Eclipse 计划系统2 种算法下的非均匀组织深度剂量差异研究

吴 哲，庞 亚，彭圣贤*，徐 程

（1.自贡市第一人民医院放疗室，四川自贡 643000；2.首都医科大学附属潞河医院放疗科，北京 101149）

0 引言

在肿瘤放疗过程中，依靠治疗计划系统（treatment planning system，TPS）设计放疗计划。TPS 是基于人体组织的CT 值到电子密度值的转换而进行剂量计算，CT 值的变化影响剂量计算的准确性。TPS 中的CT 值与电子密度的转换关系、算法的选取对剂量计算准确性均有重要影响[1-3]。人体是非均匀组织，CT值跨度很大，例如鼻腔内的空气腔的CT 值较小，而某些金属植入物的CT 值较大。当射线穿过人体进入病灶区域时，射线经过的不同组织CT 值发生改变，剂量沉积在非均匀组织界面发生较大偏差。Eclipse计划系统作为当前主流的TPS，内置先进外照射光子剂量（Acuros XB，AXB）算法和各向异性解析算法（anisotropic analytical algorithm，AAA）。目前的研究认为AXB 算法更接近蒙特卡罗算法，射线由低密度物质进入高密度物质会产生二次剂量建成效应，由高密度物质进入低密度物质，深度吸收剂量快速降低，均是密度差异越大变化越明显[4-6]。对于单野治疗，AAA 无法在距离金属10 mm 以内提供临床可接受的剂量计算[4-6]。为了对高能X 射线在非均匀组织的剂量沉积有更深入的认识，本文研究6 和10 MV高能X 射线下AAA 和AXB 算法计算的多种非均匀组织的百分深度剂量。

1 材料和方法

1.1 设备

采用瓦里安Eclipse 计划系统（v13.6），其提供了不同组织的质量密度和材料类型。其中空气CT 值为-993 HU，质量密度为0.001 2 g/cm3；肺组织CT 值为-719 HU，质量密度为0.26 g/cm3；骨组织CT 值为1 488 HU，质量密度为1.85 g/cm3；聚四氟乙烯（poly tetra fluoroethylene，PTFE）CT 值为1 957 HU，质量密度为2.2 g/cm3[7]。

1.2 非均匀组织模型构建

在Eclipse 计划系统中创建大小为30 cm×30 cm×30 cm 的模体影像，材料定义为水（CT 值为0 HU，质量密度为1 g/cm3）。在模体3 cm 深度处加入深度为3 cm 的肺组织或骨组织或空气或PTFE，材料从Eclipse 计划系统中的物理材料表选取。非均匀组织模型构建示意图如图1 所示。计算6 和10 MV 2 种高能X 射线在标准源皮距（source skin distance，SSD）（100 cm）下的三维体积剂量，射野大小均为10 cm×10 cm。剂量计算算法分别选择AAA 和AXB 算法，网格大小为2.5 mm，剂量率统一为500 MU/min，机器为瓦里安Trilogy 6403 加速器。处方剂量均为100 cGy/f。

图1 非均匀组织模型构建示意图

1.3 百分深度剂量数据获取

不同能量大小、不同非均匀组织剂量计算完毕后，利用Eclipse 计划系统的Dose Profile 功能提取射野中心轴纵向百分深度剂量txt 格式数据，经OfficeExcel 归一化处理归一到最大剂量点，并用Origin软件绘制百分深度剂量曲线。为了与非均匀组织的深度剂量特性进行直观地对比，先以水、骨均匀组织为例，研究6 和10 MV 高能X 射线下AXB 和AAA 2 种算法计算的均匀组织的百分深度剂量。再研究6和10 MV 高能X 射线下2 种算法计算的水-肺-水、水-骨-水、水-空气-水、水-PTFE-水4 种非均匀组织的百分深度剂量，最后比较不同能量下2 种算法计算的剂量的统计学差异。

1.4 统计学处理

采用Microsoft Office Excel 软件统计Eclipse 计划系统导出的数据，应用SPSS 22.0 软件统计AAA和AXB 算法计算的剂量差异，并对数据进行配对样本t 检验，P<0.05 表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 均匀组织百分深度剂量

计算30 cm×30 cm×30 cm 的水或骨均匀模体内10 cm×10 cm 射野中心轴百分深度剂量，结果如图2 所示。从图中可看出，在水均匀模体中，不同能量不同算法不同组织的相对剂量均是随着深度增加，先增大后减小，且射线能量越大，相对剂量越大，最大剂量点深度下移；水组织的最大剂量点深度比骨组织大。

图2 6 和10 MV X 射线下AAA 和AXB 算法计算的水和骨的均匀模体的百分深度剂量

2.2 非均匀组织百分深度剂量

计算30 cm×30 cm×30 cm 模体内水-肺-水、水-骨-水、水-空气-水、水-PTFE-水组织的百分深度剂量，结果如图3 所示。从图中可以很直观地看出，在3～6 cm 深度非均匀组织界面处形成明显的二次剂量建成效应，且2 种算法的差异较大。在水-肺-水组织中，6 MV X 射线下百分深度剂量差异最大达到4.82%，10 MV X 射线下差异最大达到3.32%；在水-骨-水组织中，6 MV X 射线下差异最大达到3.74%，10 MV X 射线下差异最大达到3.65%；在水-空气-水组织中，6 MV X 射线下差异最大达到25.15%，10 MV X 射线下差异最大达到25.98%；在水-PTFE-水组织中，6 MV X 射线下差异最大达到13.47%，10 MV X 射线下差异最大达到13.09%。

