1. 引言

Monaco计划系统（TPS）5.1 版本采用了一个基于蒙特卡洛（MC）的剂量算法。本研究的目的是验证和基于 Monaco 的剂量算法与Pinnacle3的collapsed cone convolution superposition（CCCS）和Eclipse的anisotropic analytical algorithm（AAA）剂量算法之间的对比。

2. 材料 & 方法

研究对象

      在本研究中，选择了18名之前接受过治疗的肺癌和头颈部癌患者，比较Pinnacle CCCS 9.8版、Monac 5.1版和Eclipse AAA 8.9版的剂量计算。该计划旨在使用Elekta VersaHD（Elekta, Crawley, UK）或Varian Novalis Tx（Varian Medical Systems,Palo Alto, CA）直线加速器交付。这18例患者均采用6MV和10 MV的VMAT技术，且具有高度适形剂量分布。所有计划均使用CCCS、AAA进行计算，然后使用MC进行重新计算，然后再导出到Velocity（Varian Medical Systems, Palo Alto,CA）软件中进行跨TPS间比较。

       首先，使用Pinnacle TPS设计和优化所有计划，并使用CCCS算法计算三维（3D）剂量分布。使用Pinnacle TPS在Elekta VersaHD上进行三个肺（n=3）和五个HN（n=5）的计划输送，使用EclipseTPS在Novalis Tx直线加速器上使用五个肺（n=5）和五个HN（n=5）的计划输送。这些计划，包括处方、CT、结构和总剂量，使用DICOM服务器导出到其他TPS。由于并非所有TPS都有这两种线性加速器的可用模型，因为Eclipse中没有VersaHD束流模型，我们只能重新计算Monac VersaHD的计划。这意味着所有10个使用NovalisTx治疗的患者计划(5个肺和5个HN)都在Pinnacle、Eclipse和Monaco TPS中计算。然而，在VersaHD中治疗的八个患者计划（3个肺和5个HN）是在Pinnacle和Monaco TPS中计算的。所有剂量计算均导出到Velocity进行比较。

计划方法的差异

       在尝试对每个剂量计算算法进行直接剂量比较之前，应考虑以下几点，以使数据标准化。这些考虑包括在所有三种计划技术上的均匀化：治疗床结构、身体轮廓、密度覆盖、是否计算水剂量还是介质剂量、束流模型比较，以及选择的统计不确定性。

治疗床结构

       在使用VMAT计划重新计算剂量时，不能忽略治疗床。如果不在所有系统中使用同一个治疗床，可能会出现2%和5%之间的剂量差异，如果完全忽略治疗床，可能会出现高达6%的剂量差异。由于此错误，每个TPS中的结构应具有等效的几何结构和密度覆盖。本研究使用了两种不同的治疗床结构，一种用于VersaHD，另一种用于Novalis Tx，每个治疗床的结构密度在计划中定义。

外部轮廓

       在Monaco TPS中，在计算剂量之前就确定了患者的外部轮廓。身体外部轮廓的自动轮廓勾画应用于每个计划，但必须注意的是，在计算之前，始终需要对轮廓进行评估和验证。患者剂量的计算精度，尤其是靠近皮肤的剂量，直接取决于外部轮廓的形状。

体积绘制

       在TPS中，轮廓的3D形状是在CT图像上从使用曲面网格绘制的一组2D轮廓衍生而来的。每个体素的分类基于TPS中用于体积绘制的梯形。以患者体积内的体素计算的剂量取决于CT层厚或图像分辨率。尽管在需要更高精度的情况下，可以以更精细的分辨率计算DVH和剂量阵列，但在本研究中，整个TPS的剂量网格分辨率均保持在1.25 mm。观察到轮廓体积的差异在0.5%以内，但轮廓非常小的情况除外。

密度覆盖

       当成像对比度用于增强成像或金属伪影时，也必须考虑密度覆盖。Eclipse和Monaco在剂量计算算法中使用相对电子密度，而Pinnacle使用物理密度，导致比较中出现差异。此外，由泡沫内芯和碳纤维外层组成的治疗床结构必须达到制造商参考手册中规定的均匀密度。

水剂量或介质剂量

       TPS之间另一个可能导致额外错误的差异是TPS计算剂量的介质。大多数TPS报告水的剂量，而基于MC的TPS默认报告介质的剂量。为了将剂量与其他TPS进行比较，对介质的计算剂量重新计算为均匀的水介质。

束流模型比较

       重要的是确保不同TPS之间的束流模型一致。为了验证这一点，应评估输出系数、舌槽效应和MLC泄漏。一个均匀的模型用于验证该数据。根据为模型选择的密度，可以比较在模型不同深度进行的测量和在每个TPS中计算的水、肺或骨的测量。

统计不确定性

       在剂量计算中选择的统计不确定性会影响等剂量分布和DVH。由于不确定度百分比是参照最大剂量计算的，因此低剂量区域通常具有更高的不确定度。高达2%的统计不确定性可能会产生可忽略的影响，但任何更高的不确定性都会影响DVH的形状和等剂量分布。我们的MC计算的最大不确定度为1%。

测量的验证

       为了进行束流模型比较，在尺寸为30cm×30cm×40cm的水、肺和骨介质的均匀模型上计算剂量。在5cm、10cm和20cm深处测量的10cm×10cm开放光束的点剂量在三个TPS中进行交叉比较。

