【论着】| uRT-TPS和Monaco-TPS对同一直线加速器在多癌种放射剂量计算方面方差的比较

［摘要］ 背景与目的：近年来，国产放疗设备及相关软件取得了长足的进步，对设备及软件的功能和稳定性进行测试是必不可少的一步。本文重点比较了 uRT 治疗计划系统 (TPS) 和 Monaco-TPS 在常见癌症的调强放射治疗 (IMRT) 计划剂量测定和危及器官 (OAR) 体积计算方面的差异，并评估了其可行性使用 uRT-TPS 进行 Infinity 直线加速器（直线加速器，Elekta，瑞典）的剂量计算。方法：选取直肠癌、肺癌、乳腺癌、鼻咽癌20例。IMRT 计划已在 uRT-TPS 和 Monaco-TPS 中完成。比较相同处方PTV剂量下两个计划的剂量均匀度和符合度、平均剂量、最大剂量的计划靶区(PTV)和OAR。并比较了在同一直线加速器上验证的两种TPS方案的通过率。同时，比较了uRT-TPS和Monaco-TPS中的监测单位（MU）、源皮距离（SSD）和OAR体积。结果： uRT-TPS和Monaco-TPS均获得了符合临床要求的精彩方案。PTV 获得了相当的均匀性和适形性，uRT-TPS 的 PTV 最大剂量减少了 1.1 Gy（P=0.006）。对于乳腺癌和肺癌，Monaco-TPS在肺部的剂量较低（P＜0.05）。对于鼻咽癌，uRT-TPS中口腔和咽喉的剂量指标分别降低了9.2%和5.1%。两种方案的绝对点剂量（＜3%）和三维面剂量（＞95%）验证结果均满足临床要求。uRT-TPS 的感兴趣区域比 Monaco-TPS 更小（P＜0.05）。结论： uRT-TPS 和 Monaco-TPS 中针对常见肿瘤获得了可比较的 IMRT 计划。使用uRT-TPS计算Infinity直线加速器的剂量是可行的。

［关键词］调强放射治疗；uRT-治疗计划系统；摩纳哥治疗计划系统

20年，调强适形放疗（intensity-modulated radiotherapy，IMRT）已在国内得到广泛应用，最初于过去传统三维适形放疗（third Dimensional Conformal Raditherapy，3D-CRT），其在向靶计划区（规划目标量，PTV）管道较高剂量的同时又具有高度的适形性，可保护正常组织的合理合理剂量^［1-3］。获得优秀的放疗计划不仅与物理师的经验有关，直线加速器的性能和治疗计划系统（治疗计划系统，TPS）也衍生出了关键的，各厂商因此除了硬件设备的更新迭代外，也致力于开发出计算准确、优化函数专业和优化时间短的TPS。上海联影医疗科技股份有限公司推出的放疗平台uRT直线加速器及uRT-TPS已开始在国内多家放疗中心运行，其临床表现已得到初步认可。目前复旦大学附属肿瘤医院有多台Infinity直线加速器（瑞典Elekta公司）和uRT直线加速器（上海联影医疗科技股份有限公司），分别对应Monaco-TPS和uRT-TPS。Monaco-TPS使用基于蒙特卡罗X射线体素（X射线）体素蒙特卡罗，XVMC）算法模拟数百万个粒子在介质中的传输过程，计算并存储每个粒子在体素中吸收剂量的沉积情况，具有极高的计算精度，被证明是较精确的剂量建模方法^［4-7］但当前版本的Monaco-TPS存在硬件加速问题，且不支持图形处理器（图形处理单元，GPU）加速。uRT-TPS模拟计算准确、优化速度快、跳数（监控单元，MU）优化和人工智能（人工智能，AI）赋能等闪电优点。若实现uRT-TPS对其他品牌的直线加速器进行剂量计算，将在一定的模拟器中模拟医师和物理师的临床工作强度。因此本研究尝试使用uRT-TPS对Infinity直线加速器进行建模，评估利用uRT-TPS对Infinity直线加速器进行模型优化计算的吸声。

1 资料和方法

1.1 直线加速器及TPS

复旦大学附属医院台Infinity直线加速器，其敏捷机头80对5毫米宽的位置运动多叶准直光栅，等中心面积具有射野最大为40 cm×40 cm，可满足目前大多数放疗技术的硬件需求。其光子束有6 MV和6 MV非均整（无平坦化滤波器，FFF）两个能量阻挡位，最大剂量率分别为600和1 400 MU/min，本研究主要针对6 MV光子束进行剂量学分析。

