中华放射医学与防护杂志  2018, Vol. 38 Issue (10): 761-766   PDF    
引用本文
李娜, 冯革, 张旭, 尹策, 李黎, 贾明轩. 容积旋转调强计划计算分辨率对COMPASS验证通过率的影响[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2018, 38(10): 761-766, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2018.10.008.
容积旋转调强计划计算分辨率对COMPASS验证通过率的影响
李娜 , 冯革 , 张旭 , 尹策 , 李黎 , 贾明轩     
110023 沈阳, 中国医科大学附属盛京医院放射治疗室
收稿日期: 2018-03-19
通信作者: 贾明轩, Email:Jiamx@sj-hospital.org
[摘要] 目的 研究容积旋转调强放疗（VMAT）计划设计采用不同计算分辨率对COMPASS验证通过率的影响。方法 选取10例宫颈癌术后患者，在治疗计划系统上采用4种计算分辨率0.2 cm×0.2 cm×0.2 cm、0.3 cm×0.3 cm×0.3 cm、0.4 cm×0.4 cm×0.4 cm、0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm设计VMAT治疗计划。计划传至加速器上执行，由COMPASS实际测量重建并与TPS优化的剂量分布进行比较得到每个计划的偏差值，统计分析4种计划的偏差值是否有统计学意义。结果 肿瘤靶区的Dmean和D95，COMPASS测量重建结果表明Dmean偏差值的平均值< 0.5%，D95 < 1.3%，标准差均 < 1.0%。对于4种计划危及器官（OAR），其中左右股骨头的Dmean偏差值最大可达-6.7%、-7.0%、-8.0%、-5.8%，直肠V35偏差值最大可达-4.9%、-6.3%、-6.1%、-5.7%，是OAR中相应参数偏差值最大的两个器官。肿瘤靶区的γ通过率都在95%以上，标准差不超过2.5%；OAR除了股骨头γ通过率略低，在95%以上，标准差1.9%~6.1%不等，其余都达到98%以上，标准差 < 2.5%，差异均无统计学意义（P>0.05）。平均γ值的分析结果与γ通过率相一致，除了股骨头的平均γ值>0.4外，PTV和其余OAR的平均γ值都 < 0.4，差异均无统计学意义（P>0.05）。结论 采用0.2~0.5 cm计算分辨率优化宫颈癌术后VMAT计划，不影响COMPASS验证通过率。
[关键词] 容积旋转调强放疗     计算分辨率     验证通过率    
The impact of dose grid resolution during VMAT planning on COMPASS pass rate
Li Na, Feng Ge, Zhang Xu, Yin Ce, Li Li, Jia Mingxuan     
Department of Radiation Therapy, Shengjing Hospital Affiliated to China Medical University, Shenyang 110023, China
Corresponding author: Jia Mingxuan, Email:Jiamx@sj-hospital.org
[Abstract] Objective To investigate the impact of adopting different dose grid resolution during volumetric modulated arc therapy (VMAT) planning on COMPASS pass rate. Methods A total of 10 patients with cervical cancer were enrolled. Four types of VMAT plans (plan1, plan2, plan3, plan4) were designed for each patient, with dose grid resolution of 0.2 cm×0.2 cm×0.2 cm, 0.3 cm×0.3 cm×0.3 cm, 0.4 cm×0.4 cm×0.4 cm and 0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm, respectively. The plans were exported to Linac and conducted, then measured by COMPASS. The discrepancies were analyzed, which were obtained by comparing reconstructed dose from COMPASS and dose from TPS optimization. Results For tumor volume, the mean value of Dmean and D95 were < 0.5% and < 1.3% respectively, and the standard deviation were both < 1.0%. For organs at risk (OAR), the max discrepancies were Dmean of femur with -6.7%, -7.0%, -8.0%, -5.8%, and V35 of rectum with 4.9%, -6.3%, -6.1%, -5.7% in four types of VMAT plans. The γ (3%, 3 mm) rate of tumor volume was >95% with standard deviation < 2.5%, with no statistically significant difference among the four types of plans (P>0.05). The γ (3%, 3 mm) rate of OARs were >98% except femur (>95%), and the standard deviations were within 1.9%-6.1%, with no statistical significance (P>0.05). The average γ rate of tumor volume and OARs were < 0.4 except femur (>0.4), with no statistically significant difference among four types of VMAT plans (P>0.05). Conclusions COMPASS pass rate was not influenced by the dose grid resolution between 0.2~0.5 cm for VMAT plan.
[Key words] VMAT     Dose grid resolution     Pass rate    

