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《Journal of Appllied Clinical Medical Physics》2023年1月 19日在线发表希腊National and Kapodistrian University of Athens 的Evaggelos Pantelis , Andreas Logothetis , Emmanouil Zoros , 等撰写的《用于Leksell GammaPlan放射外科治疗计划的卷积算法的剂量学精度:对存在的临床相关不均匀性的评估。Dosimetric accuracy of the Convolution algorithm for Leksell Gamma Plan radiosurgery treatment planning: Evaluation in the presence of clinically relevant inhomogeneities》（doi: 10.1002/acm2.13903.）。
目的: Leksell Gamma Plan卷积算法 (LGP-Convolution algorithm)尚未被广泛采用。这主要是因为相对于基于标准射线追踪的LGP-TMR10剂量计算算法，计算出的出束时间较高（This mainly stems from the higher calculated beam-on times relative to the standard ray tracing-based LGP-TMR10 dose calculation algorithm）。本研究旨在评估LGP -卷积算法在治疗病灶邻近或被骨骼和/或空气不均匀性包围的情况下的准确性（in scenarios where the treated lesions are in the vicinity of or encompassed by bone and/or air inhomogeneities. ）。 Leksell伽玛刀®(LGK) (瑞典斯德哥尔摩，Elekta Instrument AB)立体定向放射外科系统是利用由60Co放射源产生的多个非共面光子束治疗颅内病变。LGK的放射外科治疗计划使用Leksell GammaPlan®(LGP) (专用治疗计划系统(TPS)进行，该系统提供两种剂量计算算法选项;基于射线追踪和预计算离轴比的TMR10算法，以及卷积算法。LGP -卷积算法基于收缩的（collapsed ）锥形卷积方法，能够在组织不均匀性明显的区域(例如海绵窦或蝶窦解剖区域的病变)精确估算剂量。有几项剂量学研究比较了LGP -卷积算法和LGP-TMR计算算法得到的剂量分布。这些研究表明，对于相同的靶点配置和处方剂量，使用LGP -卷积计算出的出束时间（Beam-On-Times ，BOTs)比使用LGP-TMR10算法计算出的BOT大10%。观察到的差异取决于治疗病变的位置，归因于组织的不均匀性。除了相对增加的BOT, LGP-卷积算法需要较长的计算时间和患者的完整CT扫描。这些差异，再加上整个LGK临床经验都是建立在LGP-TMR算法的基础上，导致了LGP-卷积算法在常规放射外科实践中的适度使用率。这一情况可能会被评估。LGP-卷积在非均匀模型几何形状中剂量学准确性方面益处的其他研究所逆转。计算LGK BOT是基于最大可用准直的衰减校正剂量率测量值，在Leksell立体定向坐标系(x, y, z) =(100,100,100)的单位中心点(UCP)进行。AAPM TG-178建议将Alfonso等提出并遵循TRS-483小野剂量学操作规范的剂量学形式稍加修改后应用于LGK剂量率校准。应用Alfonso等的形式,LGK单元根据位于UCP处直径160 mm的球形水模体中心的水剂量进行校准。因此，LGP-TMR10和LGP-Convolution剂量计算算法均以水剂量校准。TPS中实施的早期剂量计算算法将患者成分视为水(在大多数情况下具有不同密度)，而许多现代算法在计算时也考虑了组织特征。这样的考虑与TPS考虑水和组织之间差异的目标是一致的。对于LGP, LGP- TMR10算法忽略了照射组织的密度和原子组成，将整个头部视为均匀的水物质另一方面，LGP-卷积解释了受照射组织的特征，尽管在介质剂量还是水剂量方面有一些不明确的报道。AAPM TG-329引用了该供应商发表的白皮书，报告称水剂量是通过LGP-卷积算法计算的。然而，在引用的研究中并没有明确提到用于报告剂量的介质。此外，两个独立的基于蒙特卡罗(MC)的研究报告了中等结果的LGP -卷积计算和相应MC剂量之间的良好一致性。因此，不明确性持续存在，影响了剂量处方并阻碍了剂量验证。 本研究旨在评估在治疗病灶接近骨骼和空气不均匀情况下，LGP -卷积计算的剂量分布的准确性。为此，我们使用LGP卷积算法开发了包含单次或多次复合拍摄的临床相关治疗计划，并将其传送到包含骨和空气不均匀性的改良固体水模体。使用GafChromicTM EBT-3胶片(Ashland Inc, Wayne, NJ)和精确的胶片剂量学方案进行实验剂量验证。使用EGSnrc MC平台和之前验证过的基于扇区的相空间源模型对治疗计划进行独立剂量计算。 方法: 对供应商提供的固体水剂量模体进行改进，包括骨和空气的不均匀性。分别研究单个靶点和多个靶点两种治疗计划方案。采用LGP-卷积算法进行治疗计划和剂量处方设计。使用根据60 Co射线束中水的吸收剂量校准的GafChromic EBT3胶片进行三通道胶片剂量测量（ Triple channel film dosimetry was performed using GafChromic EBT3 films calibrated in terms of absorbed dose to water in a 60 Co beam）。