文中Monaco-TPS为5.11版本，剂量算法为X-Ray Monte Carlo；uRT-TPS为本地1.0版本，剂量算法为锥形束曲面算法（collapsed Convolution，CCC），优化为控制点优化算法。文中两套IMRT计划的实现方式：动态IMRT（dynamic IMRT，d-IMRT），计算网格大小为3 mm×3 mm×3 mm；最小子野宽度为0.5 cm，最大控制点个数为50个，模型剂量600 MU/分钟。点绝对剂量计划验证使用德国PTW公司的UNIDOS模型剂量仪及300130.6 cm ³的指型电离室，三维面剂量验证使用瑞典ScandiDos公司的Delta ⁴模体。

1.2 病例数及IMRT计划的制定

自2022年9月在复旦大学附属肿瘤医院uRT直线加速器（上海联影医疗科技股份有限公司）上接受放疗的80例患者中随机一批20例，包括直肠癌、肺癌、乳腺癌和鼻咽癌各5例。患者每天治疗1次，每周5次，其处方剂量如下：

⑴直肠癌：单次2 Gy，共25次。

⑵ 肺癌：单次1.8 Gy，共28~34次。

⑶ 乳腺癌：4例单次2.67/3.20 Gy（同步推量），共15次；1例单次2 Gy，共25次。

⑷鼻咽癌：单次1.8~2.2 Gy，共30~35次。患者有2~4个靶区，且处方处方各不同。

我们将患者计算机体层成像（计算机断层扫描，CT）影像先导入uRT-TPS进行PTV及危及器官（处于危险中的器官，OAR）勾画并放疗治疗计划，然后经医学数字成像和通信（数字成像和通信）医学，DICOM）影像传输协议导入摩纳哥-TPS中制定放疗计划。相同病例计划的射野中心、射野数、多叶光栅与治疗床角度及处方剂量均相同。为保证计划质量不受物理师经验影响影响，在临床优化目标一致的条件（处方剂量95%的剂量线覆盖靶区，各OAR的剂量废水目标一致）下，由具有3年计划经验的相同物理师完成所有计划优化计划。由物理师在uRT-TPS中根据经验设计，得到初步计划，然后根据各PTV和OAR的配量进一步优化，配量满足临床配量要求。将uRT-TPS中的优化结果作为Monaco-TPS的优化条件，在满足PTV临床要求下放松或收紧OAR的剂量透析。最后请1名具有8年以上工作经验的物理师完成计划审核。计划完成后，对所有IMRT计划进行点绝对剂量及三维面剂量验证。

1.3 统计学处理

完成各病例两套IMRT计划后，均在MIM软件（美国MIM公司）中统计PTV和OAR的剂量分配。PTV统计指标有D _max、D _Mean、D _5%、D _95%、VPTV _95%、V _{95% 、均匀性指数（均匀性指数，HI ）}和均匀性指数（一致性指数，CI）。其中D _max和Dmean分别为最大剂量和平均剂量，D _95%和D _5%分别为覆盖PTV体积95%和5%的剂量，VPTV _95%和V _95%分别为95%处方剂量线覆盖PTV的体积和95%处方剂量的体积。HI=1-( _D 5 _% - D _95% )/ Dmean，CI= VPTV _95% / V _95%，HI和CI闲置0~l之间， HI越接近于0表示靶区的形状性相当好，CI越接近1表示靶区的形状性相当好^{［ 8-9］}。各病种OAR的统计指标见表1。

评价以上各参数时，对同一计划在uRT-TPS和Monaco-TPS中进行相同剂量归一，即95%的处方剂量覆盖整个PTV。评价uRT-TPS和Monaco-TPS优化的计划哪个在执行时更省时，统计每个计划的MU。除模型评估外，我们统计源皮距（源皮距离，SSD）和各OAR的体积来评价CT图像在uRT-TPS和Monaco-TPS中的重建方差。

采用SPSS 22.0软件对上述数据进行统计学分析，结果以x±s表示。本研究主要分析uRT-TPS和Monaco-TPS对同一病例计划及验证结果的差异，各病种结果呈非正态分布，采用Wilcoxon符号排序和检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 PTV剂量学及MU的方差