容积旋转调强放疗(VMAT)是一种弧形调强放射治疗技术，机架旋转的同时多叶准直器(MLC)同步运动，剂量率和机架运动速度也随之不断变化[1-2]。VMAT技术能够达到靶区剂量的高适形度，保护周边正常组织，减少机器跳数(MU)和缩短治疗所需时间。为确保VMAT照射技术实施的精确性，放疗过程中的质量保证(QA)工作需要进行严格的剂量学验证[3]。传统的验证方法已经不能满足工作需要，一些更便利、更高效、更可靠的验证设备正逐渐应用于VMAT计划验证。COMPASS系统作为其中的一个三维剂量验证工具已经开始用于临床，通过对实际测量重建后得到的剂量分布与计划系统的计算结果进行γ分析给出通过率。有研究表明治疗计划的计算分辨率[4-6]会影响调强验证通过率，本研究将探讨宫颈癌术后VMAT计划设计采用不同计算分辨率对COMPASS验证通过率的影响，为调强计划验证的评价标准提供参考数据。

材料与方法

1.COMPASS系统：COMPASS系统(IBA公司，比利时)是一种三维剂量验证系统，由一个带角度探测器的二维电离室矩阵和一套基于患者CT图像进行患者体内剂量分布重建计算的软件系统组成。电离室阵列共有1 020个电离室，每个电离室中心间距为0.762 cm，该阵列探头上方自带等效水厚度为3 mm体模，配有角度传感器，可对测量结果进行角度响应修正。该系统将患者的CT图像、勾画的靶区和器官、治疗计划参数、剂量分布从治疗计划系统TPS导入，通过治疗计划参数得到预测通量分布，之后COMPASS系统可对预测通量进行计算得到患者CT图像上的三维剂量分布，该计算结果独立于治疗计划系统，因此COMPASS系统可作为第三方验证工具，同时又可在各个机架角度实际测量相应的子野通量，并与预测通量做比较，修正后重建得到患者CT图像上的三维剂量分布。

2.病例选择：选取2016年1月至2016年7月于中国医科大学附属盛京医院接受宫颈癌术后辅助放疗的患者10例(ⅡA期~ⅢA期)，年龄30~65岁，中位年龄51岁，无放疗禁忌证。

3.CT模拟定位：患者采用仰卧位，双腿并拢，双手上举至头顶，交叉互抱对侧手肘。使用盆腔固定板、低温热塑膜固定，模拟CT(飞利浦公司，荷兰)扫描，扫描范围自第一腰椎上缘至坐骨结节下5 cm，扫描层厚3 mm，将CT图像传输至治疗计划系统TPS(Pinnacle，version 9.10，飞利浦公司，荷兰)，由放疗医生勾画靶区和危及器官。

4.靶区和危及器官勾画：根据William等[7]总结的宫颈癌术后放疗靶区勾画方式以及Tyalor等[8]建议的淋巴结勾画方式，宫颈癌术后盆腔临床靶体积(CTV)包括阴道上段1/2及残端、阴道旁软组织和盆腔淋巴引流区域(包括髂总、髂外、髂内、闭孔及骶前淋巴结区)，范围为上界达第4~5腰椎间、下界达闭孔下缘水平。CTV上下、左右、前方向外扩8 mm，后方向外扩5 mm生成计划靶体积(PTV)。危及器官(OAR)包括脊髓、直肠、大肠、小肠、膀胱、左右股骨头。

5.治疗计划设计：计划设计在Pinnacle(version 9.10，飞利浦公司，荷兰)治疗计划系统上进行，双弧照射，旋转角度分别为181°顺时针至180°(CW)，180°逆时针至181°(CCW)，准直器旋转5°。处方剂量为45 Gy/25次，靶区剂量要求95% PTV受照剂量不低于处方剂量，最高剂量不高于处方剂量的107%。脊髓限制剂量为Dmax < 40 Gy，直肠、大肠剂量为V35 < 40%，小肠限制剂量为V35 < 25%，膀胱限制剂量为V35 < 50%，股骨头限制剂量为V40 < 5%。计算分辨率分别采用0.2 cm×0.2 cm×0.2 cm, 0.3 cm×0.3 cm×0.3 cm, 0.4 cm×0.4 cm×0.4 cm，0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm，每个患者分别对应设计4个计划plan1、plan2、plan3、plan4。

