AAA 和AXB 算法在儿童髓母细胞瘤全脑全脊髓VMAT 中的剂量学差异

周 莉，刘 悦，2*

（1.自贡市第一人民医院儿科，四川自贡 643000；2.自贡市第一人民医院肿瘤科，四川自贡 643000）

0 引言

髓母细胞瘤是儿科人群中常见的恶性肿瘤，占所有儿童脑肿瘤的25%，在成年人中相对少见[1]。全脑全脊髓放射治疗（craniospinal irradiation，CSI）是髓母细胞瘤重要的治疗手段[2-3]。由于儿童髓母细胞瘤临床靶区（clinical target volume，CTV）的长度超过加速器射野宽度上限（40 cm），因此治疗计划需要多中心交错覆盖整个CSI 靶区。Prabhu 等[4]及Maddalo 等[5]基于C 型加速器研究了多中心容积调强放射治疗（volumetric modulated arc therapy，VMAT）技术在髓母细胞瘤中的应用，但由于机器结构的差异，C 型加速器上长靶区放射治疗计划对比环形加速器存在劣势[6]。Varian 公司的Halcyon 加速器是一款新型“环形”机架加速器，其采用单一6 MV 光子束非均整技术（flattening filter free，FFF）模式能量射束，配备双层多叶准直器（multi-leaf collimator，MLC），等中心处最大射野为28 cm×28 cm[5]。当前，Halcyon 加速器配置的Eclipse 计划系统采用各向异性算法（anisotropic analytical algorithm，AAA）和光子剂量（acuros external beam，AXB）算法。AAA 为基于模型的算法，其计算速度较快，因此成为临床治疗中的首选算法[6]。AXB算法作为新型的光子算法，计算速度慢于AAA，但有相关报道表明AXB 算法在非均匀介质中拥有更好的精度[7-10]。髓母细胞瘤靶区狭长且周围存在多种密度差异的危及器官（organ at risk，OAR），因此临床对其靶区剂量计算的准确率提出更高要求。本研究对比Halcyon 加速器下AAA 和AXB 算法在儿童髓母细胞瘤全脑全脊髓VMAT 计划中的剂量学差异，旨在为临床方案的选择提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料

回顾性选取2015 年2 月至2022 年8 月于自贡市第一人民医院接受CSI 的35 例患儿，其中男20例、女15 例，年龄为6～14 岁，中位年龄为9.3 岁。纳入标准：（1）KPS 评分≥70 分；（2）已完成放射治疗；（3）放射治疗前肝功能及血常规处于正常范围内。排除标准：（1）精神或意识异常患儿；（2）无法采用仰卧位固定体位进行放射治疗患儿；（3）恶病质状态患儿。

1.2 放射治疗定位及勾画

所有患儿使用头颈肩热塑膜和体部热塑膜固定，并采取仰卧位。使用飞利浦公司大孔径CT 进行扫描定位，扫描范围从患儿头顶至耻骨，扫描层厚为3 mm。由同一高年资医生勾画患儿全脑CTV（CTVbrain）和脊髓CTV（CTVcord），其中CTVcord包括颈C1～骶骨S3，将其按需分成上、下2 段分别予以定义，即上端脊髓CTVcord-up（颈C1～胸T10）和下端脊髓CTVcord-down（胸T11～骶骨S3），由CTVbrain、CTVcord-up和CTVcord-down叠加构成总CTV。于CTV 外放5 mm 生成计划靶区（planning target volume，PTV），PTV 同理分为PTVbrain、PTVcord-up和PTVcord-down。

1.3 计划设计

将35 例患儿的CT 及结构文件导入Halcyon 加速器，所有患儿PTV 的处方剂量为3 060 cGy/17f，单次剂量为180 cGy。为每例患儿分别制作AAA 计划和AXB 计划，共计70 个计划，并合为AAA 计划组和AXB 计划组。由于患儿靶区长度超过Halcyon 加速器的射野宽度（28 cm），故每个计划组由3 个计划（Plan1、Plan2和Plan3）叠加生成。儿童髓母细胞瘤CSI 的射野示意图如图1 所示。Plan1等中心记为ISO1，射野覆盖PTVbrain及部分PTVcord-up（颈C1～C7）；Plan2等中心记为ISO2，射野范围包含PTVcord-up和部分PTVcord-down（胸T11～T12）；Plan3等中心记为ISO3，射野范围包含PTVcord-down。Plan1和Plan2的射野叠加区为颈C1～C7，Plan2和Plan3的射野叠加区为胸T10～T12。计划设计采用Varian Eclipse 15.6 计划系统。计划组内Plan1、Plan2和Plan3均采用双弧照射，正弧旋转角度为179°～181°，准直器角度设置为10°；反弧旋转角度为181°～179°，准直器角度设置为350°。所有计划采用相同优化参数及光子优化（photon optimization，PO）算法，优化完成后分别采用和AAA 和AXB 算法计算。选择6 MV FFF模式，计算网格为2.5 mm，剂量率为800 MU/min。所有计划均由同一物理师制订完成，并经由主管物理师审核。

