疗的30例中央型肺癌患者，其中男22例，女8例，年龄46～78岁，中位年龄57岁，所有患者均经病理检查，无纵膈淋巴结转移。研究经中山大学肿瘤防治中心伦理委员会审批(B2022-526-01)。

1.2 体位固定及CT扫描 所有患者取仰卧位，手臂上举抱头，真空袋固定，行静脉增强造影。采用Philips公司的 Brilliance Big Bore 大孔径CT行平扫与增强扫描，扫描层厚为5 mm，扫描范围为环状软骨上缘至肝脏下缘，采用光学皮肤表面监控系统对患者体表进行追踪，抓取实时呼吸曲线，采集全部呼吸时相的图像，并按照主管医生的要求重建靶区勾画及治疗计划设计所需要的4DCT扫描衍生图像，比如最大密度投影(MIP)、平均密度投影(AVG)图像等。

1.3 靶区勾画及处方设定 靶区和危险器官剂量(OARs)在放射治疗肿瘤组(RTOG) 0915中定义。

靶区需要在全部呼吸时相的CT图像上逐层勾画，肿瘤区GTV为影像学可见的肺部病灶和纵膈肿大淋巴结区域，临床靶体积CTV为肿瘤潜在侵犯的范围，计划靶区PTV包括计划肿瘤体积PGTV和计划临床靶体积PCTV，其中PGTV为GTV基础上均匀外扩0.5 mm形成，PCTV是在CTV基础上均匀外扩0.5 mm得到，危及器官包括双侧肺、心脏、食管、脊髓等。

处方剂量为200 cGy×30 f(共6 000 cGy)。

1.4 计划设计 所有计划均使用Varian公司的Eclipse 15.6计划系统设计，每例患者均设计AAA算法和AXB算法IMRT计划(AAA组和AXB组)，Halcyon2.0加速器6MV FFF照射，剂量率为800 MU/min，照射野设置和方向根据靶区PTV具体位置来决定，原则为尽量避开危及器官，尤其是健侧肺组织。优化完成后，首次计算采用AAA算法并进行组织不均匀修正，第二步替换剂量计算算法，采用AXB算法并保持器跳数(MU)和叶片位置不变动重新进行剂量计算。

1.5 评估参数 PTV和OARs的剂量学参数，可从相应的剂量体积直方图(Dose Volume Histogram， DVH)得到。

1.5.1 靶区评估指标 最大剂量Dmax，平均剂量Dmean，98%的靶区体积对应的剂量D98%；95%，100%，105%处方剂量所覆盖的体积百分比V95、V100、V105。

剂量适形度指数(conformity index， CI)：

CI=(VT，ref/VT)×(VT，ref/Vref)

(1)

VT为靶体积，VT，ref为参考等剂量线所包绕的靶区内体积，Vref为参考等剂量线所包绕的总体积，CI越接近1，剂量分布越适形。

均匀性指数(homogeneity index， HI)：

HI=(D2-D98)/D50

(2)

HI(conformity index)指的是同质性指数。HI的范围≥1。当HI=1时，剂量分布最好，HI值越大，剂量分布的均匀性越差。

AAPM TG101[7]报告中推荐梯度跌落指数(gradient measure， GI)评估肿瘤周围剂量跌落梯度，定义为GI=V50%/VT，V50%为50%处方剂量所包绕的体积，VT为靶区体积，GI越小，表示靶区外剂量溢出更少，剂量跌落更迅速。

1.5.2 危及器官评估指标 双肺及健侧肺的V5、V20、V30、Dmean；心脏的V30、Dmean；食管的V60、Dmean；以及脊髓的D0.1cc、Dmean。

1.5.3 正常组织剂量 正常组织剂量(integral dose to normal tissues， NTID)定义为PTV外正常组织累积剂量[8]，NTID的V10、V20、V30、V40、Dmean。

1.5.4 通过率测量 采用瓦里安公司的照野剂量验证系统PortalDosimetry[9-10]对计划进行质量保证(Quality Assurance，QA)验证计划执行的准确性，Gamma(3%，3.0 mm)[11-12]标准作为测量通过率的判定方法。

2 结果

2.1 靶区剂量分布 两种算法计算得到的靶区覆盖率均符合临床要求(V100均在95%以上)，并且靶区剂量学参数上存在一定差异。PTV的D98%剂量水平AXB组低于AAA组(P<0.05)，平均剂量AXB组低于AAA组(P<0.05)，V95、V100AXB组均低于AAA组(P<0.05)，V105AXB组低于AAA组，但差异无统计学意义(P>0.05)，从结果中得到PTV的最大剂量AXB组高于AAA组且差异有统计学意义(P<0.05)。另外，靶区均匀性、适应度、剂量跌落三方面AXB组略优于AAA组(P<0.05)。见表1。

