中华放射医学与防护杂志  2015, Vol. 35 Issue (2): 119-122   PDF    
引用本文
杨金磊, 刘博宇, 路双臣, 卜明伟. Monaco与Pinnacle计划系统在肺癌容积旋转调强计划中的比较[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2015, 35(2): 119-122, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2015.02.010.
Monaco与Pinnacle计划系统在肺癌容积旋转调强计划中的比较
杨金磊1, 刘博宇1, 路双臣2, 卜明伟1     
1. 吉林省肿瘤医院放疗研究室, 长春 130012;
2. 吉林大学附属第二医院放疗科
收稿日期: 2014-04-01
通信作者：卜明伟,Email: zslywh@163.com
[摘要]    目的 比较Monaco和Pinnacle 2套计划系统设计的肺癌容积旋转调强(VMAT)计划的计划质量、治疗效率和剂量验证精度.方法 选取20例肺癌病例,其中左肺癌10例,右肺癌10例,分别利用Monaco 3.0和Pinnacle 9.2两套计划系统设计VMAT计划,比较2种计划的靶区适形度、均匀性、最大剂量(Dmax)、平均剂量(Dmean)与最小剂量(Dmin)及危及器官的受照剂量;比较治疗计划执行时间、机器跳数和剂量验证的准确性.结果 除PTV的Dmin外,Monaco计划靶区的其他各项剂量学指标都明显优于Pinnacle(t=5.927~12.034,P<0.05);2种计划除患侧肺V10、全肺V5外,Monaco计划肺的其他剂量学指标都差于Pinnacle(t=3.545~7.485,P<0.05),Monaco计划对心脏的保护明显优于Pinnacle(t=2.836~4.011,P<0.05),但较差的是Monaco计划执行时间(t=9.780,P<0.05)和MU数量(t=5.304,P<0.05).Monaco计划的Delta4验证结果优于Pinnacle(t=4.937,P<0.05).结论 对于肺癌的VMAT计划,Monaco与 Pinnacle两套计划系统都能满足临床应用要求;Pinnacle在肺的保护与计划执行方面有明显的优势,Monaco在靶区剂量分布和心脏的保护,以及剂量验证方面具有优势.
[关键词]     容积旋转调强     肺癌     计划系统    
Comparison of Monaco and Pinnacle treatment planning systems in volumetric modulated arc therapy optimization for lung cancer
Yang Jinlei, Liu Boyu, Lu Shuangchen, Bu Mingwei     
Department of Radiation Oncology, Jilin Cancer Hospital, Changchun 130012, China
[Abstract]    Objective To compare the performances of Monaco and Pinnacle treatment planning systems (TPS) for volumetric modulated arc therapy (VMAT) optimization regarding lung cancer. The TPS was compared in terms of dose distributions, treatment delivery parameters and quality control results.Methods For 20 patients, including 10 cases of left lung cancer and 10 cases of right lung cancer, two VMAT plans were generated for each case: one with Monaco 3.0 TPS and the other with Pinnacle 9.2 TPS. Two plans were compared among plan dosimetrie distribution. conformity index and homogeneity index of the targets, the average dose, maximum dose, minimum dose and interested dose volume histograms of organs at risk(OAR, and delivery time and MUs of the therapy plans, the accuracy of treatment plans dose verification.Results Monaco provided better PTV coverage than Pinnacle (t=5.927-12.034, P<0.05) except Dmin of PTV. Monaco had a worse sparing effect on lung than Pinnacle (t=3.545-7.485, P<0.05) except V10 of diseased side lung and V5 of total lung. In addition, Monaco had a better sparing effect on heart(t=2.836-4.011, P<0.05). Monaco had fewer delivery time(t=9.780, P<0.05)and MUs(t=5.304, P<0.05)of the therapy plans, and the pass rate of QA was better than Pinnacle(t=4.937, P<0.05).Conclusions For lung cancer patients, VMAT treatment plans obtained with Monaco and Pinnacle could offer clinically acceptable dose distributions. Pinnacle might have a better sparing effect on lung and fewer delivery time and MUs of the therapy plans. Monaco had a better PTV coverage and heart sparing. Moreover,Monaco had better accuracy of treatment plans dose verification.
[Key words]     Volumetric modulated arc therapy     Lung cancer     Planning system    

容积旋转调强(volumetric modulated arc therapy,VMAT)并不是一个新概念,早在1995年Yu[1]提出整套的在常规加速器上实现VMAT治疗的方法。在治疗过程中,VMAT可以实现不间断出束的同时,动态调节机架运动速度、照射剂量率和射野形状来增加治疗的自由度[2, 3, 4, 5],所以,VMAT治疗模式在理论上有着潜在的剂量学优势。在肺癌的放射治疗中,很多文献都报道了VMAT技术的剂量学特性,并指出可以减少计划MU数量,很大程度地减少治疗时间[6, 7, 8, 9, 10]。但是,并无文献报道利用不同厂家的计划系统(treatment planning system,TPS),所得到的肺癌VMAT计划结果的差异。本研究评估了Monaco 3.0和Pinnacle 9.2两套TPS所产生的肺癌VMAT计划结果的差异。