6.临床病例的验证和测试：将上述10例患者共40个计划的CT图像、勾画的靶区和器官、治疗计划参数、剂量分布从TPS导入COMPASS系统；计划传至直线加速器(Synergy，医科达公司，瑞典)上执行。COMPASS系统根据在加速器上实际测量的数据，重建出每个治疗计划的剂量分布，重建网格分辨率与TPS计算分辨率一致，并与TPS优化的剂量分布作γ(3%，3 mm)分析，比较两者的剂量体积直方图(DVH)，计算出肿瘤靶区平均剂量Dmean的偏差(ΔDmean)与95%体积的剂量偏差(ΔD95)，危及器官的Dmean偏差以及相应的剂量-体积参数偏差值，肿瘤靶区和危及器官的γ(3%，3 mm)通过率，γ值< 1代表通过，γ值>1为不通过；以及肿瘤靶区和危及器官的平均γ值。

7.统计学处理：使用SPSS 20.0软件进行分析。对患者4种计划的肿瘤靶区和危及器官的γ通过率和平均γ值方差齐性检验后做单因素方差分析，进一步两两比较采用独立样本t检验，P < 0.05为差异有统计学意义。

结果

1.TPS与COMPASS测量重建结果的比较：表 1和表 2为10例患者采用不同计算分辨率优化的VMAT计划与相应COMPASS测量重建结果比较，得到肿瘤靶区和危及器官平均剂量和剂量-体积参数的偏差值。肿瘤靶区的Dmean和D95，COMPASS测量重建计算结果表明plan1、plan2、plan3、plan4的偏差最大值分别是1.0%和-2.5%，1.0%和-1.8%，1.2%和-1.8%，1.4%和1.2%；Dmean偏差值的平均值都 < 0.8%，D95 < 1.3%，标准差均 < 1.0%。OAR平均剂量Dmean和相应的剂量-体积参数，左右股骨头的Dmean偏差值最大可达-6.7%、-7.0%、-8.0%、-5.8%，直肠V35偏差值最大可达-4.9%、-6.3%、-6.1%、-5.7%，是OAR中相应参数偏差值最大的两个器官。

表 1 TPS与COMPASS测量重建结果的比较(%，x±s) Table 1 The comparison between TPS and COMPASS reconstruction(%, x±s)

表 2 靶区和危及器官相关参数偏差值的最大值(%) Table 2 The maximum value of parameters for target and OARs(%)

2.TPS与COMPASS测量重建结果的γ分析：表 3和表 4为10例患者采用不同计算分辨率优化的VMAT计划与相应COMPASS测量重建结果比较得到的γ通过率和平均γ值。分析结果显示plan1、plan2、plan3、plan4中PTV的γ通过率都在95%以上，标准差不超过2.5%，差异无统计学意义(P>0.05)；OAR除了股骨头γ通过率略低，在95%以上，标准差1.9%~6.1%不等，其余都达到98%以上，标准差 < 2.5%，单因素方差分析、独立样本t检验两两比较均无统计学差异(P>0.05)。平均γ值的分析结果与γ通过率相一致，除了股骨头的平均γ值>0.5外，无论PTV还是OAR的平均γ值全部 < 0.4。

表 3 TPS与COMPASS测量重建结果的γ分析(%，x±s) Table 3 γ analysis between TPS and COMPASS reconstruction(%, x±s)

表 4 TPS与COMPASS测量重建结果的平均γ值 Table 4 Average γ between TPS and COMPASS reconstruction