所有IMRT计划在满足临床剂量要求后，PTV各剂量指标及MU见表2。从总体来看，uRT-TPS和Monaco-TPS之间仅在D _max指标上具有显着差异，uRT-TPS的剂量热点控制较好，最大剂量平均减少约1.1 Gy。uRT-TPS和Monaco-TPS的D_平均值和高剂量区D ₅无显着差异，说明uRT-TPS和Monaco-TPS的质量基本一致，靶区的HI和CI也没有表现出差异，进一步印证了这一结果。uRT-TPS和Monaco-TPS在各病种靶区样本的差异如图1，指标差异的计算方法为Difference=(uRT-Monaco)/Monaco× 100%。uRT-TPS在直肠癌计划中具有较高的Dmean_的同时又降低了Dmax（P <0.05），在靶区分布均匀性和热点控制上表现优异；对于肺癌和乳腺癌，_靶区D _max较小，没有明显差异；鼻咽癌的计划较复杂，有多个不同处方剂量的靶区，但uRT-TPS和Monaco-TPS最终实现水平其他的临床计划，PTV虽然有数值差异但差异无统计学意义（P在靶区配型均匀性和适形性方面，由于鼻咽癌有多个不同剂量剂量的PTV，这里只统计计划中配型最大的靶区配型均匀性和适形性。uRT- TPS在直肠癌和肺癌中的表现与Monaco-TPS相比，在乳腺癌和鼻咽癌中无显着差异，说明URT-TPS在单处方单一靶区的剂量分配上表现较好。 ，相对于Monaco-TPS，uRT-TPS在直肠癌和乳腺癌中具有较低的MU且差异具有统计学意义（P＜0.05），差异值分别为-33.1±53.5和-162.7±247.7，而在鼻咽癌中虽具有较高的MU，差异值为62.8±58.3，但差异无统计学意义（P＞0.05）。

2.2 OAR剂量参数比较

uRT-TPS和Monaco-TPS在各病种中OAR的数据差异见图1。对于直肠癌，两套IMRT计划在左右股骨头中的平均数据差异具有统计学意义（P＜0.05），使用uRT- TPS的计划左右股骨头分别比Monaco-TPS下降约8.26%和7.23%；uRT-TPS和Monaco-TPS在时序中的剂量分布差异大幅加大，Monaco-TPS的高剂量区域偏多，低剂量区域对于肺癌计划的优化，Monaco-TPS在正常肺组织低剂量区域分布较少，V ₅和V ₂₀均较低，但uRT- TPS在正常肺组织中的平均剂量降低约1.51%，说明Monaco-TPS更偏重降低正常肺组织低剂量区域的受量，而uRT-TPS更偏重降低正常肺组织的高剂量区域，进一步降低uRT-TPS和Monaco-TPS在乳腺癌计划中的剂量分布无显着差异，仅在患侧肺的V ₂₀指标上Monaco-TPS表现稍好，整体差异无统计学意义（P＞0.05），临床上不构成增量优势；由于病例出现的乳腺癌，心脏受量均较低（均值分别为172.4±81.7和161.8±89.5），但uRT- TPS在个别病例上大幅增加。 对于鼻咽癌，总体上uRT-TPS和Monaco-TPS在OAR上的数量变异大幅增加，特别是小器官，如晶状体、视交叉和视神经等，但差异最大无统​​计学意义（P＞0.05），主要是因为OAR体积小、多空腔且距离靶区较近，在最终剂量计算时易出现剂量极值。