图3 6 和10 MV X 射线下AAA 和AXB 算法计算的非均匀组织的百分深度剂量

2.3 AAA 与AXB 算法计算的剂量差异

取模体内2.5～6.5 cm 深度范围内的不同能量下AAA 与AXB 2 种算法计算的百分深度剂量值，将其差异进行配对样本t 检验，结果见表1。在均匀组织中，6 与10 MV X 射线下2 种算法计算的剂量没有显著差异（P＞0.05），但在非均匀组织水-肺-水、水-骨-水、水-空气-水、水-PTFE-水中，AAA 与AXB 算法存在显著差异（P＜0.05）。

表1 不同组织不同X 射线下AAA 与AXB 2 种算法计算的剂量差异的配对样本t 检验结果（P 值）

3 讨论

放疗计划系统的准确性影响着靶区和正常组织的剂量精度，进而影响放疗疗效。验证剂量计算算法的准确性是整个放疗过程及相关质量控制的重要内容。人体为非均匀组织，内部存在的空气腔、肺、脂肪、肌肉、骨骼甚至人工器官、金属植入物等[8]都会使得组织密度分布不均，在制订放疗计划时不同能量不同算法都会影响靶区剂量分布，因此研究深度剂量特性对治疗计划的设计有重要意义。

本文首先采用Eclipse 计划系统内置的AAA 和AXB 算法计算6 和10 MV 高能X 射线下水和骨2种均匀组织的百分深度剂量，发现AAA 和AXB 算法无显著差异。而在水-肺-水、水-骨-水、水-空气-水、水-PTFE-水非均匀组织介质中，2 种算法计算的剂量差异较大。早在1992 年就有应用电子密度模体研究非均匀组织的CT 值矫正的报道[9]。近年来，国内外有很多非均匀组织剂量特性的相关报道[4-5，10-12]。如吕晓平等[4]在Eclipse 计划系统上分别设置2 种类型的非均匀模体（水-肺-水模体、水-骨-水模体），并采用AXB、AAA 及蒙特卡罗算法进行剂量计算：提取射野中心轴百分深度剂量，以蒙特卡罗算法计算结果为基准，计算AXB 和AAA 2 种算法与蒙特卡罗算法的相对偏差，并提取非均匀组织及高梯度区的数据进行对比分析，发现在非均匀组织及其边界，AXB算法的计算精度比AAA 更为准确，基本接近蒙特卡罗算法，在水-骨-水界面，AXB 算法计算的百分深度剂量比AAA 更小，这与本研究结论一致。苗利等[5]研究了Eclipse 计划系统中水模体中心轴深度3 cm下不同人体替代组织的模体结构，并赋予组织密度值和CT 值，提取射野中心轴深度剂量曲线数据并与水模体中深度剂量曲线进行比较，发现当射线由低密度物质进入高密度物质后会产生二次剂量建成效应，且密度差异越大建成效应越明显。本研究也有类似的结论：空气与水的密度差比肺与水的密度差大，因此空气与水界面的剂量差异更大，建成效应也更明显。Bouyer 等[10]比较了AXB 和AAA 2 种算法计算的非均匀介质剂量的差异，并与Gafchromic胶片测量结果对比，发现AXB 算法与胶片测量的结果更接近，且在非均匀界面处AXB 算法比AAA 计算的剂量差异更大，这与本研究的结论一致，如图3（c）所示。Fogliata 等[11]以肺癌立体定向放疗为例，研究了小野下不同算法计算的非均匀组织剂量的准确性，发现笔形束算法与筒串卷积算法剂量计算差异达到20%～30%，AAA 和AXB 算法的准确度分别为10%和5%。本研究中的6 和10 MV 2 种X 射线下AAA与AXB 算法计算的水或骨均匀组织的剂量差异不大，这与Bragg 等[12]的研究一致。本研究还发现百分深度剂量随着深度增加，先增大后减小，这与冯仲苏等[13]的研究结果一致。

本研究还发现在水-肺-水组织和水-骨-水组织中，2 种X 射线下AXB 算法和AAA 计算的剂量差异不大，最大达4.82%，而在水-空气-水组织和水-PTFE-水组织中，2 种算法计算的剂量差异较大，约为25%和13%，这与Pacyniak 等[14]的研究结果基本一致。Pacyniak 等[14]报道的是由水进入2 cm厚的空气组织再进入水组织，16 MV X 射线下非均匀界面与均匀组织的深度剂量差异最大，可能是因为水与空气和PTFE 的质量密度差距更大。Fogliata等[15]比较了4 种计划系统共7 种算法在非均匀组织中的剂量学差异，并与蒙特卡罗算法比较，并进行了6 和15 MV X 射线的实验研究，发现剂量计算的准确性不仅和算法有关，还和射野大小、射束能量、材料密度等有关。Han 等[7]以胸部的人体体模为研究对象，创建不同的调强放疗计划，发现AXB 算法比筒串卷积算法和AAA 更接近蒙特卡罗算法，与蒙特卡罗算法相比，AXB、AAA 和筒串卷积算法的差异分别为1.1%、4.4%、2.2%。Bush 等[16]研究也发现AXB 算法计算的肺、骨、空气等非均匀介质的剂量更接近蒙特卡罗算法。文献[15-17]也认为AXB 算法更符合临床实际。本研究的不足是没有用蒙特卡罗算法去比较AAA 与AXB 算法的差异，下一步需要对此进行验证，并研究不同射野大小的百分深度剂量特性。

综上所述，本文研究了6 和10 MV 高能X 射线下AXB 和AAA 2 种算法计算的不同非均匀组织的百分深度剂量，发现在非均匀组织界面出现二次剂量建成效应，且2 种算法计算的水-肺-水和水-骨-水组织剂量差异较小，水-空气-水和水-PTFE-水组织的剂量差异较大。