图1 儿童髓母细胞瘤CSI 射野示意图

1.4 计划评估

将PTV 剂量归一到100%处方剂量包裹95%靶区体积。靶区剂量学评估参数包括平均剂量（Dmean）、2%靶区体积接受的最大剂量（D2）、适形性指数（conformity index，CI）和均匀性指数（homogeneity index，HI）。其中CI 的计算公式为

式中，VT，ref表示接受剂量等于或大于处方剂量的靶区体积；Vref表示处方剂量覆盖总体积；VT表示PTV体积。CI 值越趋近于1 表示靶区适形性越好。HI 的计算公式为

式中，D98表示98%靶区体积接受的最小剂量；D50表示靶区中位剂量。HI 值越趋近于0 表示靶区均匀性越好。

OAR 包括眼球、心脏、肾脏、肝脏、肺、晶体、视神经和小肠，其剂量学评估参数包括左、右眼，心脏，左、右肾脏，肝脏的Dmean，左、右肺受5 Gy 剂量照射的体积百分比（V5）、受10 Gy 剂量照射的体积百分比（V10）、受20 Gy 剂量照射的体积百分比（V20）和Dmean，左、右晶体，左、右视神经和小肠的最大剂量（Dmax）。

1.5 统计学分析

采用SPSS 25.0 统计学软件进行数据分析，计量资料以x¯±s表示，并采用配对t检验进行分析，P<0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

35 例患儿AXB 计划组和AAA 计划组PTV OAR 剂量学参数比较结果详见表1。AXB 计划组和AAA 计划组PTV 及OAR 的效应量（R）和95%置信区间详见表2。结果表明，AAA 计划组的CI 低于AXB 计划组，差异有统计学意义（R=-0.55，95%置信区间为-0.95～-0.15，P=0.009）；AXB 计划组的HI 低于AAA 计划组，差异有统计学意义（R=0.68，95%置信区间为0.26～1.09，P=0.002），说明其拥有更好的均匀性；AAA 计划组PTV 的D2和Dmean均高于AXB 计划组，差异有统计学意义（D2：R=2.02，95%置信区间为1.61～2.44，P=0.001；Dmean：R=0.82，95% 置信区间为0.40～1.23，P=0.001）。

表1 AXB 计划组和AAA 计划组的PTV 及OAR 的剂量学参数比较（±s）

表1 AXB 计划组和AAA 计划组的PTV 及OAR 的剂量学参数比较（±s）

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表2 AAA 计划组和AXB 计划组PTV 和OAR 的效应量和95%置信区间比较

比较2 个计划组对OAR 的剂量学影响，可以看出AAA 计划组的左、右眼Dmean均高于AXB 计划组，差异有统计学意义（左眼Dmean：R=0.62，95%置信区间为0.21～1.04，P=0.005；右眼Dmean：R=0.66，95%置信区间为0.25～1.07，P=0.003）；AAA 计划组的左肺V5、V10、Dmean及右肺V5、V10、Dmean均高于AXB 计划组，差异有统计学意义（左肺V5：R=0.70，95%置信区间为0.29～1.11，P=0.002；左肺V10：R=1.26，95% 置信区间为0.85～1.67，P<0.001；左肺Dmean：R=0.92，95%置信区间为0.50～1.33，P<0.001；右肺V5：R=0.69，95%置信区间为0.28～1.10，P=0.002；右肺V10：R=1.02，95%置信区间为0.60～1.43，P<0.001；右肺Dmean：R=0.52，95%置信区间为0.11～0.94，P=0.015）。对于其他OAR 剂量学参数，2 个计划组间的R值和95%置信区间差异无统计学意义（P＞0.05）。

AXB 计划组和AAA 计划组双侧眼球和双侧肺的剂量分布差异对比图如图2 所示。对比图2（a）与图2（b）可见，AXB 计划组双侧眼球中800 cGy 剂量体积覆盖低于AAA 计划组。对比图2（c）与图2（d）可见，AXB 计划组双侧肺中的500 cGy 剂量体积覆盖低于AAA 计划组。

