Monaco 计划系统一野多弧的通量拆分方式研究

杨金磊 卜明伟 李舒畅 张为天 刘明喆 候凯然 刘博 宇

吉林省肿瘤医院放射治疗科，长春 130012

通信作者：刘博宇，Email：liuby1966@163.com

Monaco 是瑞典医科达公司研发的一款用于外照射的治疗计划系统（treatment planning system，TPS）。有别于其他主流TPS，Monaco 采用简化的蒙特卡罗算法进行剂量计算[1-2]，与其他TPS 相比，Monaco 的精确度较高[3-4]。在5.0 版本的Monaco 推出后，优化算法有了显著改善，配合生物优化函数的使用，使得Monaco 成为了一套出色的TPS[5-7]。

采用容积旋转调强治疗（volume-modulated arc therapy，VMAT）计划进行逆向优化时，通量转化为可执行子野序列的算法是TPS 较为核心的技术。Monaco 采用扫地序列式的子野进行剂量投递，即在每个等间距的特定机架角度内，光栅从照射范围的一侧移动至另一侧。Monaco 的优点：每个控制点处光栅形成的子野在x轴方向上的平均宽度较大，窄条状射野相对少；各控制点间的光栅变化较规律。这些优点有助于改善剂量验证结果，但是，同时也会限制整个计划的剂量调制能力。为此，Monaco 采用了有别于其他TPS 的1 野多弧设计来提高剂量调制能力，1 个射野最多可以添加4 个弧。当计划使用1 野2 弧进行设计时，在优化进程的第2 步，TPS 会把第1 步优化得到的通量沿着x轴方向拆分为左右2 个部分，第1 个弧照射左半边，第2 个弧照射右半边。这样，在增加剂量调制度的同时，又因每个控制点处光栅最大运动范围变小，导致每个弧的照射时间减少。当横断面上靶区可以被拆分为相互孤立的两部分时，1 野2 弧可以得到很好地应用，如对于鼻咽癌患者，一般在计划设计时均采用1 野2 弧，与1 野1 弧或2 野1 弧相比，在照射颈部靶区时其更容易保护两部分靶区之间的器官和组织。目前，1 野2 弧的通量拆分方式是非常明确的，其是沿着x轴将通量分为2 份，但对于1 野3 弧和1 野4 弧的通量拆分方式，在厂家能够提供的技术资料及以往的文献报道中均未见。因此，我们通过研究探求Monaco 中1 野3 孤和1 野4 弧的通量拆分方式，为物理师使用Monaco进行计划设计及多弧选取时提供理论参考。

1 资料与方法

1.1 主要材料与设备

模拟患者使用瑞典ScandiDos 公司的Delta4 模体的标准CT 图像；所有TPS 均使用瑞典医科达公司的Monaco 计划系统（version 5.11.03）。X 射线照射使用瑞典医科达公司的infinity 6 MV 型加速器；剂量测量使用德国IBA 公司的Matrixx 剂量验证系统。

1.2 模拟计划

选用密度均匀的圆柱形Delta4 模体，在模体的标准CT 图像上分别勾画2、3、4 个横向整齐排列的圆柱形结构，分别代表2、3、4 个相互孤立的靶体积，共3 组CT 图像和结构，用其模拟3 例需要进行VMAT 且同时照射2、3、4 个孤立靶区的患者，即模拟患者（图1）。针对每例模拟患者分别设计3 个VMAT 计划，计划均采用一个360°射野，每个计划分别采用1 野2、3、4 弧进行设计。VMAT 计划设计完成后，回看各个控制点处射野的主要照射范围，观察每个射野形状与靶区的位置关系，统计并分析其规律性。

图1 用于1 野多弧容积旋转调强治疗计划设计的Delta4 模体的标准CT 图 A、B、C 分别为勾画了2、3、4 个孤立靶区的模体，黑色圆圈代表需要照射的靶区。CT 为计算机体层摄影术Figure 1 Delta4 phantom standard CT images for single-beam multi-arc volume-modulated arc therapy planning

