2026, Vol. 46
2. 解放军总医院第七医学中心放疗科, 北京 100007
2. Department of Radiation Oncology, Seventh Medical Center, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100007, China
中枢神经系统放疗(craniospinal irradiation，CSI)是髓母细胞瘤等肿瘤的重要治疗手段[1-3]，也可作为累及中枢的急性淋巴细胞白血病干细胞移植的预处理方案[4-6]。其靶区范围广、形状复杂[7-8]，目前主要依赖医用直线加速器(linear accelerator，LA)和螺旋断层放射治疗机(helical tomotherapy，HT)治疗[9-11]。
治疗前严格的质量保证(quality assurance, QA)至关重要[12-14]。现行QA方法包括：基于均质模体的测量验证与基于软件的独立计算验证。测量验证过程耗时，增加设备负荷，且因商用探测器长度有限，对长靶区计划需分段测量，难以精确模拟患者实际解剖结构[15]。软件验证效率较高，但针对CSI计划的应用研究较少，虽Simiele等[16]开发了自动检查程序用于CSI计划的QA，但重点主要集中在靶区与计划指标审核。为此，本研究利用ArcherQA软件，对LA与HT执行的CSI计划进行剂量验证，并与测量结果及计划系统计算结果对比分析，旨在为临床提供一种高效、精确的QA解决方案。
资料与方法 1、资料收集收集2023年1月至2024年1月首都医科大学附属北京世纪坛医院放疗科的40例CSI放射治疗计划，其中髓母细胞瘤计划8例, 中枢白血病计划32例。患者年龄范围为2~42岁(中位年龄10.5岁)，≤10岁20例，11~18岁12例，＞18岁8例。计划靶区(planning target volume，PTV)在头脚方向长度48.5~87.0 cm(中位长度65.8 cm)。20例患者在美国Varian公司的VitalBeam直线加速器上进行容积旋转调强(volumetric modulated arc therapy, VMAT)技术治疗，收集了治疗前Portal Dosimetry (PD) 的测量验证数据。另20例患者在美国Accuray公司的Radixact螺旋断层放射治疗机上进行治疗，收集治疗前Matrixx测量验证数据。
2、计划设计与验证计划LA治疗计划在Eclipse(V15.6) TPS中设计，采用6 MV光子线，选用Acuros XB Algorithm(Axb)算法，启用自动羽化功能[17]，优化多个等中心计划。依据患者PTV头脚方向的长度设置等中心数量；长度≤ 60 cm，设置两个等中心；＞60 cm，则设置3个等中心。PTV依照等中心的数量被均匀分割为头颈段靶区、脊柱段靶区1及脊柱段靶区2，相邻靶区间设5 cm重叠区域作为射野衔接区，分别命名为：交叠区1与交叠区2。计划设计完成后按照等中心拆分为两个或三个子计划执行，剂量验证时分段测量头颈段和脊柱段靶区的剂量，与TPS中的剂量分布进行逐一比对。HT照射时，治疗计划在Precision(V1.1.1.1) TPS中设计，计划不需要分段照射，不存在射野衔接问题。但因验证设备Matrixx的测量尺寸问题，无法进行完整的PTV验证，因此本研究同样按照上述规则进行分段验证。
3、测量验证设备与软件验证系统在LA上治疗的20例计划，通过PD进行治疗前测量验证。利用LA自带的非晶硅电子射野影像装置(a-Si EPID)，该系统具备高分辨率和快速数据采集能力，有效探测面积为40 cm×30 cm。利用特定算法将测量数据精准转化为二维剂量分布图，随后叠加各射野的剂量分布与TPS计算结果进行对比，最终采用γ分析法来评估计划的准确性。在HT治疗的20例计划，通过Matrixx二维电离室阵列(IBA Dosimetry AB, Uppsala, Swenden)进行治疗前测量验证。Matrixx系统由精密的平板探测器和配套软件组成，平板探测器核心是由1 020个高灵敏度的圆柱形通气电离室组成，有效测量面积为24 cm×24 cm，测量时为满足散射条件，将矩阵嵌入到MiniPhatom(IBA Dosimetry AB, Uppsala, Swenden)固体水模体中，模体尺寸为38.4 cm×30.0 cm×14 cm。软件验证选用ArcherQA软件，由中国科学技术大学核医学物理研究所与安徽慧软公司联合研发，基于蒙特卡罗算法和GPU高性能计算平台，能依据患者真实CT数据快速重新计算体内三维剂量分布，并与TPS剂量分布对比分析。
4、测量验证设备校准与软件验证系统测试在临床应用前，参照国家肿瘤质控中心发布的指南[14]，对PD及Matrixx测量设备分别在LA和HT上完成了剂量学参数校准，确保设备的准确性。ArcherQA剂量验证软件系统中LA建模数据来源于本单位TPS中的建模数据，HT建模数据来源于厂家提供的金标准数据，并参照李仕军等[18]方案进行束流测试。在临床应用前，已通过200例既往临床病例(涵盖头颈、胸部、乳腺、腹部及盆腔部位)进行端到端临床测试验证，并与PD及Matrixx的测量验证结果进行对比分析，结果显示，ArcherQA与测量数据的γ通过率高度一致，验证了其在LA及HT建模中的准确性及临床适用性。
