AXB算法与AAA算法在宫颈癌VMAT放射治疗中的剂量学差异

张向学，张谦，孙春堂，尹如铁，李清丽，陈亚正

四川大学华西第二医院 妇产科，四川 成都 610041

引言

全球约80%的宫颈癌患者需要放射治疗，而照射剂量准确性是放射治疗质量控制的重要组成部分[1]。容积旋转调强放射治疗（Volumetric Intensity-Modulated Arc Therapy，VMAT）剂量均由放射治疗计划系统中剂量计算模型计算所得[2-3]。本研究主要包括光子剂量算法（Acuros External Beam Algorithm，AXB）和各向异性分析算法（Anisotropic Analytical Algorithm，AAA）两种剂量计算模型。AAA算法是一种基于笔形束卷积的剂量算法并采用卷积/叠加（C/S）方法进行计算[4-7]；AXB是一种新型光子剂量算法，其基于网格的迭代求解线性玻尔兹曼运输方程，在异质性计算方面接近蒙卡算法[8-10]。目前国内对AXB算法的研究报道相对较少，在宫颈癌放疗计划方向使用AXB算法的研究更少。为了提高对AXB计算模型及其在宫颈癌放疗计划设计中应用的了解，并为其安全地应用于临床放射治疗提供相关的物理实践数据，有必要对该算法的特性进行研究探讨。本研究通过使用AAA和AXB两种不同的计算模型进行剂量计算，比较剂量学差异，并通过EPID验证两种算法所做计划的通过率，为临床应用提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 临床资料

选取四川大学华西第二医院2020年3月至11月接受放射治疗的24例宫颈癌术后患者，患者年龄35～61岁，中位年龄49岁，病理类型均为鳞状细胞癌。

1.2 设备材料

使用飞利浦大孔径CT获取患者图像，Eclipse 15.5（美国Varian）计划系统制订放疗计划，对应加速器为Trilogy（美国Varian），60对多叶光栅（MLC），最大开野40 cm×40 cm。

1.3 CT定位

所有患者均采用仰卧位，双上肢抱头，在CT模拟定位机上（Brilliance Big Bore）做平静状态下扫描，CT扫描层厚为3 mm，扫描范围为上界T10至下界股骨中段。

1.4 靶区勾画和处方剂量

由高年资医师勾画计划靶区体积（Planning Target Volume，PTV）和危及器官（Organ at Risk，OAR）。PTV范围包括阴道残端、宫旁组织及淋巴结引流区，剂量处方为45 Gy/25次。OAR包括膀胱、小肠、直肠、左右股骨头及其他骨组织（髂骨和骶骨）。

1.5 计划设计

在Eclipse 15.5计划系统中进行VMAT计划设计，能量均为6 MV X射线，射野设计为两个全弧（逆时针179°～181°，准直器角度 357°；顺时针 181°～179°，准直器角度3°），剂量率600 MU/min，计算网格设置2.5 mm×2.5 mm×2.5 mm。对每一个VMAT计划，在设计参数和优化条件一致的情况下分别采用AAA算法和AXB算法进行剂量计算。使用AXB算法之前须指定物理材料表，本研究使用Eclipse 15.5计划系统自带的物理材料AcurosXB-13.5。AXB算法基于材料和质量密度进行计算，物理师需要单独勾画高密度结构及其产生的伪影，并指定相应高密度材料，避免产生计算误差。

1.6 计划评估

1.6.1 靶区剂量学参数

将两种算法的计划靶区剂量归一至D9545 Gy。PTV最大剂量Dmax、最小剂量Dmin、平均剂量Dmean，以及体积剂量参数D2%、D5%、D50%、D95%、D98%都可以从剂量-体积直方图（Dose-Volume Histogram，DVH）中提取，图1为选取的某例患者的DVH图。计算PTV剂量均匀性指数[11-12]（Homogeneity Index，HI）[公式 (1)]、适形度指数[11]（Conformity Index，CI）。比较和统计以上剂量学参数在两种计划中的统计学差异。

图1 靶区和危及器官DVH图

式 (1)中，D2%、D98%、D50%分别为DVH图上 2%、98%、50%的靶区体积所对应的绝对剂量，HI越接近于0说明靶区均匀性越好。CI计算方法如式(2)所示。

