Acuros XB与AAA算法在鼻咽癌VMAT计划验证中的差异

陆佳扬 张基永 张武哲 吴丽丽 谢文佳 谢良喜

(汕头大学医学院附属肿瘤医院放疗科，广东 汕头 515041)

临床上Eclipse放射治疗计划设计系统(Treatment Planning System，TPS，Varian Medical Systems，Palo Alto，USA)用于外照射光子剂量计算的常用算法是各向异性分析算法(AAA)。近年，Eclipse系统推出了一种全新的外照射光子剂量算法，全称为Acuros External Beam Algorithm，简称 Acuros XB或 AXB。AXB与AAA的计算机制不同:AAA采用卷积/叠加(C/S)的方法进行计算，而AXB则采用求解线性玻耳兹曼输运方程(LBTE)的方法进行计算。目前国内对AXB算法的研究报道很少。为了增加对这种新计算模型的了解，并为其在临床放射治疗实践的安全应用提供相关的物理实践数据，有必要对新算法的特性进行探讨研究。本研究选择鼻咽容积调强放疗(VMAT)计划，移植到临床工作常用的模体上进行剂量验证，探讨两种算法验证结果的差异，以及两者计算效率的差别。

1 材料与方法

1.1临床资料 随机选取本科室已实际实施的19例鼻咽癌患者(年龄60～81岁)的VMAT计划。肿瘤原发灶的计划靶区的处方定义为95%靶区体积所接受的剂量，设为70 Gy。每个计划均采用6 mV能量光子束的双弧射野照射，机架旋转幅度为358°，顺时针方向弧形射野准直器角度为30°，逆时针方向弧形射野准直器角度为330°，机架旋转每2°为一个控制点(control point)，平均机器监测跳数(MU)为(540±69)。

1.2仪器设备 测量三维Gamma值采用Delta4(Scandidos，Uppsala，Sweden)三维半导体探测器阵列。Delta4是由测量部件镶嵌于圆柱形模体中间所构成。其测量部件是p型硅半导体，其圆柱形模体的材料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，有机玻璃)，密度为1.19 g/cm3，相对电子密度1.147。Delta4的CT影像为厂家提供的均匀PMMA等效的圆柱体(HU-密度转换表:－1 024 HU=0 g/cm3，0 HU=1 g/cm3，217 HU=1.19 g/cm3)。测量点剂量采用IBA公司的验证点剂量的I'mRT头部模体(材料为RW3，密度1.045 g/cm3)，Farmer型指形电离室 FC65-G(灵敏体积0.65 cm3，有效半径0.31 cm)，以及剂量仪DOSE-1。治疗计划设计系统Ecliipse版本10.0，AXB算法版本10.0.28，使用dose to water剂量报告模式。直线加速器为Varian公司的TueBeam，按照美国医学物理学会(AAPM)TG-51报告进行校准。

1.3方法

1.3.1制作模体计划 将19例鼻咽癌VMAT计划分别移植至Delta4和I'mRT模体图像，生成验证计划。验证计划的机架、铅门、MLC和MU数等治疗参数与原治疗计划保持一致，计算网格尺寸为2.5 mm，加入虚拟治疗床板Exact IGRT Couch top(thin)，分别使用AXB和AAA计算剂量分布;将计划的RT dose和RT plan以DICOM格式文件从Eclipse计划系统导入Delta4软件中，为后面的测量做准备。制作I'mRT模体计划时，在计算完成后选择模体剂量均匀处放置测量点，并以测量点为中心勾画直径为0.62 cm、体积为0.65 cm3的小圆柱体，模拟测量电离室灵敏体积，其平均剂量代表计划中的点剂量〔1〕。同时，记录两种算法的计算耗时。AXB及AAA计算剂量的时候采用分布式计算框架(DCF)加快计算的速度，DCF的功能是利用局域网中闲置的Eclipse工作站资源(本科室拥有9台Eclipse工作站)参与本机计划的剂量计算。

1.3.2剂量测量

1.3.2.1Delta4模体三维剂量测量 在使用Delta4对VMAT计划进行验证之前，使用直线加速器和Delta4配套校准模体对Delta4进行校准，包括参考剂量校准、相对剂量校准、绝对剂量校准、方向性校准。校准完测量一个10×10 cm2四野开野盒式照射计划并保存为日常校准的参考基准〔2〕。进行计划验证测量时，连接Delta4硬件，预热15 min，使用激光灯对齐，准确摆位。打开Delta4软件，校准温度，做一次日常校准，与参考基准对比，得出Daily Correction Factor校准当次加速器输出量产生的误差成分。对19例鼻咽癌VMAT模体计划实施测量，测量完软件自动保存测量数据。