图1 uRT-TPS和Monaco-TPS IMRT计划在PTV和OAR上的剂量学差异

图 1 uRT-TPS 和 Monaco-TPS IMRT 计划之间 PTV 和 OAR 的剂量差异

A：直肠癌，B：肺癌，C：乳腺癌，D：鼻咽癌。剂量单位：Gy；□：平均值；*：统计上显着差异。

2.3 uRT-TPS和Monaco-TPS的计划验证

各病例在uRT-TPS和Monaco-TPS中计划完成设计后，由经验丰富的物理师完成计划验证，并在临床表现良好的无限直线加速器上分别对各计划进行点绝对剂量和三维面剂量验证，对于点绝对剂量验证计划的对照组，均移植原计划至水模体（美国Standard Imaging公司）上计算，将电离室移至模型分布平缓区域（uRT-TPS中电离室剂量标准差）小于3，Monaco-TPS中电离室模拟指数均匀小于1.04）测量且该区域剂量大于处方剂量80%。对于三维面模拟验证计划的，将计划移植至Delta4 Phantom+模体上计算，验证水平和垂直直正交两个平面模型，最大测量射野为20 cm×38 cm，总测量点数共1 069个，伽马通过率评价的模型阈值下限为10%。上看，所有计划总体的点绝对值偏差偏差均小于3%；三维面测量的3 mm范围内相对偏差偏差小于3%的Gamma通过率均在95%以上，且总体在97%以上，验证结果均满足临床要求。uRT-TPS与Monaco-TPS计算的同一病例计划验证结果之间无显着差异，各病种之间的计划验证通过率也无显着差异。

图2 各IMRT计划的点绝对模拟和三维面模拟验证结果

图2 每个IMRT计划的点绝对剂量和3D表面剂量验证结果

2.4 SSD和OAR体积计算的差异

除体积学的差异比较外，本研究还对uRT-TPS和Monaco-TPS在CT影像的重建及感兴趣区体积计算上的差异进行对比，主要是为了比较uRT-TPS和Monaco-TPS对空间体积CT图像在TPS中会被划分为多个体积元，体积元的数量和大小由TPS默认的图像分辨率决定^［10-11］。由于各体积元的介质组成和密度不同，当光线经过各体积元时所吸收的辐射剂量也不同，最终体现在各受关注区的剂量分布上，因此OAR体积计算的准确性对后期计划评估关键。对体积计算的方差主要体现在关注区边界处，在不满一个体积元时，各TPS其体积计算有不同的策略，肿瘤表3给出各病种患者在uRT-TPS和Monaco-TPS中OAR体积计算的统计值。从表中可以看出所有统计学指标uRT-TPS均比Monaco-TPS小，且差异有统计学意义（P＜0.05）。晶状体和视神经等小体积OAR差异增大，晶状体和视神经等差异最大分别达到47.55%和45.33%。PTV、股骨头、肺和心脏等体积增大的OAR体积计算差异较小，均值小于3%。另外，对于SSD，本文采用0度摆位野的SSD并在肺窗（窗位/窗宽，-300/1 600）条件下在各TPS中完成数据统计，uRT-TPS也均小于Monaco-TPS，差异具有统计学意义（P＜0.05）。

3 讨论

最近20年，IMRT计划已在国内广泛应用。得益于IMRT计划具有同样适形性的特点，患者靶区在接受高剂量放疗的同时正常组织也能得到较好的保护，能够提高肿瘤局部控制率并降低局部风险，从而大大降低患者因放疗导致的损伤及并发症的严重程度。目前，主流的3款导入TPS（Pinnacle-TPS、Monaco-TPS和Eclipse-TPS）了主导地位，且用于放疗的直线加速器也基本被国外公司垄断。由于国外具有先发优势，国产直线加速器及TPS软件难以与之竞争。因此，研发性能良好的国产设备及软件尺寸极为重要，也符合国家健康发展战略。