5、研究方法(1) 测量验证：LA治疗的计划，治疗前已完成PD分段测量。在ARIA(V15.1)软件的PD模块中，将各射野采集的图像合成为剂量图像，与TPS中的计算结果进行自动配准，执行了多种标准(3%/3 mm、3%/2 mm、2%/3 mm、2%/2 mm，TH=10%)下的二维γ分析，记录各段γ通过率。HT治疗的计划，治疗前已完成Matrixx分段测量工作，在myQA(V2.10.20.0)软件的myQA Patients模块中，实现采集图像与TPS导入图像的自动配准，按相同标准进行二维γ分析并详细记录各段的γ通过率。
(2) ArcherQA软件验证：将Eclipse和Precision TPS中的患者CT影像、计划、结构及剂量数据以DICOM格式导入ArcherQA软件数据库。软件自动调用蒙特卡罗引擎进行独立计算，完成后展示三维剂量分布、计划参数对比分析及关键感兴趣区域(ROI)的参数等详尽分析结果，并与TPS的剂量进行比较，记录并统计不同标准下的γ通过率及ROI剂量学对比数据。
(3) 数据对比：将PD、Matrixx数据与ArcherQA的计算数据进行对比，对头颈段靶区和脊柱段靶区在不同标准下的γ通过率进行详细的分析比较；将ArcherQA的计算的数据与Eclipse、Precision TPS中的数据进行对比分析，统计记录眼晶状体最大剂量(Dmax)、双肺、心脏及肾脏平均剂量(Dmean)的数值和不同标准下的γ通过率。ArcherQA软件验证可以得到PTV全局γ通过率，但为与测量验证结果进行对比分析，分别统计头颈段靶区及脊柱段靶区的剂量学数据及γ通过率，并对LA病例中的射野交叠区1和交叠区2进行同样的统计分析。
6、统计学处理应用Jamovi(V2.3.28.0)软件，先对数据进行描述分析。对比数据前进行正态性检验(Shapiro-Wilk)，若符合正态分布采用配对样本t检验，以 x±s表示，若不符合正态分布采用配对样本Wilcoxon符号秩检验。P＜0.05为差异具有统计学意义。
结果 1、ArcherQA的验证结果ArcherQA软件验证系统在不同标准(3%/3 mm、3%/2 mm、2%/3 mm、2%/2 mm，TH=10%)下的通过率列于表 1，结果显示LA计划和HT计划的全局γ通过率均>95%。整体靶区在2%/2 mm标准下的通过率略低，LA为87.9(78.6，91.7)、HT为92.6(81.8，97.4)，其他标准下的通过率均在97%以上；头颈段靶区和脊柱段靶区中，同样在2%/2 mm标准下通过率最低，LA分别为88.6(77.5，92.7)和85.5(80.7，90.2)，HT分别为94.9(84.1，97.8)和87.9(75.7，97.5)，其他标准均>90%。计划射野交叠区在2%/2 mm标准下的通过率最低，分别为84.9(74.8，91.7)和83.8(79.3，91.9)，其他标准下均>90%。危及器官(双肺、双肾、心脏及肝脏)的通过率极高，各标准间差异微小；而眼晶状体在LA计划中通过率极高，在HT计划中2%/2 mm标准下通过率为91.8(80.6，100.0)，且不同标准间波动显著。总体而言，HT计划通过率明显优于LA计划，尤其在2%/2 mm标准下表现更为突出。
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表 1 ArcherQA软件验证系统在不同标准下的通过率[中位数(最小值，最大值)] Table 1 ArcherQA-derived γ pass rates under different criteria [M (min, max)] |
2、ArcherQA与TPS中的剂量学差异
(1) ArcherQA与Eclipse计划系统的靶区及危及器官剂量学对比：结果列于表 2。ArcherQA与TPS比较，PTV、交叠区1、交叠区的Dmean指标差异无统计学意义(P＞0.05)；而PTV的Dmax较TPS偏高1.53(t=7.80，P＜0.001)，D95%偏低0.36(t=-8.42，P＜0.001)差异有统计学意义；交叠区1、交叠区2的Dmax与D95%差异有统计学意义(t=7.84，P＜0.001；t=-6.01，P＜0.001；t=4.88，P=0.001；t=-2.53，P=0.036)；危及器官的各项指标变化不大，均符合临床要求。
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表 2 LA靶区及危及器官剂量学比较 Table 2 Dosimetric comparison of target volumes and organs at risk between ArcherQA and Eclipse TPS |
(2) ArcherQA与Precision计划系统的靶区及危及器官剂量学对比：结果列于表 3，在PTV的D95%指标中，ArcherQA计算结果比TPS低0.39，差异有统计学意义(t=-8.19，P＜0.001)；危及器官各项指标变化不大，均符合临床要求。
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表 3 ArcherQA和Precision计划系统靶区及危及器官剂量学比较 Table 3 Dosimetric comparison of target volumes and organs at risk between ArcherQA and Precision TPS |
