【伽玛刀剂量计划】Leksell GammaPlan中的卷积算法

Leksell伽玛刀Perfexion型立体定向放射外科系统以亚毫米的精度提供给Leksell GammaPlan (LGP)两种剂量计算算法:TMR10和卷积算法。在卷积算法被引入到LGP中以前，放射外科治疗计划系统忽略异质性校正（ignored heterogeneity corrections）和剂量计算仅单纯基于水中的衰减（attenuation in water）。脑组织是相对均质的，但射束穿过充满空气的腔体和骨骼，不能假设为均匀性时，在剂量分布上会存在实质性的差异。Moskvin等.(2004)报道假设是均匀介质几何结构（homogeneous media geometry），TM10算法对靶区受照剂量低估高达7%。在卷积算法中，增加的软件模块可以精确计算对异质性组织的治疗剂量。卷积算法会考虑到累积效应和异质性效应。

《Journal of Applied Clinical Medical Physics》杂志 2018 年1月刊载[19(1):138-144]捷克布拉格University Hospital Motol的Petra Osmancikova， Josef NovotnyJr，Jaroslav Solc，Jan Pipek，撰写的《Leksell伽玛刀的卷积算法和TM10算法比较和辐射变色的凝胶剂量测量仪对剂量的认证。Comparison of the Convolution algorithm with TMR10 for Leksell Gamma knife and dosimetric verification with radiochromic gel dosimeter》（DOI: 10.1002/acm2.12238）。

在Leksell GammaPlan中应用的卷积算法（Convolution algorithm），与TMR10相比，是Leksell伽玛刀考虑非均质性（heterogeneities）的第一个算法，模型剂量累积效应接近组织界限。本研究的目的是对体模（phantom）进行测量，以对卷积算法与TMR10算法在真实临床案例中应用和算法的剂量学验证进行初步比较。共对25例患者进行卷积算法和TMR10算法的比较，分为三组:接近异质性的良性肿瘤患者（benign tumors close to heterogeneities），患者患有功能性障碍疾病，肿瘤远离异质性（with tumors located far from heterogeneities）的患者。

尤其在肿瘤接近异质性的患者组中可观察到差异，与TMR10算法相比，卷积算法中重要结构受照最大剂量要升高达15%。

该算法的剂量学验证是基于使用在异质性体模（the algorithm was performed,）中的Turnbul蓝色染料（Turnbull blue dye）的辐射变色的凝胶剂量计（radiochromic gel dosimeter）所进行的试验。辐射变色凝胶测量计测量相关剂量分布（Relative dose distributions），MR10和卷积算法都非常吻合。作者观察到在非均质性最大的方向上存在些小的差异。验证结果表明，特别是在接近异质性的区域和低等剂量线体积，卷积算法能提供不同的剂量分布。然而,在凝胶剂量学实验中用伽玛分析得到的结果没有证实卷积算法提供更精确的剂量计算的假设。

本研究的目的是对TMR10与卷积算法在实际临床病例和剂量学验证上的应用进行初步比较。在常规临床应用中应先行实施验证一种新的剂量计算算法。

在立体定向放射外科中，选择合适的探测器并非是不重要的工作。凝胶剂量计，是真正的3D剂量计，在高剂量率放射外科治疗中，是一种很有前途的三维剂量测量工具。聚丙烯酰胺聚合凝胶剂量测定法（在常压条件下制备的明胶凝胶)（Polymer gel dosimetry with PAGAT (Polyacrylamide gelatine gel fabricated at atmospheric conditions)和磁共振成像在这方面的应用有很长历史。然而，温度的稳定，毒性，和接触MR扫描用于评估PAGAT凝胶反应，使辐射变色的凝胶剂量仪更便于临床应用。

 共有25例患者参与卷积算法的临床试验。患者分为三组:第一组(12例)良性肿瘤(前庭神经鞘瘤和垂体腺瘤)接近异质性组;第二组(7例)功能性障碍疾病(三叉神经痛)；第三组(6例)接受全头颅CT扫描，大部分病例接受CT扫描，大多数为患有脑转移瘤、葡萄膜黑色素瘤或脑膜瘤远离异质性的患者。

每个患者使用TMR10为制定了治疗计划，然后用卷积算法重新计算。保持所有其他计划参数不变。治疗计划参数如表1所示。使用德进行比较的各种参数:等剂量体积(处方等剂量，30%和20%等剂量线)（isodose volumes (prescription isodose, 30% and 20% isodoses)，肿瘤覆盖比例(tumor coverage)，Paddick覆盖指数(Paddick conformity index)，梯度指数(gradient indexes)，治疗时间(treatment time)，重要结构受照剂量(doses to critical structures)。

对于靶区位于异质性附近的患者(例如，垂体腺瘤和前庭神经鞘瘤)所观察到的临床相关剂量分布存在差异。差异多在较低的等剂量线可见，例如，20%等剂量线体积变化达5.5%，对于重要结构的最大受照剂量，例如，耳蜗的剂量减少可达15.6%。对于靶区位于同一均质区域的患者，可观察到最小差异。使用凝胶剂量测法验证的结果是一致的，两种算法差异较大的地方仅在低剂量区域才能观察到。射束穿过空气出现的衰减被低估，离开界面的剂量却会增加。这可能导致靶区在靠近异质性区域的患者与临床相关的剂量分布的不同。立体定向放射外科治疗计划，精确达亚毫米，在假设剂量计算是准确的情况下实施治疗。重要结构的受照剂量，处于低等剂量线水平，在卷积计算中可以有明显的不同。然而,凝胶剂量学实验中通过伽玛分析得到的结果，不能验证卷积算法更为精确的假设。提供更精确的剂量计算。这与Novotny等提出的结果相一致。Novotny等在一个拟人化的头部体模中使用PTW 31010气体离子腔通过Leksell GammaPlan TMR10和卷积算法进行临床试验计划计算测量平均剂量。他们观察到TMR10和卷积算法的靶区体积差异分别为—1.1% 和 2.5%。

初步实验表明，卷积算法，针对包含的组织不均质性（inhomogeneities），特别是在接近异质性的区域，和较低的等剂量体积，提供了不同的剂量分布。会影响一些治疗计划参数，尤其是相比TM10算法，在卷积算法中重要结构的受照最大剂量差别会高达15%。用TB凝胶测量的TMR10和卷积算法计算到的相对剂量分布非常吻合。在最大不均质性的方向上可观察到存在小的差异。卷积算法能提供更准确的剂量计算的假设并未得到验证。卷积算法的精度仍然是Monte Carlo模拟算法的未来任务。