独立验证软件Arc QA与Veri QA在调强放疗计划验证中的剂量学比较

潘淑豪

安徽医科大学第一附属医院 肿瘤放疗科，安徽 合肥 230022

引言

调强放射治疗（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）是目前临床上最常用的放射治疗技术之一。IMRT 在实现高度适形和不规则剂量分布的同时，能最大限度地降低危及器官的受照射剂量。由于肿瘤靶区和危及器官的位置相邻，因此靶区很小的剂量误差都有可能造成严重的组织损伤。为了保证放疗计划的安全实施，在患者放疗前有必要对治疗计划系统（Treatment Planning System，TPS）输出的IMRT 计划进行剂量分布验证，确保剂量传递的精确性，运用的主要方法是基于测量的剂量验证[1]和基于计算的剂量验证[2-3]。目前多采用基于测量的剂量验证进行计划的质量保证（Quality Assurance，QA），该方法耗时耗力，受限于测量设备的验证精度，且无法发现TPS 本身的计算错误。剂量计算错误的原因有：① 算法在特定系统内的具体实现；② 由特定参数下的架构缺陷导致的软件故障[4]。基于不同算法的独立计算验证重复TPS 出现计算错误的可能性很低。

基于计算的剂量验证简单且高效，可以检查数据传输的准确性和计划执行的正确性，目前国内外已陆续开展相关研究[5-9]。蒙特卡罗（Monte Carlo，MC）算法已用于独立计算验证[10-13]，但目前基于MC 算法的对比研究较少。本研究拟评估和对比基于MC 算法的2 款剂量验证软件Arc QA 和Veri QA 在IMRT 计划验证中的临床结果。

1 资料与方法

1.1 临床资料

选取2022年1—6月在我院行头颈部、胸部、腹部3 类肿瘤调强放疗患者的治疗计划为研究对象，总计87 例，其中头颈部17 例，胸部46 例，腹部24 例。头颈、胸及腹部放疗计划均采用固定野调强技术，5～7 个野不等。所有放疗计划均通过测量的剂量验证。研究已经本院伦理委员会审批通过（批准文号：2019C049），所有患者均知情同意。

1.2 仪器设备

放疗计划使用直线加速器VitalBeam（瓦里安，美国）。VitalBeam 光子线有6 mV、6 mV-非均整过滤器（Flattening Filter Free，FFF）、10 mV 及10 mV-FFF 共4 挡能量，本研究使用6 mV 光子线，其中剂量率为600 MU/min。TPS 使用Eclipse 13.6 治疗计划系统（瓦里安，美国），该系统主要有笔形束卷积算法、各向异性分析算法（Anisotropic Analytical Algorithm，AAA）及外照射光子剂量算法，本研究中TPS 采用AAA 算法。

剂量验证软件Arc QA 和Veri QA 均基于MC 算法。其中Arc QA 是一款由安徽慧软科技公司开发的具有图形处理单元加速功能的验证软件；德国PTW 公司研发的Veri QA 则最大限度地提高了效率并减少了非高斯噪声。剂量验算时，放疗计划通过本地瓦里安网络传至验证软件。验算完成后，验证软件给出剂量-体积直方图（Dose-Volume Histogram，DVH）验算结果、γ通过率及审查结论（包括通过、警告和不通过）。本研究使用3%/3 mm 默认标准的平均γ通过率对计划靶区（Planning Target Volume，PTV）展开验证分析。

1.3 剂量比较

通过选择DVH 参数中PTV 的最小剂量、最大剂量、平均剂量和95%体积剂量（D95%）以及危及器官的平均剂量来分析验证软件与TPS 间关于靶区的剂量差异，并评估二者的一致性。剂量学差异值根据公式δ=(DVal-DTPS) / DTPS×100%计算，其中，DVal为验算剂量，DTPS为TPS 计算剂量。

1.4 统计学分析

2 结果

2.1 PTV参数及剂量差异分布

头颈部、胸部、腹部调强计划中PTV 的靶区体积、适形度指数（Conformal Index，CI）、均匀性指数（Heterogeneous Index，HI）及机器跳数（Monitor Unit，MU）如表1所示。其中，胸部肿瘤的靶区体积最小、适形度及均匀性最差，同时胸部肿瘤放疗过程中加速器的MU 最小。

表1 患者不同部位PTV参数（±s）

表1 患者不同部位PTV参数（±s）

注：CI：适形度指数；HI：均匀性指数；MU：机器跳数。

部位病例数/例 体积/cm3CIHIMU头颈部 17 988±584 0.86±0.04 0.11±0.06 1038±385胸部46 504±252 0.73±0.10 0.17±0.09 851±272腹部24 748±215 0.86±0.04 0.11±0.04 1307±157

验证软件与TPS 间关于PTV 的DVH 参数剂量差异中位值均在±1%以内，显示验证软件Arc QA 和Veri QA 均与TPS 具有良好的一致性，其中PTV 的最小剂量、最大剂量、平均剂量和D95%剂量验算差异箱线图如图1所示。

