AAA和AcurosXB算法对局部晚期食管鳞状细胞癌SIB-VMAT计划剂量学差异的研究

葛 双，孙力军，王慧礼，王 寻，郗会珍, 马 俊, 陈长建，叶书成

(济宁医学院附属医院，山东 济宁 272001)

食管癌是消化道常见的恶性肿瘤[1,2]。我国是食管癌高发国家，多数患者在确诊时已发展为晚期失去手术机会，放射治疗是重要的治疗方式之一。随着调强放射治疗技术的普及，同期加量容积旋转调强放射治疗(Simultaneous Integrated Boost Volumetric-Modulated Arc Therapy，SIB-VMAT)可实现在同一疗程中对原发病灶提供高剂量照射，又满足传统的低剂量模式来治疗亚临床病灶及预防区淋巴结，同时可获得更好的靶区适形度和更低的危及器官受照射剂量的优势，已在局部晚期食管癌患者的治疗中得到开展[3]。各向异性分析算法(Anisotropic Analytical Algorithm，AAA)模型，是一种基于笔形束卷积叠加类型的算法，剂量计算时会同时在两个方向(深度和横向)进行缩放。而光子剂量算法(Acuros External Beam Algorithm，AcurosXB或AXB)模型，是基于线性波尔兹曼传输方程(LBTE)，能更加明确的描述辐射粒子与介质中不同材料间的相互作用，许多研究表明，AXB算法对于非均匀介质剂量沉积的计算好于AAA算法，近似于蒙特卡洛算法[4]。这两种算法模型是Eclipse15.6.8 TPS(Varian公司，美国)系统自带，AAA算法应用较早，AXB算法近几年才开始应用于临床，国内外文献报道了关于头颈、盆腔、胸部等部位的肿瘤放疗中应用两种算法的剂量学差异[5]，然而关于两种算法在食管癌SIB剂量学方面还没有相关研究数据支持。本文通过选取24例本中心收治过的局部晚期食管癌患者，来探究AAA和AXB算法在食管癌SIB-VMAT计划剂量学方面的差异，为临床研究提供参考。

1 资料与方法

1.1影像学资料:从本院肿瘤放疗中心2021年1月至2022年1月行SIB-VMAT治疗的局部晚期食管鳞状细胞癌患者中，选取24例患者的影像学资料，平均年龄(64.9±8.8)岁，中位年龄67岁，病理诊断结果均为鳞状细胞癌。

1.2设备仪器:Varian Eclipse15.6.8 TPS计划系统( Varian公司，美国)、拥有60对MLC多叶光栅的Varian 2300IX加速器( Varian公司，美国)、Brilliance大孔径CT模拟定位机(Philips公司，荷兰)。

1.3研究方法:所有入组患者均采用仰卧位，双臂自然放松置于体侧，头颈肩碳素纤维架联合头颈肩热塑网膜固定，CT图像通过大孔径CT模拟定位机获取，静脉注射造影剂碘海醇行增强扫描，范围自颅底至腰1椎体上缘，层厚和间距设置为3mm，获得的CT图像传输至Varian Eclipse15.6.8 TPS计划系统。由资深肿瘤放疗医师勾画GTV(肿瘤区)和CTV(临床靶区)，均匀外扩3～5mm得到PGTV(122.6±46.85cm3)和PTV(564.6±133.0cm3)，处方剂量为PGTV 60.2Gy(2.15Gy/f)、PTV 50.4Gy(1.8Gy/f)，每日1次，1周5次，共28次。采用拥有60对MLC多叶光栅的Varian 2300 IX加速器模型的6MV X射线质，最大剂量率设置为600 MU/min，通过Varian Eclipse15.6.8计划系统对24例患者分别设计SIB-VMAT(CW:181～179度；CCW：179～181度)计划，考虑双侧肩膀处射线穿透组织较厚、活动度较大的可能性，以及减少肺组织照射面积，采用Avoidance sectors(屏蔽出束)功能，屏蔽区域设置为240～300度及60～120度。同一个SIB-VMAT计划，设置相同的射束、MLC以及优化约束函数，分别选取AAA和AXB两种剂量算法模型进行剂量计算。涉及的主要危及器官及约束条件为：肺组织(V5<65%，V20<30%)、心脏(V30<40%，V40<30%)和脊髓(外扩5mm<45Gy)。

1.4评价指标:所有评价参数均在满足95%PTV靶体积接受处方剂量50.4Gy归一条件下的剂量-体积直方图(DVH)上进行比较，包括Dmin(最小点剂量)、Dmax(最大点剂量)、Dmean(平均剂量)、Dx%(x%的相应体积接受的最大剂量：D98%、D50%和D2%)、V100%(处方剂量覆盖靶区体积的百分比)、Vx(剂量xGy覆盖某器官的体积百分比，V5、V20、V30和V40)以及靶区适形性指数(Conformity Index，CI)和均匀性指数(Homogeneity Index，HI)。计算公式：HI=(D2%-D98%)/D50%和CI=(VT,ref)2/(VT×Vref) ，其中 VT,ref为处方剂量覆盖的靶区体积，T为靶区体积，Vref为处方剂量覆盖的全部体积，HI值越小表示靶区内剂量分布越均匀；CI取值在0～1之间，值越接近1表示靶区剂量适形度越好。