根据本研究的剂量数据统计结果，uRT-TPS和Monaco-TPS对直肠癌、肺癌、乳腺癌和鼻咽癌患者进行更好的放疗计划，在保证靶区剂量一定形状性和均匀性的情况下同时有效地保护正常组织，满足临床剂量学要求。对于PTV的结果，虽然总体差异无统计学意义，但uRT-TPS对计划热点控制较好，主要是在计划优化最终阶段引入对靶区热点的增加此外，在直肠癌和肺癌的靶区剂量上也具有更好的适形性和均匀剂量性。由于uRT-TPS在剂量计算的最后阶段对MU采取优化算法滤除面积更小对于OAR来说，Monaco-TPS在正常肺和心脏的保护方面表现稍好，主要是由于其优化策略集中于整体优化。Monaco-TPS的并行和串行优化函数均有一个体积效应参数k，k的大小决定了辐射模型对应曲线的陡峭度：k值越小函数作用体积越大，趋向限制平均模拟；k值越大函数体积作用越小，趋向限制点计算。另外，Monaco-TPS优化时各感兴趣区的上下层排序影响到其优先级，一般PTV为最上层优先级最高，在满足靶区模拟要求的基础上阶梯降低了OAR的受量，这也解释了了本研究中Monaco-TPS在肺V ₅和V ₂₀相对较低的情况下却有相当平均剂量的情况。类似的结果在其他研究中也有出现，例如，杨金磊等^［12］在比较摩纳哥-TPS与Pinnacle-TPS对肺癌的血管调节强的剂量误差时，总结Monaco-TPS在患侧肺高鼻区域模型及平均模型比Pinnacle-TPS高，但低模型区域无显着差异的结果。咽癌，相对于其他3种病种其具有靶区多、形状复杂、OAR多及结构精细等特点，uRT-TPS和Monaco-TPS在晶状体、视神经和视交叉等微小器官均出现日益明显。归因于统计学指标为D _max，且鼻咽结构腔窦基线，当光线通过空腔与实体组织界面时，会产生大量化妆品而导致电子失衡等问题，降低剂量计算的精度，每次优化会出现增量的不确定性性^［13］。另外，uRT-TPS在获得同等质量水平的计划优化时间比Moncao-TPS短的多，主要是因为uRT-TPS在计算时引入了可怕的GPU侵害，大幅加快了计算优化时间，计算优化时间及优化时间平均在1分钟左右。在算法上，Monaco-TPS 5.11的蒙特卡罗算法以概率统计理论为基础，通过模拟上亿个粒子与组织的配合，精确统计出粒子与物质的相互配合当前版本的Monaco-TPS不支持GPU加速，计算磁盘中存储的中间值间隔与调用，所以总体计划优化时间要大于30分钟，鼻咽癌计划因结构复杂优化时间更长。uRT-TPS采用和Pinnacle-TPS类似的锥束形状算法，其原理是利用点核与原光束穿越人体组织时在单位质量物质中所释放的总能量进行形状该算法考虑了不均匀介质中的剂量计算进行了修正，了准直仪、原光束及电子线照射的影响，从而得到了较准确的剂量分配［14 ^{］ -15]}发展受益流算法的发展，改进的uRT-TPS在磁场图优化、刀片序列优化、控制点形状及权重优化等各阶段采用执行效率更高的算法，结合靶区与OAR软硬权重配合得到较好的临床计划，计划优化算法的策略调整包括靶区各指标优先、控制靶区外配适形及压低正常组织受量等。体积计算的方差主要发生在感兴趣的边界处统计，Monaco-TPS将边界处体积元的部分再27等，然后统计该体积元内分感兴趣区的活动，而uRT-TPS利用有向距离场的方式进行统计，对边界统计更加细致，使得最终OAR边界计算更加精细，从而得到的数值较Monaco-TPS小。为进一步研究各TPS间的体积计算的差异，我们在MIM软件中分别勾画体积较小和增大的圆柱体、长方体（直径或）边长分别为1、3和6 cm）等规则结构并导出至各TPS，统计其在MIM、Monaco-TPS、uRT-TPS和Eclipse-TPS等软件中的体积。结果显示，MIM与Monaco-TPS中各规则结构体积基本一致，uRT-TPS与Eclipse-TPS中各体积基本一致，且后面软件中各结构的体积比前面小，也存在体积小结构差异大、体积大的结构差异小的特点，见表4，该结果与既往研究^［10-11］结果一致。对于同一计划在各TPS中的剂量评价，Monaco-TPS与MIM各靶区和OAR剂量基本一致，uRT-TPS中剂量稍偏低，特别是头颈部中小体积OAR，如晶状体、视交叉等。

不同TPS对同一病例的计划差异来自于多方面，虽然本研究中的计划使用同一套CT和靶区，射野数、角度、最大控制点个数、多叶光栅和治疗床角度一致，但仍一致存在不同TPS间的系统差异和人为差异，即优化函数的策略不同，对CT体素的分割也存在差异等；对于验证计划结果也受到验证时摆位精度和机器状态的影响。另外，各TPS在配方计算和结果统计时都有其计算和统计不确定度，除约束条件一致，相同TPS的两次计算结果间也存在差异。

利益冲突声明：所有作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明：

杨彦举：制定临床计划，收集整理数据，撰写论文；

方应涛，高大地：计划验证；

王佳舟，赵俊：论文及修改指导；胡伟刚：研究方向指导。

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