利用EGSnrc MC平台和之前验证过的基于扇区的相空间源模型（sector-based phase-space source model），在非均匀实验几何上进行蒙特卡罗(MC)模拟剂量学（Monte Carlo (MC) simulation dosimetry）。MC模拟还用于确定将骨和空气不均匀性点的EBT3测量值从剂量-水值转换为相应的剂量-中值所需的校正因子（MC simulations were also employed to determine correction factors required for converting EBT3 measurements at points within the bone and air inhomogeneities from dose-to-water values to the corresponding dose to medium values. ）。
结果: 在射野大小(4、8、16 mm)为中等校正因子时，EBT3对骨的剂量范围为0.941 - 0.946，对空气不均匀的剂量范围为0.745 - 0.749。LGP-卷积计算结果与相应的EBT3和MC剂量在除空气不均匀性外的所有测量点的中等结果均具有很好的一致性。后者没有临床意义，排除它们后，3%局部剂量差异和1 mm一致性距离标准的γ指数通过率接近100%。LGP-卷积计算结果与胶片和MC结果的一致性良好，表明后者是LGP-卷积算法所报告的剂量。
讨论： 与EBT3实验和MC模拟结果比较，在含有颅骨模拟和空气不均匀性的LGK-SW模型中，两种治疗方案(单个16 mm靶点和多个靶点)的结果表明，LGP-卷积算法成功地预测了13% (1 Gy)等剂量线内所有点的剂量值，除了位于空气不均匀性内的剂量值。排除空气中不均匀性的点，对于3%/ 1mm局部DD%/DTA标准和EBT3或MC结果作为参考剂量分布，伽马指数的通过率接近100%。这种极好的一致性也适用于距离RW3界面1毫米内具有骨或空气不均匀性的体素。这些发现表明，LGP-卷积算法在靶区位于颅骨、鼻腔或海绵窦附近的临床条件下准确地计算了BOT。此外，考虑到其相对于TMR算法的准确性提高， LGP-卷积应用于危及器官(OAR)被骨不均匀性包围的情况下的治疗计划(例如，听神经瘤治疗中的耳蜗)。在位于空气内部的点上，不满足非均匀电子平衡条件，因此LGP卷积不能预测吸收剂量。然而，这些点没有临床意义。 一些研究使用MC模拟和实验剂量测量研究了LGP -卷积算法在均匀和异构体模几何中的剂量测量精度。专注于非均匀几何图形的研究，Choi等使用Geant4 MC平台以及内部DICOM-RT工具包和拟人的头部体模，表明LGP-卷积算法在涉及靠近头骨或靠近蝶骨结构的病变的治疗场景中准确地预测了吸收剂量到中等。在Dubus等的一项实验研究中， STEEVTM拟人的头部体模(美国Norfolkm VACIRS Inc.)含有铝和空气不均匀性被用来在中心立方体附近胶片剂量测量。作者发现LGP卷积计算和EBT3胶片结果在体模的均匀部分和铝和空气的不均匀部分之间有很好的一致性(在2%以内)，尽管就水的剂量而言。 上述结果表明，文献中关于LGP-卷积算法的剂量报告介质存在模糊性。在现代治疗计划系统中实现的基于卷积的剂量计算算法能够计算剂量到介质或剂量到水，这取决于具体的算法实现细节关于LGP-卷积算法，TG-329报告说，水的剂量是引用供应商发布的白皮书计算的，其中剂量报告介质没有明确说明本研究中在骨不均匀点内发现的相应EBT3和MC剂量到介质结果的LGP-卷积剂量值之间的极好一致性，表明剂量到介质是通过LGP-卷积算法计算的。这与Choi等使用MC模拟的结果一致。另一方面，Dubus 等假设位于均质体模内部的EBT3胶片部分测量水的剂量，而位于铝和空气非均质体模内部的部分分别测量铝中的铝剂量和空气中的水剂量。假设LGP-卷积算法计算水的剂量，作者根据Reynaert等人提出的方法，在铝的非均匀性范围内，用水与铝的质量能量吸收系数的比值修正了胶片剂量结果。然而，该方法是用于将TPS计算的骨剂量转换为相应的水剂量值，而不是实验得出的剂量数据。此外，考虑到二次电子的范围大于胶片活性层厚度(28 μm)，碰撞停止功率比应用于将剂量转换为介质和剂量转换为水。 研究结果的一个潜在限制涉及到体模材料分割的微妙之处。虽然MC和LGP-卷积剂量计算算法使用相同的CT成像数据作为创建体模模型几何形状的输入，但使用了不同的方法来考虑所使用材料的特性。更详细地说，LGP卷积算法通过拉伸预先计算的TERMA和能量沉积内核来解释组织不均匀性，这些内核基于它们的质量密度和相对于水的电子密度。密度值是通过使用用户给出的相应CT校准数据将HU映射到相对电子密度值来获得的。使用公式(1)计算相应的质量密度值。所涉及组织的原子组成没有明确说明。另一方面，采用MC算法，利用HU -质量密度CT校准数据，将HU -质量密度值逐体素映射。使用Schneider等发表的人体组织成分数据，使用质量密度来确定每个体素的元素组成。表1中所示的平均测量和计算(使用公式1)质量密度值表明，尽管LGP - 卷积算法和MC剂量计算算法实际上使用相同的质量密度来解释骨骼不均匀性，但RW3和固体水材料使用不同的密度值。然而，这些差异约为2%，预计对本研究结果的影响最小。 结论 使用GafChromic ebb3膜和MC模拟来评估LGP-卷积剂量计算算法在涉及与临床相关、骨和空气不均匀性的治疗计划场景中的准确性。在所有临床相关点，LGP-卷积剂量计算与相应的EBT3和MC剂量至中等结果之间发现总体上极好的一致性。只有在空气不均匀性内的点观察到显著差异，但这没有临床意义。除去空气中的不均匀性点，使用3%/ 1mm DD%/DTA标准，局部GI合格率接近100%。本研究的结果表明，LGP-卷积算法计算照射介质的剂量，与先前文献中基于MC的研究相一致。 |
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