3、ArcherQA与测量验证的通过率差异
(1) ArcherQA与PD测量的γ通过率对比：结果列于表 4。统计分析显示，在所有标准(3%/3 mm，3%/2 mm，2%/3 mm，2%/2 mm，TH=10%)下，PD测量的通过率数值普遍高于ArcherQA计算的通过率，差异有统计学意义(P＜0.001)。ArcherQA在头颈段靶区的3%/3 mm、3%/2 mm、2%/3 mm标准下，通过率均超过95%；在脊柱段靶区中，通过率也均超过90%。
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表 4 PD测量通过率与ArcherQA计算通过率的比较[中位数(最小值，最大值)] Table 4 Comparison of γ pass rates determined using the PD and ArcherQA [M (min, max)] |
(2) ArcherQA与Matrixx测量的γ通过率对比：结果列于表 5。统计结果显示，在头颈段靶区评估中，ArcherQA的计算通过率均高于Matrixx的测量通过率，差异有统计学意义(P＜0.05)。但在脊柱段靶区的评估中，差异无统计学意义(P＞0.05)。
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表 5 Matrixx测量通过率与ArcherQA计算通过率的比较[中位数(最小值，最大值)] Table 5 Comparison of γ pass rates determined using the Matrixx and ArcherQA [M (min, max)] |
讨论
ArcherQA是一款基于高精度蒙特卡罗算法的剂量验证软件，其核心优势在于通过虚拟源参数模型高效模拟治疗机机头结构，并快速生成三维剂量分布与体积直方图(DVH)，可适配不同类型的加速器。其验证模型的准确性已获众多学者的证实。有研究验证了其在磁共振加速器中剂量计算的准确性[19-20]，以及在射波刀中的适用性[21]。相较于传统测量方法，该工具能直接基于患者CT图像实现剂量计算，解决了长靶区计划验证中射野衔接区剂量覆盖评估困难的问题，为临床剂量验证提供了高效、可溯源的解决方案。
本研究中，ArcherQA验证结果表明，不同标准下LA计划和HT计划的全局γ通过率均超过95%，表明其在不同治疗计划系统中具有良好的适用性和准确性。LA计划的通过率普遍低于HT计划，这可能与其多中心照射技术及射野衔接区域的剂量分布不均有关，Peppa等[22]和Wang等[23]通过胶片和Delta4探测器也发现了这一问题。在危及器官方面，双肺的通过率高且稳定，而HT计划中眼晶状体的通过率波动较大，可能与不同TPS在眼晶状体附近区域的剂量计算特性有关，需进一步探究其原因。总体HT计划通过率高于LA计划，可能是因为HT系统在剂量分布的均匀性和准确性上有一定优势，与Turcas等[24]的报道一致。在ArcherQA与TPS的剂量学对比中发现，仅有Dmax和靶区D95%两项指标有统计学意义，Dmax点剂量在临床意义不大，但D95%指标的下降可能提示在射野交叠区存在处方覆盖不足的可能，蔡晓君等[25]利用测量验证也证实了这一观点。
测量验证结果对比中，PD测量通过率普遍高于ArcherQA，可能是因为PD测量未考虑患者解剖结构，而ArcherQA充分考虑了人体解剖结构的异质性，在部分标准下仍能保持较高通过率，证明了ArcherQA的可靠性，同时能够为临床提供一个更真实的剂量评估。Matrixx测量对比中，头颈段靶区通过率显著低于ArcherQA，而脊柱段靶区差异不显著，观察发现差异较大的区域集中出现在头颈部的空腔内，与王鹏辉等[26]ArcherQA在鼻咽癌调强放疗计划中的研究结果一致。Matrixx测量时存在较多的误差因素，这些误差因素可能与测量设备的分辨率、模体摆位等因素相关。
ArcherQA以其高效、精确的计算能力，在CSI放疗的三维剂量验证中优势明显。该系统不仅能够快速生成三维剂量分布和DVH，还为LA治疗中的衔接区域提供精确的剂量验证，为解决传统分段测量验证的复杂难题提供了有力支持。但本研究仅基于本中心40例CSI计划，未涵盖其他中心病例及其他病种，可能影响研究结果的广泛适用性。未来的研究应扩大样本范围，探索ArcherQA在其它先进放疗技术中的应用潜力，以进一步提升其在放疗质量保证领域的地位，为放疗的安全性和有效性提供更全面的解决方案。
利益冲突 无
作者贡献声明 王钦负责方案执行、数据分析和论文撰写；郁艳军、王秀楠负责数据统计和剂量验证；倪文婕参与数据处理与统计学分析；张富利负责课题构思、流程指导、软件支持以及论文修改；穆晓峰负责论文指导及修改
| [1] |
Ozair A, Wilding H, Bhanja D, et al. Leptomeningeal metastatic disease: New frontiers and future directions[J]. Nat Rev Clin Oncol, 2025, 22(2): 134-154. DOI:10.1038/s41571-024-00970-3 |
