Eclipse放疗计划系统内非均匀组织深度剂量特性研究

彭圣贤，庞亚，吴哲

自贡市第一人民医院 a. 科教科；b. 放疗室，四川 自贡 643000

引言

在肿瘤放射治疗过程中，需要先在放射治疗计划系统（Treatment Planning System，TPS）上制定放疗计划，TPS的原理是基于人体组织的CT 值到密度值的转换而进行剂量计算，CT 值的变化直接影响计算准确性。TPS 计算的准确性一直是人们关注的重点问题，而计算准确性往往取决于应用的计算算法[1-3]。在一些CT 值变化较大的临床实践中，如非均匀组织，算法的准确性和计算时间将直接影响临床工作的结果。人体是非均匀组织，当射线穿过人体进入病灶区域时，射线经过的不同组织CT 值发生改变，剂量沉积在非均匀组织界面发生较大偏差。Eclipse 放疗计划系统作为当前主流的TPS，其内置的算法有两种，即AXB算法和AAA 算法。国内吕晓平等[4]将AXB 算法、AAA算法与蒙特卡洛（Monte Carlo，MC）算法进行对比，研究非均匀组织剂量计算的准确性，分析不同算法射野中心轴的百分深度剂量。苗利等[5]基于Eclipse 计划系统用AXB算法比较了水、空气、肺组织、骨骼肌、脂肪、铝模体等多种非均匀组织射野中心轴的百分深度剂量。国外报道了AXB 算法、AAA 算法与蒙特卡洛算法在高原子序数材料的剂量计算[6]以及AXB 与AAA 在均匀、非体模剂量计算对比结果[7]。本研究为了对高能X 射线在非均匀组织的剂量沉积行为有更深的认识，从不同的组织界面探讨不同射野大小下的横向和纵向深度剂量特性，旨在为实际临床运用提供指导。

1 材料与方法

1.1 设备材料

主要采用瓦里安Eclipse v13.6 治疗计划系统、Trilogy加速器、GEANT4 蒙特卡洛应用软件包、OriginPro 8.5.1 绘图软件。

1.2 算法选取

Eclipse v13.6 治疗计划系统内置两种算法：AXB 算法和AAA 算法。AXB 算法是基于网格的迭代求解线性玻尔兹曼运输方程的剂量计算方法[8]，也是目前比较精确的方法。AAA 算法是TPS 中常用的剂量计算方法，因其具有高准确性快速取代了之前的PBC 算法[4]。而MC 算法是目前放疗剂量计算的“金标准”[9]，通过在GEANT4 蒙特卡软件包中建立水-肺-水的非均匀组织模型，计算射野中心轴百分深度剂量曲线（Percentage Depth Dose，PDD）。图1所示为水-肺-水三者界面TPS 内AXB 算法和AAA 算法与GEANT4 MC 算法结果对比，由图中可以看出，MC 算法与AXB 算法结果更接近。因此，本文选取AXB 算法进行后续研究。

图1 AXB、AAA、MC算法PDD结果对比

1.3 计划系统内非均匀模型构建

在Eclipse治疗计划系统里创建大小为30 cm×30 cm×30 cm的体模影像，材料定义为水（CT值为0，质量密度为1 g/cm3）[10]。在体模3 cm深度处创建深度为3 cm的非均匀组织，该组织定义为肺组织（Lung，CT值为-719，质量密度为0.26 g/cm3）或骨组织（Bone，CT值为1488，质量密度为1.85 g/cm3）。如图2所示分别为水组织-肺组织-水组织（图2a）和水组织-骨组织-水组织（图2b）。组织厚度均为3 cm，材料选取Eclipse系统内定义的物理材料表。对体模、体膜内非均匀组织做布尔运算（逻辑）生成新的Body轮廓（图2c）。在计划系统里计算6 MV X射线在标准源皮距（Source Skin Distance，SSD=100 cm）下的不同射野大小的三维体积剂量，射野大小分别取5 cm×5 cm、10 cm×10 cm、15 cm×15 cm、20 cm×20 cm。以1.2中结果为依据，剂量计算均选择AXB算法。网格大小为2.5 mm，剂量率统一为500 mU/min，以及60对医用直线加速器的多叶准直器系统（Multi-leaf Collimator，MLC）叶片。处方剂量均为100 cGy/1F。