1.3.2.2I'mRT模体点剂量测量 连接DOSE-1剂量仪与Farmer型指形电离室，电离室探头放置于I'mRT模体中与计划设计一致的测量点位置，经气压、温度和本底信号校准后开始实施测量，记录剂量仪读数，并修正为吸收剂量。

1.4评估指标 使用3 mm/3%(3 mm DTA，3%dose deviation)、2 mm/2%(2 mm DTA，2%dose deviation)两种标准进行Gamma分析，记录Gamma通过率，结果简记为Gamma_3 mm/3%和Gamma_2 mm/2%〔3〕。Gamma_3 mm/3% ≥90%为验证通过。点剂量误差采用以下公式进行计算:(计划值－实测值)/实测值×100%。点剂量误差≤ ±3%为验证通过。

1.5统计学处理 使用SPSS19.0统计软件进行双尾配对样本t检验。

2结果

使用Delta4验证，AXB与AAA算法的Gamma通过率均大于90%，符合要求，两者差异不显著(P＞0.05)，两种算法与实测剂量的符合度相似。使用I'mRT头部模体和电离室进行验证，两种算法点剂量误差均＜3%，符合要求，两者差异显著(P＜0.05)，AXB比AAA更接近实测剂量:AXB的点剂量误差比AAA的点剂量误差小，但两者差异的绝对值小，范围是－0.3% ～2.1%。见表1。

表1 鼻咽癌VMAT计划验证中AXB与AAA算法的Gamma通过率及点剂量误差(s，%，n=19)

表1 鼻咽癌VMAT计划验证中AXB与AAA算法的Gamma通过率及点剂量误差(s，%，n=19)

评估指标 AXB AAA AXB-AAA 95%置信区间 t值 P值Gamma_3 mm/3% 99.8 ± 0.2 99.9 ± 0.2 －0.1 ± 0.3 (－0.3，0.1)－1.328 0.201 Gamma_2 mm/2% 95.7±1.8 95.5±2.3 0.2±1.7 (－0.6，1.0)0.517 0.611点剂量误差 －0.2±0.6 －0.6±0.6 0.3±0.6 (0.0，0.6)2.192 0.042

在计算效率方面，如表2所示，分两种情况:在DCF空闲时段，AXB与AAA的耗时相当，统计学上差异不显著(P＞0.05)，其中有6例数据显示AAA比AXB快;在DCF繁忙时段，AXB明显比 AAA 效率高，节省时间(9.5±9.9)min，P＜0.05，所有病例AXB均比AAA快。

表2 鼻咽癌VMAT计划验证中AXB与AAA算法的计算耗时(s，n=19)

表2 鼻咽癌VMAT计划验证中AXB与AAA算法的计算耗时(s，n=19)

计算时段 AAA AXB AAA－AXB 95%置信区间 t值 P值DCF空闲时 7.2±3.0 5.6±1.0 1.6±2.2 (－0.2，3.4)2.067 0.078 DCF繁忙时 16.0±10.7 6.5±2.0 9.5±9.9 (1.3，17.8)2.728 0.029

3讨论

AXB有两种剂量报告模式:dose to medium和dose to water。由于传统光子束放疗剂量计算通常报告dose to water〔4〕，包括AAA算法，为了保证可比性，本研究采用AXB的dose to water剂量报告模式与AAA进行对比。

AXB算法的特点是使用数值的方法确定性地直接地求解LBTE。LBTE描述了放射粒子的传输并与物质相互作用的宏观行为，求解LBTE可以得到受照体积内剂量的精确描述〔5〕。

美国Varian公司从Eclipse V10.0版本开始嵌入了AXB算法〔5〕，而这种算法近一两年来才开始在国内应用。新算法需要有充分的物理实践数据的支持才能安全地应用于临床。然而，目前国内尚无研究AXB与模体实测数据差异的报道。虽然国外已有部分学者对AXB算法的特性进行了研究，如Fogliata等〔5〕在简单照射野条件下研究均匀水模体中AXB的基本特性，Han 等〔6〕、Bush 等〔7〕和 Fogliata 等〔8〕学者使用 AXB 与作为金标准的蒙特卡罗算法进行比较，Han等〔9，10〕在头颈部和胸部仿真模体中对AXB与实测剂量的差异进行研究等。然而，在临床工作常用到的工具，如 Delta4、I'mRT〔11〕、ArcCheck〔12〕等模体中进行测量的研究报道却几乎没有，本文弥补了这方面的空白，为新算法在日常实践工作中应用提供参考。

本研究的数据进一步证实在均匀模体中AXB与AAA的差异很小。Fogliata等〔5〕也发现在均匀水模体中AXB和AAA仅有少量的偏差，开野条件下在1%以内，楔形板射野条件下在2%以内，与本研究结果一致。然而，他们仅在均匀的水模体中验证测量，而且采用的是最简单的照射技术，只能验证AXB的基本特性，而在复杂的放射治疗技术(比如VMAT)和复杂病例(比如鼻咽癌)的研究却未有涉及。