| [2] |
孙晓非, 汪洋, 王翦, 等. 中国髓母细胞瘤整合诊治指南[J]. 癌症, 2023, 42(3): 146-157. Sun XF, Wang Y, Wang J, et al. Chinese Guidelines for the integrated diagnosis and treatment of medulloblastoma[J]. Chin J Cancer, 2023, 42(3): 146-157. |
| [3] |
Gottardo NG, Gajjar A. Verschlimmbesserung: Craniospinal radiotherapy is essential in WNT medulloblastoma patients[J]. Clin Cancer Res, 2023, 29(24): 4996-4998. DOI:10.1158/1078-0432.CCR-23-2331 |
| [4] |
Hiniker SM, Agarwal R, Modlin LA, et al. Survival and neurocognitive outcomes after cranial or craniospinal irradiation plus total-body irradiation before stem cell transplantation in pediatric leukemia patients with central nervous system involvement[J]. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2014, 89(1): 67-74. DOI:10.1016/j.ijrobp.2014.01.056 |
| [5] |
Mayadev JS, Douglas JG, Storer BE, et al. Impact of cranial irradiation added to intrathecal conditioning in hematopoietic cell transplantation in adult acute myeloid leukemia with central nervous system involvement[J]. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2011, 80(1): 193-198. DOI:10.1016/j.ijrobp.2010.01.062 |
| [6] |
中国抗癌协会血液肿瘤专业委员会, 中华医学会血液学分会白血病淋巴瘤学组. 中国成人急性淋巴细胞白血病诊断与治疗指南(2024年版)[J]. 中华血液学杂志, 2024, 45(5): 417-429. Hematology Oncology Committee, Chinese Anti-Cancer Association, Leukemia & Lymphoma Group, Chinese Society of Hematology, Chinese Medical Association. Chinese guideline for diagnosis and treatment of adult acute lymphoblastic leukemia (2024)[J]. Chin J Hematol, 2024, 45(5): 417-429. DOI:10.3760/cma.j.cn121090-20240319-00102 |
| [7] |
Salkeld AL, Sykes J, Fernandez J, et al. Quality assurance and other challenges in paediatric radiotherapy: Accurate delivery of craniospinal radiotherapy[J]. J Med Imaging Radiat Oncol, 2025, 69(3): 388-394. DOI:10.1111/1754-9485.13721 |
| [8] |
Pichandi A, Ganesh KM, Jerrin A, et al. Cranio spinal irradiation of medulloblastoma using high precision techniques-a dosimetric comparison[J]. Technol Cancer Res Treat, 2015, 14(4): 491-496. DOI:10.1177/1533034614500421 |
| [9] |
Prabhu RS, Dhakal R, Piantino M, et al. Volumetric modulated arc therapy (VMAT) craniospinal irradiation (CSI) for children and adults: A practical guide for implementation[J]. Pract Radiat Oncol, 2022, 12(2): e101-e109. DOI:10.1016/j.prro.2021.11.005 |