讨论

传统的剂量验证方法如小体积电离室、胶片，与二维半导体矩阵、二维电离室矩阵都已经被应用于VMAT计划验证。小体积电离室能进行绝对剂量的验证，但是单点测量所提供的剂量信息十分有限。胶片测量能进行相对剂量的验证，具有较高的分辨率，但验证过程费时费力。二维半导体矩阵与二维电离室矩阵能提供单个平面的剂量信息，通过将测量的所有控制点的射野通量归一到一个固定的角度，与TPS计划相比较，但这样缺少旋转信息，容易忽略机架在旋转过程中产生的误差，不能代表实际临床治疗情况[9]。本研究中的COMPASS三维剂量验证系统可弥补上述剂量验证方法的缺点，采用与临床治疗相同的旋转照射方式，通过内嵌的算法模型重建得到患者三维方向上靶区和危及器官的剂量分布信息[10-11]。

使用Pinnacle(version 9.10)系统优化治疗计划，系统推荐计算分辨率值< 0.4 cm。计算分辨率越大，计划优化结果的精确度下降，计算分辨率减小，优化结果的精确度提高但优化时间明显延长。本研究中由于宫颈肿瘤靶区和危及器官的体积大，VMAT计划优化参数多，计算量庞大，分辨率选择 < 0.2 cm时系统显示优化失败。本研究选取0.2、0.3、0.4、0.5 cm 4种计算分辨率，其中0.5 cm不推荐临床使用。4种VMAT计划各自COMPASS测量重建结果显示，除了股骨头Dmean和直肠V35的偏差值超过3%，宫颈肿瘤靶区和危及器官的平均剂量和剂量-体积偏差值都在3%以内。本研究中4种计划的靶区和OAR相关参数偏差值中的最大值，可以得到股骨头Dmean偏差值最大可达-8.0%，直肠V35偏差值最大可达-6.3%，与陆军等[12]实验结果一致。这是由于COMPASS的电离室阵列的空间分辨率为0.762 cm，体积小的危及器官有效测量点数相对较少，导致其测量值与剂量计算值产生较大偏差。林海磊等[13]用偏心野和L形野测试的结果同样表明有效测量点数相对较少会导致偏差值增大。

4种计算分辨率优化的VMAT计划分别通过COMPASS测量重建后，γ分析结果显示，γ(3%，3 mm)通过率均在95%以上，plan1、plan2、plan3、plan4之间的差异无统计学意义；平均γ值结果中，股骨头值>0.4，靶区和其余危及器官均 < 0.4，4种计划的差异也没有统计学意义。结果说明对宫颈癌术后患者采用不同计算分辨率进行VMAT计划优化后，每种计划用COMPASS验证分析得到的通过率没有明显差异。

有研究表明二维剂量验证中计算分辨率对通过率有影响，随着计算分辨率的增大通过率降低。张达光等[4]使用面剂量验证工具对静态调强计划进行验证，结果表明面剂量分布的计算分辨率的增大会导致γ通过率的下降。曹午飞等[5]设计4种射野，在水模体中分别选取计算分辨率0.05~0.6 cm进行计算，二维剂量验证后，结果表明随着分辨率增大，γ通过率降低。张建英和江涛[6]通过分析Pinnacle计划参数对调强验证通过率的影响，结果也显示计算分辨率的增大会降低γ通过率。

本研究结果表明，采用不同计算分辨率优化VMAT计划，COMPASS验证通过率没有明显差异。原因可能是选取的病例单纯为宫颈癌术后患者，计划设计采用VMAT照射，其他部位的VMAT计划计算分辨率是否对γ通过率有明显影响需要进一步验证。另外，本研究选取的计算分辨率区间是0.2~0.5 cm，< 0.2 cm和>0.5 cm的区间没有纳入研究范围，有限的数据区间有可能导致结果无统计学意义。

Pinnacle计划系统优化治疗计划，系统推荐计算分辨率值< 0.4 cm。本研究结果显示，在优化宫颈癌术后VMAT计划时，剂量师可以采用0.2 cm至0.4 cm之间的计算分辨率，既能够保证精确性又可以节省时间，不影响COMPASS的验证结果。同时，COMPASS作为一个可靠的VMAT计划验证工具，保证患者治疗前剂量验证的实施。

利益冲突 本文作者无可对研究结果产生影响的不正当财务关系，在此对研究的独立性和科学性予以保证
作者贡献声明 李娜负责本论文的设计及撰写；冯革提出选题；张旭、尹策、李黎协助数据收集；贾明轩指导修改论文
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