式(2)中，VT95%为95%处方剂量所包绕的靶区体积，VT为靶区体积，V95%为95%处方剂量所包绕的所有区域的体积，CI值越大表示适形度越好。图2为该例患者等中心位置的剂量分布曲线图。

图2 等中心位置剂量分布曲线图

1.6.2 危及器官剂量学参数

收集小肠的V20、V25、V30和平均剂量 Dmean（V20、V25、V30分别为照射剂量为20 Gy、25 Gy、30 Gy的体积百分比）；直肠和膀胱的V35、V40和Dmean；骨（髂骨和骶骨）和两侧股骨头的Dmean。此外，比较两种算法的EPID验证计划的通过率。

1.7 统计学分析

采用SPSS 24.0统计软件对以上剂量学参数进行配对t检验分析，采集数据以均数±标准差（±s）表示，P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区剂量参数比较

从表1可以看出在宫颈癌术后VMAT计划中，AXB算法与AAA算法所得靶区计量参数存在差异，D2%、D5%、D98%和 Dmax差异均有统计学差异（P<0.05），而Dmean、Dmin、D50%、D95%无统计学 差异（P>0.05）。AAA算法和AXB算法所得的HI分别为0.0563±0.0224和0.0587±0.0255，差异无统计学意义（P>0.05），AAA算法和AXB算法所得的CI分别为0.888±0.025和0.878±0.037，差异有统计学意义（P<0.05）。HI越趋近于0，说明均匀性越好，CI越大说明适形度越好。

表1 AXB算法与AAA算法靶区剂量学参数比较（n=24，±s）

表1 AXB算法与AAA算法靶区剂量学参数比较（n=24，±s）

评估参数 靶区 AAA/Gy AXB/Gy P值 t值Dmax PTV 48.1±0.2 48.7±0.3 0.002-5.865 Dmin PTV 38.8±1.1 38.7±1.3 0.804 0.262 Dmean PTV 46.1±0.1 46.1±0.1 0.252-1.296 D2% PTV 47.0±0.2 47.2±0.2 0.007-4.377 D5% PTV 46.8±0.2 47.0±0.2 0.011-3.919 D50% PTV 46.2±0.1 46.2±0.1 0.401-0.916 D95% PTV 45.1±0 45.0±0 0.064 2.372 D98% PTV 44.5±0.1 44.4±0.1 0.006 4.509 HI PTV 0.0563±0.0224 0.0587±0.0255 0.438 0.843 CI PTV 0.888±0.025 0.878±0.037 0.047-2.617

2.2 危及器官剂量的差异

从表2可以看出用AAA和AXB两种不同算法评估OAR的剂量参数差异，AAA算法计算所得的小肠的V20、V25、V30、Dmean与AXB算法接近，差异无统计学意义（P>0.05）；膀胱和直肠的V35、V40、Dmean差异也无统计学意义（P>0.05）；骨（髂骨和骶骨）、左股骨头和右股骨头的Dmean差异均有统计学意义（P<0.05）。

表2 两种不同算法危及器官剂量学参数比较（n=24，±s）

表2 两种不同算法危及器官剂量学参数比较（n=24，±s）

危及器官 评估参数 AAA AXB P值 t值小肠V20 57.9±14.3 58.7±14.1 0.460 -0.800 V25 45.9±12.7 45.9±11.8 0.973 0.035 V30 31.0±9.4 32.5±9.7 0.303 -1.149 Dmean/Gy 22.3±5.2 22.5±5.1 0.387 -0.947膀胱V35 41.0±5.4 42.8±6.4 0.207 -1.449 V40 30.0±5.7 30.6±6.5 0.500 -0.727 Dmean/Gy 34.4±0.8 34.8±1.4 0.356 -1.015直肠V35 45.8±9.6 49.6±11.6 0.241 -1.331 V40 28.8±5.3 31.0±6.4 0.309 -1.131 Dmean/Gy 34.5±2.2 35.2±2.5 0.195 -1.495骨 Dmean/Gy 23.9±1.4 24.7±2.0 0.001 -3.885左股骨头 Dmean/Gy 17.5±1.8 18.8±2.6 0.006 -3.160右股骨头 Dmean/Gy 17.7±2.2 19.2±3.1 0.004 -3.428