| [10] |
Lee J, Kim E, Kim N, et al. Practical aspects of the application of helical tomotherapy for craniospinal irradiation[J]. Sci Rep, 2021, 11(1): 6120. DOI:10.1038/s41598-021-85574-y |
| [11] |
徐英杰, 胡志辉, 黄鹏, 等. TomoDirect技术在全脑全脊髓放疗中的应用[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2015, 35(6): 445-448. Xu YJ, Hu ZH, Huang P, et al. Application of TomoDirect for craniospinal irradiation[J]. Chin J Radiol Med Prot, 2015, 35(6): 445-448. DOI:10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2015.06.010 |
| [12] |
Miften M, Olch A, Mihailidis D, et al. Tolerance limits and methodologies for IMRT measurement-based verification QA: Recommendations of AAPM Task Group No. 218[J]. Med Phys, 2018, 45(4): e53-e83. DOI:10.1002/mp.12810 |
| [13] |
Hodapp N. The ICRU Report 83: Prescribing, recording and reporting photon-beam intensity-modulated radiation therapy (IMRT)[J]. Strahlenther Onkol, 2012, 188(1): 97-99. DOI:10.1007/s00066-011-0015-x |
| [14] |
国家肿瘤质控中心国家癌症中心. 基于EPID和MLC运行日志文件的调强放疗在线剂量验证实践指南[J]. 中华放射肿瘤学杂志, 2024, 33(1): 1-6. National Cancer Center/National Cancer Quality Control Center. Practice guidelines of patients-pecific online dosimetric verification based on EPID and MLC log files for intensity-modulated radiotherapy[J]. Chin J Radiat Oncol, 2024, 33(1): 1-6. DOI:10.3760/cma.j.cn113030-20230602-00147 |
| [15] |
Seravalli E, Bosman M, Lassen-Ramshad Y, et al. Dosimetric comparison of five different techniques for craniospinal irradiation across 15 European centers: analysis on behalf of the SIOP-E-BTG(radiotherapy working group)[J]. Acta Oncol, 2018, 57(9): 1240-1249. DOI:10.1080/0284186X.2018.1465588 |
| [16] |
Simiele E, Romero IO, Wang JY, et al. Automated contouring, treatment planning, and quality assurance for VMAT craniospinal irradiation(VMAT-CSI)[J]. Front Oncol, 2024, 14: 1378449. DOI:10.3389/fonc.2024.1378449 |
| [17] |
魏场超, 龚娅玲, 魏伟, 等. 基于自动羽化法的全脑全脊髓VMAT计划稳健性分析[J]. 现代肿瘤医学, 2022, 30(23): 4349-4354. Wei CC, Gong YL, Wei W, et al. Robustness analysis of craniospinal irradiation with VMAT based on automatic feathering technique[J]. Modern Oncol, 2022, 30(23): 4349-4354. DOI:10.3969/j.issn.1672-4992.2022.23.026 |
| [18] |