图2 计划系统内非均匀组织模型构建

1.4 深度剂量特性数据获取

不同射野大小和不同非均匀组织剂量计算完毕后，利用Eclipse 计划系统Dose Profile 功能提取横向和纵向射野中心轴剂量txt 格式数据，经Office Excel 归一化处理，归一到最大剂量点。采用Origin 软件作图。

2 结果

2.1 纵向深度剂量

在30 cm×30 cm×30 cm的均匀水模体内计算5 cm×5 cm、10 cm×10 cm、15 cm×15 cm、20 cm×20 cm的纵向百分深度剂量曲线，如图3所示分别为不同射野大小水均匀模体以及水-肺-水、水-骨-水非均匀模体的纵向深度剂量曲线。从图3a中可以看出，在均匀的水模体中，随着深度增加，相对剂量呈先增大后减小的趋势，且射野面积越大，相对剂量越大。图3b为水-肺-水非均匀组织纵向深度剂量曲线，在3 cm深度处，由水进入肺组织，剂量迅速减小；在6 cm深度处，由肺进入水组织，剂量增大，5 cm×5 cm、10 cm×10 cm、15 cm×15 cm、20 cm×20 cm射野剂量增大最大分别为1.00%、1.92%、2.28%、0.77%核。图3c为水-骨-水非均匀组织纵向深度剂量曲线，在3 cm深度处，由水进入骨组织，剂量减小平稳；在6 cm深度处，由骨进入水组织，剂量迅速减小。

图3 不同射野大小下模体的PDD曲线

2.2 横向深度剂量

如图4所示为Eclipse计划系统内20 cm×20 cm射野水-肺-水、水-骨-水等剂量曲线示意图，图中可直观看出在肺-水和骨-水界面处差异，射线在水中穿透力介于低密度的肺和高密度的骨组织之间。如图5 所示为20 cm×20 cm 横向中心轴处深度剂量曲线，其中图5a、5b、5c 分别为水均匀模体以及水-肺-水、水-骨-水的横向深度剂量曲线。从图5b 中可以看出，由水进入肺组织，横向深度剂量降低，最大降低10.78%；由肺进入水组织，横向深度剂量增大，最大增大10.61%。由水进入骨组织，在3 cm 处横向深度剂量缓慢增大；由骨进入水组织，在6 cm 处横向深度剂量仍然是缓慢增大；在24 cm 处由水-骨组织交界处剂量迅速减小，在27 cm 处骨-水界面剂量迅速减小（图5c）。

图4 20 cm×20 cm射野水-肺-水、水-骨-水等剂量曲线

图5 20 cm×20 cm射野下横向深度剂量曲线

3 讨论

放射治疗已进入精确定位、精确计划、精确治疗的“三精”时代。靶区和危及器官剂量计算的准确性正是精确计划最基本的要求。人体为非均匀组织，内部存在空气腔、肺、脂肪、肌肉骨骼，以及人工器官、金属植入物等[11]都会使得组织密度分布不均，在制定放疗计划时不同方向射野穿过的组织不同、射野大小不同、射线的能量选择不同都会影响剂量分布[12-13]，因此研究深度剂量特性对治疗计划的设计有重要意义。