在计算精度方面，本研究结果显示，AXB拥有较高精度。Hoffmann等〔13〕报道在均匀模体小野照射中AAA精度会变差，而对AXB的精度影响不大。鼻咽癌VMAT计划比较复杂，包含较多小野。因此鼻咽癌验证计划使用AXB进行计算可以获得更为准确的验证结果，这对保证鼻咽癌VMAT技术的安全实施具有一定的意义。

在计算时间方面，国外文献的数据均显示在VMAT计划中AXB 的计算速度比 AAA 快，Fogliata等〔8〕与 Han等〔9〕报道 AXB比AAA快4～6倍。这是因为VMAT计划的控制点很多，例如本实验采用的双弧共有356个控制点(2°/control point)，相当于需要计算356个照射野，AAA算法在如此多控制点的情况下计算会非常耗时。而AXB计算时间对射野数目的依赖性很弱，它的主要影响因素是输出网格大小和输出网格范围内的受照体积大小。临床实践工作中经常会使用DCF进行计算，然而文献中尚无报道。笔者的数据得出，在DCF空闲的时候，AXB与AAA相比并没有明显的优势。这是因为，至少在目前，AXB不能将计算资源分配给局域网中其他计算机进行计算，只能由本机进行单独计算，而AAA可以利用局域网的其他计算机进行计算，因此在这种情况下两者效率相当。当然，在DCF繁忙时，或在没有DCF时，AXB仍然能够体现出计算效率高的优势。本研究使用的验证工具仅局限于均匀模体，对于非均匀模体我们将在后续的研究中进一步探讨。综合考虑计算精度和计算效率，验证鼻咽癌 VMAT计划时，推荐使用 AXB作为鼻咽癌VMAT验证计划的常规计算算法。

1 戴建荣，胡逸民，张红志，等.针对患者调强放射治疗计划的剂量学验证〔J〕.中华放射肿瘤学杂志，2004;13(3):89-93.

2 陆佳扬，林 珠，陈志坚.基于Delta4对Truebeam容积调强放疗(VMAT)计划的验证评估〔J〕.中国医学物理学杂志，2013;30(3):4118-20，4147.

3 Low DA，Harms WB，Mutic S，et al.A technique for the quantitative evaluation of dose distributions〔J〕.Med Phys，1998;25(5):656-61.

4 Huq MS，Andreo P，Song H.Comparison of the IAEA TRS-398 and AAPM TG-51 absorbed dose to water protocols in the dosimetry of highenergy photon and electron beams〔J〕.Phys Med Biol，2001;46(11):2985-3006.

5 Fogliata A，Nicolini G，Clivio A，et al.Dosimetric validation of the Acuros XB advanced dose calculation algorithm:fundamental characterization in water〔J〕.Phys Med Biol，2011;56(6):1879-904.

6 Han T，Mikell JK，Salehpour M，et al.Dosimetric comparison of Acuros XB deterministic radiation transport method with Monte Carlo and modelbased convolution methods in heterogeneous media〔J〕.Med Phys，2011;38(5):2651-64.

7 Bush K，Gagne IM，Zavgorodni S，et al.Dosimetric validation of Acuros XB with Monte Carlo methods for photon dose calculations〔J〕.Med Phys，2011;38(4):2208-21.

8 Fogliata A，Nicolini G，Clivio A，et al.Dosimetric evaluation of acuros XB advanced dose calculation algorithm in heterogeneous media〔J〕.Radiation Oncol，2011;6(1):82.

9 Han T，Mourtada F，Kisling K，et al.Experimental validation of deterministic Acuros XB algorithm for IMRT and VMAT dose calculations with the Radiological Physics Center's head and neck phantom〔J〕.Med Physics，2012;39(4):2193-202.

10 Han T，Followill D，Mikell J，et al.Dosimetric impact of Acuros XB deterministic radiation transport algorithm for heterogeneous dose calculation in lung cancer〔J〕.Med Physics，2013;40(5):051710.

11 谭丽娜，孙晓欢，马 奎，等.三维剂量验证系统Delta4在容积旋转调强计划剂量验证中的应用〔J〕.中国医学物理学杂志，2013;30(6):4497-9.

12 张俊俊，邱小平，李奇欣，等.ArcCheck系统在鼻咽癌容积旋转调强剂量验证中的应用〔J〕.中国医学物理学杂志，2014;31(5):5136-8，5168.

13 Hoffmann L，Jorgensen MB，Muren LP，et al.Clinical validation of the Acuros XB photon dose calculation algorithm，a grid-based Boltzmann equation solver〔J〕.Acta Oncologica，2012;51(3):376-85.