图1 验证软件Arc QA/Veri QA与TPS间PTV剂量差异箱线图

2 款验证软件关于不同瘤种间PTV 的剂量验算差异分布略有不同，但DVH 参数剂量差异中位值均在±2.5%以内，再次说明验证软件Arc QA 和Veri QA 均与TPS具有良好的一致性。Arc QA 和Veri QA 在头颈部、胸部及腹部瘤种间PTV 剂量差异箱线图分别如图2a、2b所示。

图2 验证软件Arc QA（a）和Veri QA（b）在不同瘤种间PTV剂量差异箱线图

2.2 PTV剂量差异比较

在头颈部肿瘤放疗计划中，PTV 的最小剂量、最大剂量、平均剂量及D95%剂量验算差异均在±1%以内，Arc QA 在数值上表现出与TPS 更好的一致性，但Arc QA 和Veri QA 所得出的各组数据差异均无统计学意义（P＞0.05），见表2。

表2 2款验证软件头颈部剂量参数差异值比较（%，±s）

表2 2款验证软件头颈部剂量参数差异值比较（%，±s）

软件最小剂量 最大剂量平均剂量D95%Arc QA 0.16±1.80 0.04±0.87 -0.04±0.51 -0.58±0.78 Veri QA 0.05±0.61 -0.45±0.85 -0.42±0.52 -0.76±0.76 t值0.1912.1972.0060.486 P值0.8530.0560.0760.638

在胸部肿瘤放疗计划中，Arc QA 和Veri QA 在与TPS 的一致性上表现相当，其中Arc QA 和Veri QA 的最小剂量差异分别为-0.09%±2.31% 和1.08%±1.11%，最大剂量差异分别为1.43%±1.46%和-0.13%±2.59%，差异均有统计学意义（P＜0.05），平均剂量及D95%计算结果差异均无统计学意义（P＞0.05），见表3。

表3 2款验证软件胸部剂量参数差异值比较（%，±s）

表3 2款验证软件胸部剂量参数差异值比较（%，±s）

软件最小剂量 最大剂量 平均剂量D95%Arc QA -0.09±2.31 1.43±1.46 0.03±1.13 -0.35±1.28 Ver i QA 1.08±1.11 -0.13±2.59 0.01±0.70 -0.18±1.19 t值-2.9673.3540.077-0.647 P值0.0050.0020.9390.521

在腹部肿瘤放疗计划中，Veri QA 表现出与TPS 更好的一致性，其中，Arc QA 和Veri QA 的最小剂量差异分别为-1.48%±1.56%和-0.36%±0.35%，平均剂量差异分别为-1.76%±0.66%和0.84%±0.37%，D95%剂量差异分别为-2.18%±0.51%和-1.01%±0.47%，差异均有统计学意义（P＜0.05），最大剂量计算结果差异无统计学意义（P＞0.05），见表4。

表4 2款验证软件腹部剂量参数差异值比较（%，±s）

表4 2款验证软件腹部剂量参数差异值比较（%，±s）

软件最小剂量 最大剂量 平均剂量D95%Arc QA -1.48±1.56 -1.20±1.03 -1.76±0.66 -2.18±0.51 Veri QA -0.36±0.35 -0.94±0.53 0.84±0.37 -1.01±0.47 t值-3.459-1.206-5.163-6.993 P值0.0020.240＜0.001＜0.001

2.3 危及器官剂量差异比较

在危及器官平均剂量差异值比较中，Arc QA 和Veri QA 的验算差异均小于±1.5%，进一步说明2 款验证软件与TPS 间具有良好的剂量学一致性。Arc QA 和Veri QA 在头颈部、胸部及腹部危及器官中的验算结果有区别，但无统计学意义（P＞0.05）；对于腹部危及器官，2 款验证软件的平均剂量验算差异偏高于头颈部和胸部，见表5。

表5 2款验证软件危及器官平均剂量差异值比较（%，±s）

表5 2款验证软件危及器官平均剂量差异值比较（%，±s）

软件脑干视交叉脊髓双肺膀胱直肠Arc QA-0.03±0.510.25±0.450.47±0.670.31±1.01-0.71±0.35-0.97±0.56 Veri QA-0.14±0.63-0.03±0.70-0.12±0.750.25±0.83-1.01±0.44-0.86±0.43 t值1.9361.6452.128-1.003-1.744-1.455 P值0.0980.1760.0750.4230.0960.160

2.4 γ通过率比较

在头颈部、胸部和腹部3 个部位中，Arc QA 和Veri QA 关于PTV 的计划剂量验证γ平均通过率均＞95%，显示验证软件的剂量验算结果与TPS 的初始剂量计算结果具有良好的一致性。Arc QA/Veri QA 与TPS 的平均γ通过率在头颈部、胸部和腹部肿瘤靶区中分布不同，在胸部分别为95.74%±3.16%和99.37%±0.77%，在腹部分别为97.10%±2.41%和99.84%±0.17%，结果显示，Veri QA 优于Arc QA，且差异均有统计学意义（P＜0.05）；对于头颈部肿瘤靶区，Veri QA 的γ通过率略优于Arc QA，但差异无统计学意义（P＞0.05），见表6。