1.3 患者投照

采用完全随机法选取吉林省肿瘤医院放射治疗科进行过放射治疗的3 例患者，包括全脑预防性照射患者（女性，56 岁）、鼻咽癌患者（男性，48 岁）和宫颈癌患者（女性，51 岁），对每例患者分别重新设计3 个VMAT 计划，均采用一个360°射野，每个计划分别选用1 野2、3、4 弧进行治疗。设计完成后，将计划机架角度均归0°，在加速器上执行计划，使用Matrixx 剂量验证系统测量每个计划的总剂量和每个弧的剂量，通过每个弧的实测剂量分布与计划总剂量分布的对比，比较二者的位置关系，判断计划的通量拆分方式。

2 结果

2.1 模拟计划

拥有2、3、4 个孤立靶区的模拟患者分别使用1 野2、3、4 弧进行优化后，得到各弧在机架角度最接近0°的控制点处的射野形状（图2）。使用1 野多弧照射多个孤立靶区时，各弧按照先后顺序，在射野方向观（beam's eye view，BEV）上由左至右照射了各个靶区。特别是在采用1 野2、3、4 弧分别同时照射2、3、4 个孤立靶区时，各弧按照先后顺序，从左至右分别照射了不同的靶区，如图2A 中的a2、b2，图2B 中的a3、b3 、c3，图2C 中的a4、b4、c4、d4。

图2 3 例模拟患者容积旋转调强治疗计划中机架最接近0°时射野方向观上的射野形状 A、B、C 为1 野2、3、4 弧计划分别照射2、3、4 个靶区，其中横向表示3 例不同的模拟患者，纵向为1 个计划中的各个弧Figure 2 The shape of the radiation field in the beam's eye view direction when the gantry angle of each arc was closest to 0° in the volumemodulated arc therapy of three simulated patients

采用1 野多弧同时照射2、3、4 个孤立靶区时，各弧主要照射的靶区位置情况见表1。1 野3 弧和1 野4 弧照射多个靶区时，各弧是按照先后顺序，在BEV 上由左至右照射了各个靶区。由此可知，Monaco 计划系统采用1 野多弧设置时，通量的拆分方式与1 野2 弧类似，都是沿着x轴方向进行分割，计划设置了几个弧，通量就会沿着x轴拆分成几份；且各弧是按照先后顺序，在BEV 上由左至右进行照射。

表1 模拟患者容积旋转调强治疗中采用1 野2、3、4 弧照射2、3、4 个孤立靶区时各弧主要照射的靶区位置Table 1 The main irradiating positions of each arc when 2, 3 and 4 carcs of 1 beam were used to irradiate 2, 3 and 4 isolated targets in the simulated patients by volume-modulated arc therapy

2.2 患者投照

全脑预防性照射、鼻咽癌和宫颈癌患者使用Matrixx 剂量验证系统进行剂量测量获得的计划剂量分布及计划中各弧的剂量分布见图3。在9 个计划中，通过每个计划的剂量分布与其每个弧的剂量分布间的位置比较，可以清晰地可见Monaco 计划系统采用1 野多弧设置时的通量拆分方式，即通量是沿着x轴方向进行分割的，计划设置了几个弧，通量就会沿着x轴拆分成几份，且每个弧是按照先后顺序，在BEV 上由左至右进行照射。

图3 3 例患者容积旋转调强治疗设计各计划的剂量分布及其各弧的剂量分布图 3 例患者均分别采用1 野2、3、4 弧进行计划设计，所有计划射野角度归0°后在加速器上进行照射，并使用Matrixx 二维探测器对每个弧的剂量及总剂量进行测量Figure 3 Dose distribution of each volume-modulated arc therapy planing and each arc of each plan in 3 patients

3 讨论

通量分布转化为可执行的子野序列是TPS 的核心算法之一，其对计划执行的效率和剂量验证结果均有影响。掌握不同设置对子野序列细节的影响，可以在计划设计时更容易获得最优的剂量结果。