资料与方法

1. 定位与靶区勾画:选取20例在吉林省肿瘤医院放疗科接受放射治疗的肺癌病例,其中左肺癌10例,右肺癌10例,所有患者均采用仰卧位,双臂上抬交叉置额顶,热塑模配合体部固定板固定体位,CT扫描层厚为3 mm。扫描上界至环状软骨,下界达肾上腺。

由医师勾画大体肿瘤(GTV)、临床靶区(CTV)、计划靶区(PTV)及危及器官(OARs),包括心脏、脊髓和肺组织,GTV 包括临床和影像学所见肿瘤范围,CTV 由GTV 外放得到,向肺部方向外放5 mm,向转移淋巴结一侧外放5 mm。PTV 包括CTV 加上器官运动的范围以及摆位误差,由CTV外放5 mm 获得。处方剂量为6 000 cGy/30次。

2. 治疗设备:选用瑞典Elekta公司的Synergy加速器6 MV X射线;加速器光栅40对,等中心处光栅宽度为1.0 cm;加速器标定最大剂量率为600 MU/min,共7档剂量率,每档值为前一档减半;最小机架角剂量率为0.1 MU/级;最大机架转速8.0°/s;最大叶片运动速度2.4 cm/s;最小叶片间隙0.5 cm。

3. 计划设计:为方便比较研究,2种计划全部采用200°的一个顺时针的单弧完成,其中右肺癌计划的起止角度为181°/20°;左肺癌计划的起止角度为340°/180°。为避免多叶光栅(MLC)漏射平面与机架旋转平面平行,机头角设定为10°。

Monaco 3.0版本TPS的优化参数包含生物罚分函数与物理罚分函数,首先,分别对靶区及危及器官设置相应的优化函数,在第1步的通量优化过程中,选用危及器官优先,使用物理约束模型,进行1次优化。优化完成后,根据实际情况调整优化参数,并添加危及器官的生物约束模型,继续优化通量分布,当通量分布达到预期结果后,直接进入第2步的生成子野过程,添加对靶区Dmin和剂量体积直方图(DVH)的物理限制条件,换成靶区优先继续优化。计划设计中主要的参数设置如下:扇区角度20°,网格间距0.3 cm,计算精度3.0%,最大控制点数100,剂量率300 MU/min,最小叶片间距0.5 cm,通量平滑为"中"。

Pinnacle计划系统的VMAT计划设计是基于SmartArc模块实现的,优化的目标函数是利用物理点剂量定义的,为了弥补没有生物约束模型的不足,更好地保护肺和心脏,对并行器官设置2~3个物理点剂量约束。计划设计中主要的参数设置如下:剂量网格分辨率为0.4 cm,最终机架间距为4°,最大传输时间为150 s。

4. 计划参数比较:利用DVH比较和分析两种计划的剂量分布差别,剂量分布指标包括PTV的最大剂量(Dmax)、平均剂量(Dmean);最小剂量(Dmin)及PTV的均匀性指数(HI=D5/D95,其中,D5和D95分别为5％和95％的靶区体积所受到的照射剂量)、适形度指数(CI=VPTV、ref/VPTV×VPTV、ref/Vref,其中VPTV、ref为处方剂量覆盖的PTV体积;VPTV为PTV体积;Vref为处方剂量包绕的体积)、肺和心脏的平均剂量及受到特定剂量照射的体积;比较2种计划的MU数和计划执行时间、剂量验证精度。

根据以往的计划设计经验,2套TPS都可以对脊髓达到很好的保护效果,但是过度保护脊髓会增加肺脏受照剂量,不利于肺脏的保护,所以在计划设计时,仅严格限制脊髓的最大剂量＜4 000 cGy。本研究不对脊髓受照剂量作比较研究。

5. 统计学处理:数据用x±s形式表示。采用SPSS 16.0软件进行分析,组间比较采用配对t检验。P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

1. 剂量比较:所有计划都将覆盖95%PTV体积剂量归一为处方剂量。与Pinnacle计划相比,Monaco计划PTV的最大剂量减小约223.5 cGy(t=7.485,P<0.05);平均剂量更接近处方剂量,比Pinnacle计划少约79.3 cGy(t=5.927,P<0.05);CI(t=9.436,P<0.05)及HI(t=12.034,P<0.05)都优于Pinnacle计划。但是,PTV的最小剂量差异无统计学意义(表 1)。Monaco计划在靶区剂量分布方面的表现更加优秀。

表 1 20例肺癌患者2种计划PTV的剂量学参数、治疗效率及通过率的比较(x±s)