图2 AAA 计划组和AXB 计划组双侧眼球和双侧肺的剂量分布差异对比图

3 讨论

早期国内外学者对AAA 和AXB 算法的研究主要集中的于模体中的能量沉积差异。吴哲等[11]和吕晓平等[12]通过对AAA、AXB 算法和蒙特卡罗（Monte Carlo，MC）算法的研究发现在不同介质中AXB 算法拥有更接近于MC 算法的精度。Reis 等[13]则进一步研究了不同大小方形射野在2 种非均质模体（水-肺-水及水-骨-水）中的剂量分布。上述研究结论表明射野大小是影响AAA 和AXB 算法在模体中剂量沉积的重要因素，然而上述研究均侧重于传统C 型直线加速器，本研究使用的Halcyon 加速器移除了均整块与传统铅门，能量采用6 MV FFF 模式，其环形结构、高剂量率（800 MU/min）可配合更快的机架旋转速度（4 r/min），相比传统加速器更适合实施多中心长靶区治疗计划。

本研究发现相较于AAA 计划组，AXB 计划组靶区CI 更高的同时HI 更低，且靶区Dmean更低，表明AXB 算法在CSI 应用中更具优势。相关学者在鼻咽癌的研究中获得了相似的结论。Martin 等[14]使用6 MV FFF 能量，分析对比了AAA 和AXB 算法在头颈部放射治疗中的差异，发现相较于AAA，AXB 算法下PTV70bone（含有骨性物质的靶区）拥有更好的均匀性。Bufacchi 等[15]在鼻咽癌的研究中发现AXB 算法下的靶区Dmean优于AAA。然而上述结论却未能在肺部肿瘤的研究中复现。Muñoz 等[16]研究发现肺癌中AXB 算法的靶区Dmean和D50高于AAA。Gopalakrishnan 等[17]也发现AXB 算法和AAA 下靶区CI 差异无统计学意义（P＞0.05），但是AXB 算法下的HI 和Dmean参数均高于AAA。鼻咽癌、全脑全脊髓靶区与肺癌靶区剂量学差异的根本原因是靶区-OAR 的密度差异和靶区位置不同。肺癌靶区处于软组织及肺部空腔交界处，结合Reis 等[13]的水-肺-水模型研究发现，AXB 算法在非小野状态下（＞3 cm×3 cm）于水肺交界面的剂量沉积高于AAA，导致AXB 算法中肺部靶区的Dmean高于AAA。而全脑全脊髓靶区以高原子序数的骨性物质为主，靶区边界区域处于骨-软组织交界处。结合Reis 等[13]的水-骨-水模型研究发现，AAA 在交界处的剂量沉积显著高于AXB 算法，导致AAA 在靶区中的剂量结果（Dmean和D2）高于AXB 算法。此外，靶区剂量学参数D2代表了靶区的剂量热点。在儿童CSI 中，过高的剂量热点会造成儿童脊柱侧弯和生长停滞[17-18]，因此AXB 算法的D2较低可以降低患者放射治疗的副反应概率。

2 种算法对非均匀介质的处理不仅影响到靶区的剂量分布，还会影响到临近OAR 的剂量分布。由图2 可以看出，眼球中800 cGy 剂量覆盖的差异主要是因为在颧骨眶面及筛骨与眼球交界区域位置，AAA 过高估计了剂量沉积。在肺组织中的500 cGy剂量分布中，AXB 计划组略低于AAA 计划组。李珍等[19]在对肺癌的研究中发现AXB 算法下的双侧肺V5、Dmean均优于AAA，该结论与本研究结论基本一致，表明AXB 算法可有效降低肺部Dmean及V5。相关研究表明更高的V5及Dmean显著提高了放射性肺炎的发生概率，降低了患者术后的生存质量[20]。可见，AXB 算法在CSI 的临床中应用更有助于降低放射性肺炎的发生率，提高患者生存质量。

综上所述，儿童髓母细胞瘤CSI 的靶区狭长、邻近多种OAR，且靶区与周围OAR 密度存在差异，因此在CSI 计划中使用AXB 算法能改善靶区剂量的均匀性，有效降低因剂量不均而导致的儿童脊柱侧弯。此外，AXB 算法能够有效地减小患者肺和眼球的平均剂量，降低因放射治疗导致的副反应发生概率。因此，本研究推荐在Halcyon 加速器儿童全脑全脊髓VMAT 中使用AXB 算法代替AAA。

本研究不足之处在于CSI 靶区邻近OAR，OAR的种类繁多且密度变化较大，采用单纯的水-肺-水模型和水-骨-水模型分析剂量差异不够完善，难以真实地反映OAR 中剂量差异的本质。因此针对本研究的局限性，后续研究中将构建复杂模型，分析2 种算法在儿童CSI 中的能量沉积过程。