       此外，通过辐照IROC Houston提供的RTOG胸肺模型进行了独立验证。该模型代表一个异质性移动的肺，包括一个位于中心的靶点。除了位于靶体内上下两个位置的两个热释光剂量计（TLD）外，还使用三个辐射变色胶片来分析治疗的准确性。

计划对比

       在Velocity方面，Monaco被选为参考TPS。选择的危及器官（OAR）为肺患者的全肺和PTV进行比较；HN患者的左右腮腺、下颌、脑干和PTV。比较两种方案，生成等剂量曲线和DVH。根据研究目的建立耐受表，包括PTV体积为98%、50%和2%时的剂量，以及总肺体积为20%和5%时的剂量。记录这些数字以及所有OARs的最大剂量和平均剂量。Monaco与CCCS或AAA计算剂量之间的这些指标的绝对百分比差异是所有患者的平均值。

还计算了PTV的均匀性指数（HI）和适形指数（CI）。

统计分析

正常分布的测试是使用Shapiro-Wilk测试的R统计软件包（R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria）。

对于正态分布数据，使用配对双尾Student t检验来检验统计显著性。对于偏离正态分布较大的分布，采用Wilcoxon符号秩检验。P值小于0.5具有统计学意义。

3. 结果

剂量学验证

在整个TPS的束流模型比较中，均匀水和肺模型中5cm、10cm和20cm深度处的开放束剂量计算彼此一致，在1%以内。在均匀的骨密度介质中，在Pinnacle3、AAA和Monaco计算中观察到高达3%的剂量差异。

在NovalisTx直线加速器中使用6X光束照射RTOG肺体模时，将两个TLD的测量值（在IROC Houston)的报告中说明）与TPS计算剂量进行比较。请注意，表 1 列出了所有TPS中测量和计算的水剂量差异百分比，以及Monaco的介质剂量差异百分比。

患者计划对比

表 2 和表 3 列出了相应Monaco计划中CCCS和AAA计划的这些剂量学参数绝对百分比差异的平均值和范围。表 2 分别列出了肺肿瘤患者的6MV和10MV光子束计划，表3分别列出了HN肿瘤患者的6MV和10MV光子束计划。需要注意的是，Eclipse TPS的束流模型仅适用于Novalis Tx直线加速器。

表 2 和表 3 中列出的数值表明，所有能量和所有位置的HI值始终存在较大的总百分比差异。CCCS计划中的HI值明显低于Monaco，表明剂量分布均匀。

       所有OAR剂量值的百分比差异在5%以内，而腮腺是HN计划中一个显著的例外。Monaco计划中对任一腮腺的平均剂量明显低于使用6X光束的CCCS或AAA计划。虽然同样的趋势在10X光束中也很明显，但差异还不够显著。

       尽管所有Monaco计划的CI低于CCC或AAA计划，但差异并不显著。在所有TPS中，10X光子计划比相应的6X光子计划具有更高的CI值，这可以从10X光子束中更大的V100（100%等剂量曲线体积）值来解释，因为横向电子散射更大。图 1 显示了使用Monaco、CCCS和AAA的肺肿瘤患者DVH的典型示例。

4. 讨论

       通过调查将Monaco与AAA和CCC进行比较的DVH，我们假设，如果将Monaco用作金标准，AAA往往高估所有病例的PTV剂量，这些病例可以通过D2、D50、D98和V100的值进行验证。正如你在肺计划的表 2 和表 3 中所看到的，在CCC和AAA中，PTV和肺OAR的平均剂量差百分比均低于3%。对于已知具有高强度调制的HN，在右侧和左侧腮腺观察到两种方案之间的最大剂量差异。对于任何一种能量的所有计划类型，在计算中都会出现显著的差异。图 1 显示了PTV的DVH肩部的差异。

       Chen等人回顾了放射治疗中使用的剂量计算算法的影响，并列举了类似的结果。Knoos等人研究了不同算法的性能，根据四种常见疾病部位的电子传输模型将其分为两组。Knoos发现，在解释电子传输和体积散射变化的算法中，可以获得更准确的异质介质剂量计算。同样，在我们的研究发现，对于所有计划，CCCS和AAA计算出了更高的PTV覆盖率，尽管CCCS低估了最大剂量，而AAA高估了肺和HN计划。

       Hasenbalg等人使用铅笔束卷积作为比较工具，完成了与我们研究类似的比较。他们还发现，AAA和CCC算法与MC版本的VMC相比表现良好，而铅笔束往往高估了剂量覆盖率，尤其是在高异质性区域。Hasenbalg研究的DVH显示，AAA评估PTV覆盖率，而CCC与VMC更匹配。

       在Ojala等人的一项立体定向肺计划比较研究中，使用DVH和gamma分析，剂量分布显示AcurosXB和MC之间高度一致，但对于小于20–25 cc的PTV，报告的差异更大。然而，由于队列较小，我们无法确定较小PTV的大剂量差异趋势。

5. 结论

通过本研究，我们可以得出结论，不同TPS的剂量计算可能存在差异。这些差异可能相对较小，但当使用DVHs进行比较时，它变得明显。这些差异很可能源于TPS中使用的剂量计算算法的固有差异。Monaco采用蒙特卡罗法，使其能够进行更详细的计算，从而被视为最准确的黄金标准。然而，由于它与CCCS和AAA之间的计算差异不大，计算时间越快，后两者在临床环境中就越有吸引力。

翻译：李一钰

编辑：孙无忌

校对：王辉东

吉林大学第一医院 放疗科