2 结 果

2.1靶区剂量学和MU评价结果:24例食管癌患者行AAA和AXB算法的SIB-VMAT计划靶区PTV和PGTV的剂量学结果见表1，在靶区Dmin、D2%以及PGTV的靶区覆盖体积(V100%)方面，两组计划结果差异无统计学意义(P>0.05)，但在靶区Dmax、Dmean、D98%和D50%方面，AXB组计划结果明显高于AAA组(最大平均偏差1.44%)，有统计学意义(P<0.05)。在靶区适形性和均匀性方面，AXB组在数值上均好于AAA，对于靶区PGTV两者差异明显，最大平均偏差分别为1.52%(CI)和3.22%(HI)，有统计学意义(P<0.05)；但对于靶区PTV两者差异相近，无统计学意义(P>0.05)，见表1和图1。对于机器跳数(Monitor Unit，MU)，AAA组(580.5±53.20)比AXB组(589.0±54.21)减少1.53%，差异有统计学意义(P<0.05)，结果见表1和图2。图3和图4分别为SIB-VMAT计划的剂量分布图和靶区及OAR的DVH分布图。

表1 AAA与AXB算法SIB-VMAT计划PGTV和PGTV剂量学结果

2.2OAR剂量学评价结果:在肺组织受量方面，AXB组的最小剂量Dmin、平均剂量Dmean、中位剂量D50%及低剂量区V5，较AAA组明显降低，平均偏差分别为18.4%、1.47%、3.57%和4.04%，差异有统计学意义(P<0.05)；而对于高剂量区V20和最大剂量Dmax的受量较AAA组提高了0.5%和2.31%，差异有统计学意义(P<0.05)。在心脏受量方面，除AXB组的V30相比AAA降低1.29%，Dmax相比AAA组略提高0.82%，差异有统计学意义(P<0.05)外，其他参数结果相近差异不显著。在脊髓保护区(外扩5mm)受量方面，AXB组的最大剂量Dmax略高于AAA组0.59%，差异有统计学意义(P<0.05)，而两者的最小剂量Dmin和平均剂量Dmean结果相近，差异没有统计学意义(P>0.05)，结果见表2。

表2 AAA与AXB算法SIB-VMAT计划OAR剂量学结果

图1 AAA与AXB算法SIB-VMAT计划的靶区对应CI和HI的箱线图分布

图2 24例食管癌患者AAA与AXB算法SIB-VMAT计划的MU柱状图分布

图3 靶区和OAR的DVH分布

图4 AAA与AXB算法SIB-VMAT计划的剂量分布图

3 讨 论

局部晚期食管癌患者因其病变部位较深，范围较大，周围被非均匀介质包围如高致密组织骨骼和低密度气管腔及肺组织等，这对剂量计算增加了难度，但是靶区和OAR剂量的精准预测至关重要，它将直接影响到患者的治疗增益比。目前可用的剂量算法有很多，区别主要在于对光子和电子传输中散射模型复杂性的处理，特别是非均匀介质方面。算法模型基本分为三类：基于校准(类型a)、基于模型(类型b)和基于原理(类型c)算法[6]。Eclipse TPS提供的各向异性分析算法(AAA)和光子剂量算法(AXB)分别是b型算法和c型算法。通常，AXB显示出比AAA更好的结果，特别是在非均匀介质(空腔)和小野的剂量计算方面[7]。本文旨在探讨AAA与AXB两种算法模型对食管癌SIB-VMAT计划的剂量学差异，为临床提供参考。

研究结果表明：两种不同算法模型得到的靶区和危及器官的剂量存在一定的差异，其中AXB算法会明显高估靶区的Dmax、Dmean、D98%和D50%，最大平均偏差为1.44%，除此之外，对于肺组织(2.31%)、心脏(0.82%)和脊髓保护区(0.59%)的最大剂量Dmax也均被高估，差异有统计学意义；另外AXB在提高靶区PGTV的适形性和均匀性方面好于AAA，但对于靶区PTV两者差异相近。在降低MU方面，Kumar L等[8]和Koo T等[9]的研究均指出AAA算法比AXB更有效，这与本文的研究结果AAA组(580.5±53.20)比AXB组(589.0±54.21)减少1.53%一致。在OAR体积受照剂量方面，差异主要集中在肺组织上。Fleming C等[10]在非小细胞肺癌剂量学的研究中，指出AAA算法能考虑电子平衡及不均匀散射的问题，但对电子的输运和侧向电子平衡描述不足，将会高估空气-组织界面处的剂量。本文研究结果AAA算法高估肺组织平均剂量Dmean(1.47%)、中位剂量D50%(4.04%)及低剂量区V5(3.57%)的受量，且差异显著有统计学意义，进一步印证了以上观点；而对于肺的V20受量略比AXB降低0.5%，这与刘致滨等[11]的研究结果相近。

综上所述，基于AAA与AXB两种算法模型的SIB-VMAT计划，虽然存在一定的剂量学差异，但均满足临床剂量学要求，可用于局部晚期食管癌的临床治疗。在提高食管癌患者靶区整体剂量，减少肺组织低剂量受照体积和平均剂量，降低肺损伤方面，AXB优于AAA算法；在减少靶区和危及器官的最大点剂量，降低脊髓毒性方面，AAA算法略有优势。