与Monaco计划相比,Pinnacle计划患侧肺、健侧肺及全肺的平均剂量分别减少约112.3 cGy (t=6.482,P<0.05)、135.3 cGy(t=4.894,P<0.05)和180.9 cGy(t=6.732,P<0.05);患侧肺的V20减少约4.8%(t=4.540,P<0.05);健侧肺的V10和V5分别减少约15.1%和8.9%(t=3.545、5.387,P<0.05);全肺的V20和V10分别减少约2.4%和7.9%(t=3.974、7.485,P<0.05)。但是,患侧肺的V10和全肺的V5差异无统计学意义(表 2)。在肺脏的保护方面,Pinnacle计划表现出明显的优势。

表 2 20例肺癌患者2种计划双肺及心脏的剂量比较(x±s)

与Pinnacle计划相比,Monaco计划心脏的V40和V30 分别减少约14.34%和15.53%(t=2.836、3.534,P<0.05);心脏的平均剂量也少约575.3 cGy(t=4.011,P<0.05,表 2)。Monaco计划在心脏的保护方面明显优于Pinnacle计划。

2. 剂量投递:与Monaco计划相比,Pinnacle计划的执行时间减少约1.01 min(t=9.780,P<0.05),MU数量减少约81.6(t=5.304,P<0.05)。利用Delta4测量的两种计划γ(3 mm/3%)通过率,结果发现,Monaco的通过率要比Pinnacle高约3%(t=4.937,P<0.05,表 1)。

讨 论

本研究利用Monaco和Pinnacle 2套计划系统设计肺癌VMAT计划,结果发现,Monaco 计划的靶区剂量及对心脏的保护要优于Pinnacle,但是对肺的保护方面,Pinnacle计划更具优势。和Monaco相比,Pinnacle计划有更多的剂量是集中在人体前后方向投递的,而在大部分肺癌病例中,前后方向都是保证肺脏避免接受过多低剂量照射的最佳角度,这可能是Pinnacle计划对肺保护更好、而对心脏的保护更差的原因之一。在肺癌的放射治疗中,对靶区剂量分布影响最大的危及器官是肺脏,Monaco在第2步优化时使用的"靶区优先"选项是为了获得更好的靶区剂量分布结果,而有意放松严重影响靶区剂量提升的肺脏的剂量限制。在实际应用中,就是减小为了保护肺脏而产生的剂量调制的复杂度,也就是减少前后方向射束的权重,增加靶区两侧穿射肺脏的射野权重。这样的结果就是增加肺脏的照射剂量,而对于靶区来说,因为增加靶区两侧入射方向的投射剂量,适当减小了前后方向的剂量调制压力,致使靶区剂量分布更优。同时,减少前后方向的投射剂量,也导致心脏获得了更好地保护。

由于优化、子野生成及剂量计算算法方面的差异,Pinnacle计划MU数量少,剂量投递效率高,在实际应用中发现,和Monaco相比,Pinnacle计划MLC射野面积相对较大,大面积的射野可以照射更多的靶区体积,和小面积子野相比MU利用率会更高,但是Pinnacle生成的子野偏窄,多为长条状,且不规则,而Monaco 子野安排采用"扫地序列",在光栅变换位置时,"引导光栅"先运动到一个位置,然后"跟随光栅"再按照设定的速度运动。这使得其生成的窄条野相对较少,这也许是其剂量验证结果优于Pinnacle的原因之一。同样,也可能正因为Pinnacle生成的子野形状不规则,才使得其剂量调制能力比Monaco更好,致使Pinnacle在肺脏保护方面表现更优。另外,在危及器官的DVH上Monaco可以利用生物目标函数进行无数个点位的剂量约束,虽然Pinnacle仅利用物理目标函数对危及器官进行剂量约束,但是同一器官利用多个物理目标函数对DVH上的多点进行约束时,可以适当弥补Pinnacle优化过程中缺少生物目标函数的不足。

因为Monaco的剂量计算采用蒙特卡罗算法,这使得其剂量计算更加准确,验证通过率也更高,但是优化速度相对于Pinnacle的采用的卷积/迭加算法要慢很多。另外,Monaco在计划设计时,初始的优化处方设置非常重要,优化过程中可以人为参与的地方很少,如若优化过程中发现需要修改优化的处方参数,必须重新进行第1步的通量优化,而Pinnacle进行优化时,物理师可以全程参与其中,随时根据计算结果修改处方,而不需要完全重新优化。所以,与Monaco相比,利用Pinnacle设计治疗计划需要的时间更少。

在实际工作中,很多单位会有2种或者2种以上的TPS,了解不同TPS间计划设计的区别以及同种病例利用不同TPS产生的计划结果间的差异,便于临床工作中根据实际情况选择不同的TPS设计治疗计划。

参考文献
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