李仕军, 高宁, 程博, 等. 螺旋断层放疗的快速蒙特卡罗剂量验证模块开发[J]. 中国医学物理学杂志, 2024, 41(11): 1321-1326. Li SJ, Gao N, Cheng B, et al. Development of a fast Monte Carlo dose verification module for helical tomotherapy[J]. Chin J Med Phys, 2024, 41(11): 1321-1326. DOI:10.3969/j.issn.1005-202X.2024.11.001 |
| [19] |
Li S, Cheng B, Wang Y, et al. A GPU-based fast Monte Carlo code that supports proton transport in magnetic field for radiation therapy[J]. J Appl Clin Med Phys, 2024, 25(1): e14208. DOI:10.1002/acm2.14208 |
| [20] |
Li Y, Sun W, Liu H, et al. Development of a GPU-superposition Monte Carlo code for fast dose calculation in magnetic fields[J]. Phys Med Biol, 2022, 67(12). DOI:10.1088/1361-6560/ac7194 |
| [21] |
Zhou P, Chang Y, Li S, et al. Clinical application of a GPU-accelerated monte carlo dose verification for cyberknife M6 with Iris collimator[J]. Radiat Oncol, 2024, 19(1): 86. DOI:10.1186/s13014-024-02446-1 |
| [22] |
Peppa V, Zoros E, Alexiou A, et al. Dose delivery uncertainties assessment in the field junction region of craniospinal irradiation with Volumetric Modulated Arc Therapy using a robustness index and experimental dose verification[J]. PLoS One, 2024, 19(11): e0313260. DOI:10.1371/journal.pone.0313260 |
| [23] |
Wang K, Meng H, Chen J, et al. Plan quality and robustness in field junction region for craniospinal irradiation with VMAT[J]. Phys Med, 2018, 48: 21-26. DOI:10.1016/j.ejmp.2018.03.007 |
| [24] |
Turcas A, Kelly SM, Clementel E, et al. Tomotherapy for cranio-spinal irradiation[J]. Clin Trans Radiat Oncol, 2023, 38(Suppl C): 96-103. DOI:10.1016/j.ctro.2022.11.003 |
| [25] |
蔡晓君, 郭建, 周菊英, 等. 基于仰卧位全脑全脊髓无缝整体调强技术可行性研究[J]. 中华放射肿瘤学杂志, 2018, 27(12): 1078-1082. Cai XJ, Guo J, Zhou JY, et al. Feasibility of integrated IMRT technique for craniospinal irradiation in a supine position[J]. Chin J Radiat Oncol, 2018, 27(12): 1078-1082. DOI:10.3760/cma.j.issn.1004-4221.2018.12.010 |
| [26] |
王鹏辉, 宫帅, 丁寿亮, 等. ArcherQA三维剂量验证系统在鼻咽癌调强放疗计划中的应用[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2022, 42(8): 598-604. Wang PH, Gong S, Ding SL, et al. Application of the ArcherQA three-dimensional dose verification system in intensity-modulated radiotherapy plans for nasopharyngeal carcinoma[J]. Chin J Radiol Med Prot, 2022, 42(8): 598-604. DOI:10.3760/cma.j.cn112271-20220409-00150 |