在本研究中，我们通过2 个研究分别证实了Monaco 计划系统采用1 野多弧设置时，TPS 是根据设定的弧的数量将通量沿着x轴方向进行拆分的，且弧的数量与通量被拆分的份数相等。模拟计划实验是在理想模型中进行的，因为靶区形状规则，这样通过回看各个控制点处的子野形状，是比较容易发现规律的。需要指出的是，在一些入射角度上，如果在其BEV 上查看各孤立靶区时，各靶区位置相互重叠，则各弧照射位置也是相互重叠的，这时，通过人为判定射野照射范围与各个靶区的位置关系是较难的，这也是Monaco 计划系统采用多弧设置时，并不清楚其射野拆分方式的主要原因之一。而在BEV 上，当各孤立靶区的边界可以清晰地分开时，各弧照射范围与各个靶区位置之间的关系是较容易判断的。但是在实际的临床工作中，绝大部分患者靶区的形态都是不规则的，这很难甚至无法再通过翻看子野形状或子野照射范围来寻找规律。因此，本研究选择通过实际剂量测量寻找通量拆分的规律。患者投照研究之所以将机架角度归0°进行照射，是因为在Monaco 计划系统中，所谓的通量拆分都是在BEV 上进行的，当入射角度为180°时，BEV 上观察的左侧，即为患者左侧，而当入射角度为0°时，BEV 上观察的左侧，实则为患者右侧。故只有将所有角度都归0°，才能保证BEV 上观察到的方向与投照时剂量探测装置的方向保持一致。这样才可以通过剂量探测装置接受照射的位置来判断计划通量的拆分方式。我们通过患者投照研究进一步证实了多弧设置与通量沿x轴方向进行相应拆分的机制。

针对Monaco 计划系统，以往的研究者报道了一些相关设置对治疗计划影响的研究。张勇和李锐杰[8]研究了Monaco 中优化函数对计划质量的影响。裴运通等[9]和 Palanisamy 等[10]分别研究了计算网格大小和统计不确定性对Monaco 剂量计算准确性的影响。洪楷彬等[11]和Wang 等[12]分别研究了控制点数量和最小子野宽度设置对Monaco 计划优化结果的影响。此外，噪声参数对计算效率和剂量计算精度的影响[13]和子野形状优化结合可调剂量率的适形弧技术在Monaco 中的应用情况[14]，也都有相应的研究结果。射野和弧数量对计划结果的影响也有诸多研究报道，比如， Nithya 等[15]研究了VMAT 射野角度以及弧数量的增加对计划结果的影响；另一些研究者探讨了不同病种应用VMAT技术时，弧数量的不同对治疗计划结果的影响[16-18]；Kalet 等[19]还研究了射野数量不同对计划的影响。但这些研究都是局限在弧数量≤2 的范围内进行的，而且针对弧数量的不同而产生的剂量学差异，并没有从本质上阐述其具体原因。特别是使用3 弧和4 弧时的剂量学结果在以往的文献中均未见报道。临床上很少使用3 弧或更多弧进行计划设计，究其原因，主要是考虑到治疗效率，以及绝大多数常规患者并不需要太高的剂量调制度。但了解了1 野多弧的通量拆分原理，这对物理师在进行VMAT 计划设计时，对于弧数量的选择提供了理论指导，对临床工作有实际意义。

综上所述，本研究通过计划模拟和剂量测量2 种方法分别证实了Monaco 计划系统采用1 野多弧设置时，计划系统是根据弧的数量将通量沿着x轴方向拆分成相应份数。了解Monaco 计划系统的通量拆分方式，可以更好地指导其在临床工作中的实际应用。

利益冲突所有作者声明无利益冲突

作者贡献声明杨金磊负责研究方法的设计、论文撰写；卜明伟、李舒畅负责计划模拟实验的具体实施、论文的修改、部分实验数据的整理；张为天、刘明喆、候凯然负责患者投照的具体实施、论文的修改、部分实验数据的整理；刘博宇负责研究主题的提出、研究方向的把握与指导、论文的审阅等