2.3 两种不同算法对验证计划的统计学差异

由表3可知，两种算法在进行EPID计划验证时，γ通过率均高于95%，满足临床治疗要求。就单个全弧来看，逆时针（179°～181°）和顺时针（181°～179°）方向全弧的γ通过率比较差异均无统计学意义（P>0.05），而对整个计划而言，两种算法的γ通过率比较差异也无统计学意义。

表3 两种不同算法计划验证通过率比较（n=24，±s）

表3 两种不同算法计划验证通过率比较（n=24，±s）

Field AAA AXB P值 t 值逆时针 97.1±1.3 97.0±1.1 0.941 0.077顺时针 99.4±0.4 99.1±0.4 0.061 2.301全计划 98.1±1.2 98.0±0.9 0.794 0.273

3 讨论

准确计算靶区剂量对评估放射治疗患者体内的肿瘤受量和OAR受量非常重要。在宫颈癌治疗中，VMAT计划不仅具备了调强适形放疗（Intensity-Modulated Radiotherapy，IMRT）和三维适形放射治疗的技术优势，而且还有更多的自由度，且靶区适形度高，剂量均匀性好，OAR受照剂量低，故在宫颈癌中得到广泛应用。

Eclipse系统从10.0版本开始嵌入AXB算法，而这一算法在国内近几年才开始使用，其在临床治疗的安全应用需要大量数据支持[13]。国外有文献报道了AXB 算法和AAA 算法在食管癌、前列腺癌等部位放疗的剂量学差异，结果都表明AXB 算法在某些空腔或低密度区域具有更高的精度[14-17]。然而国内，刘致滨等[18]比较了AXB与AAA算法在肺癌调强放疗计划中的剂量学差异，结果显示AAA算法计算的PTV的Dmax均比AXB算法低，但AAA算法的Dmean均小于AXB算法，该结论与本研究结果有一定的出入，出现以上差异的原因可能是宫颈癌的靶区、OAR解剖位置和组织密度与肺癌不同。黎旦等[19]研究了AAA算法和AXB算法在直肠癌VMAT放射治疗中的剂量学差异，发现直肠癌VMAT计划中最大差异的OAR是双侧股骨头，与本研究结果具有良好的一致性。双侧股骨头和骨（髂骨和骶骨）处在低剂量区且组织密度较大，VMAT计划的剂量分布是通过控制点实现的，在治疗过程中机架需要在旋转运动中不停出束，因此剂量分布受密度差异的影响更大。

本研究结果显示两种不同算法所得的靶区和OAR剂量学差异较为明显，靶区的D2%、D5%、D98%及Dmax均有显著统计学差异。AAA算法和AXB算法计算的CI有显著统计学差异，AAA算法的CI优于AXB算法，这与国外的文献报道[20]基本一致，由于AXB算法是根据实际材料进行剂量计算的，所以密度不同的地方沉积的剂量变化会很大，从而造成CI变差。OAR的骨（髂骨和骶骨）、左股骨头和右股骨头的Dmean差异均有统计学意义，而且PTV和OAR，除了Dmin、D95%、D98%和小肠的V25外，其余所有计划参数结果AAA算法均低于AXB算法，但相差不大，均满足临床治疗需求。由EPID计划验证结果可知，两种算法的计划验证无统计学意义，且均能达到临床质量控制要求。同时本研究进一步证实，AXB算法在宫颈癌放疗计划中，高密度区域沉积的剂量变化会更大，这使骨形结构等高密度区域平均剂量更高，在做宫颈癌放疗计划选用AAA与AXB算法时，要充分考虑靶区包含多少高密度结构，避免增加患者骨髓抑制风险。

4 结论

AXB算法与AAA算法在宫颈癌VMAT中虽然存在一定的剂量学差异，但均符合剂量学和临床要求。AXB算法得出的PTV、OAR剂量略偏高，适形度略偏低是AXB算法计算更准确所致，故以上参数结果看起来略逊于AAA算法，但剂量更接近实际受量。放疗计划没有最优只有更好，所选用对比计划只要达到临床要求，便不会再继续优化，故优化结果会存在一定的差别，后续还需进一步探讨。本研究为使用Eclipse计划系统做宫颈癌等胸腹部肿瘤放疗计划设计提供了有效的技术参考。