算法的选取会影响剂量的准确性[14]。本文首先以Eclipse 内置的AXB 和AAA 两种算法在水-肺-水非均匀组织介质计算结果为基础，与“金标准”MC 算法为依据进行了对比，发现AXB 算法结果与MC 更接近，这与Bush 等[14]报道的结果一致。因此本文选取AXB 算法研究非均匀组织深度剂量特性。近年来，国内外关于非均匀组织剂量的相关报道较多[4-5,16-18]，如吕晓平等[4]在Eclipse 计划系统上分别设置两种类型的非均匀模体（水-肺-水模体、水-骨-水模体），并采用AXB、AAA 及MC 算法进行剂量计算，提取射野中心轴百分深度剂量，以MC 计算结果为基准，计算AXB 和AAA 两种算法与MC 算法的相对偏差，提取非均匀组织及高梯度区的数据进行对比分析，结果发现，在非均匀组织及其边界，AXB 算法计算精度比AAA 算法更为准确，基本接近MC 算法。苗利等[5]报道了Eclipse 计划系统中水模体中心轴深度3 cm 下不同人体替代组织的模体结构，并赋予组织密度值和CT 值，提取射野中心轴深度剂量曲线数据并与水模体中深度剂量曲线比较，发现当射线由低密度物质进入高密度物质后会产生二次剂量建成效应，且密度差异越大建成效应越明显。Bouyer 等[15]比较了非均匀介质AXB 算法和AAA 算法的差异，并与gafchromic 胶片测量结果对比。Seif 等[16]研究发现，人体中一些气腔的存在对放射治疗剂量分布有影响，并进一步通过MC 法分析上颌窦、额窦、筛窦和蝶窦对放疗剂量分布的影响，发现剂量分布取决于空气腔尺寸和深度。李乾坤等[17]用蒙特卡罗应用程序EGSnrc 模拟计算了60Coγ射线、6 MV 的点源光子束在有限宽非均匀模体中不同射野条件下中心轴上的剂量分布情况。

本研究分析了水均匀组织及水-肺-水、水-骨-水两种非均匀介质不同射野大小的6 MV X 射线横向和纵向深度剂量曲线，结果发现，随着深度增加，相对剂量呈先增大后减小的趋势，且射野面积越大，相对剂量越大，这与冯仲苏等[18]的研究结果一致。由水进入肺组织，剂量迅速减小；由肺进入水组织，剂量增大，分析原因为射束在即将抵达肺部时，由于没有反向散射，剂量将立即下降；而当射束在穿透肺部时，由于缺乏散射，肺部剂量会比经过软组织低。射束穿过肺部以后，相对于经过等同长度的水，剂量会显著增加，这是因为由于射线穿透肺部，几乎没有衰减，因此出射剂量相对于水将增加。Pacyniak 等[12]研究由水进入2 cm 厚的空气组织，再进入水组织，因空气与肺的质量密度接近，所以本研究结果与Pacyniak 等[12]的结果基本一致。射线由水进入骨组织，剂量有轻微增大；由骨进入水组织，剂量反而减小，这说明当射线由水进入肺组织或者骨组织时，或由肺或骨组织进入水组织时，可形成二次剂量建成效应。射束抵达骨骼之前，反向散射增加，导致射线路径上紧邻骨骼的剂量增加。在骨组织内部，剂量的减少是由于缺乏氢，这导致电子密度降低，从而导致剂量降低。当射线由水组织进入肺组织深度剂量值增高，且密度越小效应越明显，而当射线由骨组织进入水组织后深度吸剂量降低，密度越大的物质效应越明显，这与苗利等[5]的研究结果基本一致。此外，水与骨界面处比水与肺界面剂量变化大，这与吕晓平等[4]报道结果一致，在水与骨界面处，剂量由骨进入水界面，剂量降低，这是因为骨组织密度＞1 g/cm3，电子密度和线性衰减均高于水，但每克骨的质量衰减小于水，导致剂量减少，在骨组织和水组织的界面，由于骨骼表面电子的后向散射，剂量增加，并出现几毫米的积累区域，这与相关文献[12]报道一致。

4 结论

本文探讨了Eclipse 放射治疗计划系统内非均匀组织深度的剂量特性，并分析了不同射野、不同非均匀组织下6 MV X 射线的横向和纵向深度剂量曲线，结果表明，随着深度增加，纵向深度剂量呈先增大后减小的趋势，且射野面积越大，相对剂量越大；含肺或骨组织模体在与水组织交界处出现二次剂量建成。此外3 cm 深度处水-肺交界无剂量，而在水-骨交界有剂量；在6 cm 和24 cm 深度处，肺组织剂量高于水组织，但骨组织剂量低于水组织，原因为射线从纵向穿进来，且穿透力为肺＞水＞骨。本研究结果为临床放射治疗计划的制定提供了参考。