表6 2款验证软件γ通过率比较（%，±s）

表6 2款验证软件γ通过率比较（%，±s）

软件头颈部胸部腹部Arc QA98.90±1.9995.74±3.1697.10±2.41 Veri QA 99.21±0.8-0.529 0.610599.37±0.7799.84±0.17 t值-5.972-5.133 P值＜0.001＜0.001

3 讨论

放疗计划的QA 是现代肿瘤放射治疗过程中不可或缺的一步。通常在治疗前使用电离室矩阵对患者放疗计划进行剂量验证，在3%/3 mm 的默认标准下，通过其γ通过率评估调强计划是否满足临床要求：当γ通过率≥95%时，调强计划符合临床要求，可用于患者放疗；当γ通过率＜95%时，需分析原因，重新验证或优化调强计划。然而基于测量的计划验证在患者的解剖结构方面信息不足且需要额外的人力付出，因此，强化的放疗计划验证工具可能对提升放疗计划QA 的质量和效率更有明显意义。Arc QA 与Veri QA 均是基于计算的独立剂量验算软件，可在后台数分钟内自动完成放射治疗计划的验证，验算过程多样且可重复。验证软件基于机器安装时的基准参数进行剂量验算，与TPS 处理环境一致，可发现计算中源于TPS 模型、算法或配置的剂量学误差，这些有临床意义的误差测量验证很难被发现[14]，同时验证软件还可检验数据传输的准确性。测量验证基于实时机器参数，引入了剂量精度、机械精度及摆位误差等因素，可测出实际的剂量沉积。相较于测量验证单一结果即γ通过率，验证软件还能算出DVH 参数剂量验算差异值，有助于放疗计划的综合评估。这2 种验证方法各有利弊，若能互相补充、有效结合，则可节约人力成本，提高日常QA 的整体效率。由于机型、验证方法的不同[15-17]，不同机构间验算结果存在差异[18]，且基于MC 算法的剂量验证尚未有统一的误差标准。本研究基于2 款验证软件分析MC 算法在剂量验算中的验证误差，分析了不同瘤种间的验算差异，有助于建立独立验证的行动阈值。本研究对头颈部、胸部和腹部调强计划进行了三维剂量验证，分析了靶区的最小剂量、最大剂量、平均剂量及D95%剂量差异以及γ通过率，有助于更加全面地了解患者的靶区剂量信息，同时还进一步分析了危及器官的剂量验算差异，有助于放疗计划的优化。

本研究收集了头颈部、胸部及腹部3 个部位共计87 例肿瘤调强放疗计划，定量评估了Arc QA 与Veri QA 间的剂量验算差异。研究结果显示，对于加速器VitalBeam，验证软件Arc QA 和Veri QA 的剂量分布与TPS 输出计划有着良好的一致性，且γ通过率分析均在95%以上，符合调强计划验证要求。

验证软件与TPS 间关于PTV 的DVH 参数剂量差异中位值均在±1%以内，整体一致性较好。Arc QA 和Veri QA 与TPS 的靶区DVH 剂量差异均在±2.5%以内。根据不同瘤种间剂量验算差异的不同可以看出，对于头颈部靶区，Arc QA 和Veri QA 与TPS 的一致性相当；对于胸、腹部靶区，整体来看，Arc QA 较于Veri QA剂量验算差异稍大，Veri QA 与TPS 具有更好的一致性。相较于头颈部、胸部危及器官，腹部危及器官的验算差异偏大。

头颈部计划中，Arc QA 和Veri QA 与TPS 关于肿瘤靶区的平均γ通过率均＞98%，二者剂量验证表现较好且相当；在胸、腹部肿瘤靶区的平均γ通过率中，Veri QA 与TPS 显示更好的一致性，Arc QA 与TPS 的一致性有所降低，特别是胸部肿瘤计划。胸部肿瘤计划涉及空腔（肺）的剂量计算，而不同算法对空气中剂量沉积的计算精度不同[19-20]。与AAA、筒串卷积算法[21]相比，MC 算法在二次电子输运模型上获得了更大改进，可以在生物组织中计算剂量沉积，故在异构区域的剂量测量性能方面较AAA 算法更精确。结合2 款软件的独立验证，基于MC 算法的剂量验算误差在±2.5%以内，平均γ通过率在95%以上。未来计划在其他TPS 和加速器中进一步比较2 款剂量验证软件。

4 结论

利用Arc QA 和Veri QA 2 款验证软件对IMRT 计划进行验证简单、高效且可行，均表现出了与TPS 具有很好的一致性，可作为第三方软件用于放射治疗临床剂量验证工作。2 款验证软件具有增强现有治疗计划验证范式和提高临床治疗计划及审查过程安全性的潜力。