表1 AXB和AAA算法靶区剂量分布

2.2 OARs及NTID剂量分布 双肺及健侧肺的V5、V20、V30、Dmean，AXB组均优于AAA组，除健侧肺的V5之外均差异有统计学意义(P<0.05)。心脏的V30、Dmean，AXB组优于AAA组(P<0.05)，脊髓的D0.1cc、Dmean，AXB组明显低于AAA组(P<0.05)，食管的V60、Dmean，AXB组低于AAA组，但V60差异无统计学意义(P>0.05)。NTID的V10、V20、V30、V40和平均剂量，AXB组均低于AAA组(P<0.05)。见表2。

表2 危及器官(OARs)及NTID剂量比较

2.3 计划验证通过率 Halcyon平台AXB与AAA算法计划验证通过率分别为(99.0±1.67)与(98.5±1.84)，AXB算法通过率优于AAA算法，但差异无统计学意义(P>0.05)。

3 讨论

调强放疗IMRT在满足靶区与照射剂量高度适形的同时，可降低周围正常组织的受量，对剂量计算准确性有精确的要求。本文比较了无均整器的Halcyon平台下AXB和AAA两种算法在肺癌IMRT计划中的剂量学差异，实验结果表明，靶区剂量分布两者均可满足临床剂量要求，AXB算法PTV的V95、V100、D98和平均剂量均低于AAA算法，差异有统计学意义(P<0.05)。

危及器官方面，两种算法生成的IMRT计划中危及器官的限量均满足临床要求，AXB算法双肺V5、V20、V30、Dmean均优于AAA算法，差异有统计学意义(P<0.05)，双肺高低剂量受照体积以及平均剂量与放射性肺炎的发生率有关。心脏、脊髓、食管的评价参数AXB算法均略低于AAA算法。

AAA算法是基于每个笔形束或子束的剂量的卷积，每个子束的能量通量被分成主射束和焦外光子以及电子污染的分量，考虑了不均匀性组织散射对剂量的影响和电子失衡的问题，但是它没有考虑到非均匀性组织材料化学组成，剂量计算存在着一定程度上的误差。AXB算法通过求解线性玻尔兹曼方程(LBTE)来计算剂量，它在剂量计算时考虑到非均匀性材料间的不同化学成分，对不均匀性组织的修正优于AAA算法。已有文献报道[5，13-15]，AXB算法精确性优于AAA算法，尤其在高度非均质的区域可取得与剂量计算金标准-蒙特卡洛一致的计算结果。关于两种算法在肺癌放疗中的剂量差异，国内外学者进行过一些研究[16-22]。Rana等[16]研究人员对16例非小细胞肺癌(NSCLC)患者采用AXB和AAA分别进行剂量计算，结果表明靶区PTV的V100%参数AXB比AAA低8.2%。也有研究结果显示，OARs无统计学差异，PTV的D95AXB低于AAA，AXB的靶区覆盖率明显低于AAA，最高可达8%[19]。危及器官方面[22]中报道AXB算法的健侧肺V5%低于AAA算法，这与本文得到的结果一致。

环形加速器Halcyon用于肺癌的放射治疗见诸报道[23-27]，区别于传统加速器，其去除均整器和传统钨门，采用无均整器(flattening filter-free，FFF)模式和双层MLC，两层叶片通过堆叠交错的排列降低叶片间的透射，并在叶片运动时形成等效5 mm的叶片分辨率，另外单层厚度77 mm的两层叶片叠加，叶片透射率<0.01%，且去均整减少了机头的散射漏射，这些特性有利于降低低剂量区域和正常组织的剂量。非均整模式下相同注量的电子线产生更多的光子线，剂量率可达到更高，治疗速度更快，更适合受呼吸运动影响较大的胸部区域肿瘤。

FFF的物理性质及剂量学特性不同于与FF呈现不平坦、尖峰型射束。杨鑫等[28]分析Versa HD加速器有无均整器两种模式的剂量学特性，FFF射束与常规均整射束能量一致，各射野百分深度剂量在10 cm深度区域的匹配误差<1%，FFF射束各射野的野外剂量比均整射束更低，且下降量随射野大小增加，FFF总散射因子随射野和深度的变化幅度减小，这些物理特性有利于保护正常组织。还有国内学者[29-30]对NSCLC在有无均整器模式下对计划质量和执行效率的研究表明，FFF模式在满足靶区剂量的同时能显著降低正常组织的剂量和显著缩短出束时间，有更高的治疗效率。有无均整器两种模式下，AXB算法和AAA算法生成的肺癌IMRT计划在剂量学参数、执行效率等方面的差异是笔者今后的工作内容。野外散射漏射剂量的减少，使得6X FFF射束能量可以减少正常组织的受照射剂量，且执行效率高特别适用于立体定向放射治疗技术，可进一步开展FFF模式下肺癌立体定向治疗(SBRT)的剂量学分析。

利益相关声明：论文内容不涉及相关利益冲突。

作者贡献说明：李珍主要负责实验实施及论文撰写，杨鑫为实验设计指导，余建荣论文审校，李民英负责临床协调等。