国产与核通后装治疗计划系统治疗方案的比较
作者：吕长兴 张红志 殷蔚伯
单位：100021 北京，中国医学科学院中国协和医科大学肿瘤医院放射治疗科
关键词：近距离治疗；后装；治疗计划系统
中华放射肿瘤学杂志990214 【摘要】 目的 评价国产近距离治疗后装机治疗计划系统的质量状况。方法 调查了5家国产后装机所做1管、4管单平面和7管双平面插植的治疗计划,对参考剂量区与所设定靶区的适合度、总治疗时间、各驻留位驻留时间和驻留时间比与核通(Nucletron)公司近距离治疗后装机(microSelectron-HDR)所做同样治疗计划的结果进行比较。结果 3种治疗方案的参考剂量区与设定的靶区适合度最好的为Nucletron,多数国产机的适合度可以满足靶区的要求,但在剂量区的长轴方向稍有向外扩展的倾向。总治疗时间:1管治疗的与Nucletron相比差异不大;4管治疗的除1家外,4家的与Nucletron相近;7管治疗,3家的较好,1家不能行50个以上驻留点的剂量优化,需分两步进行,在总治疗时间上失去可比性,1家不能做此项计划。驻留位的驻留时间和驻留时间比：国产机1管治疗在两端驻留时间和驻留时间比波动较大;4管和7管的各驻留位的驻留时间和驻留时间比与Nucletron相近,波动性很小,但少数国产机波动性较大。结论 多数国产近距离治疗后装机治疗计划系统质量已与Nucletron相近,但在剂量优化方面仍需进一步改进提高。
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Comparison between domestically manufactured and Nucletron after-loading
treatment planning systems
LU Changxing, ZHANG Hongzhi, YIN Weibo.
Department of Radiation Oncology,Cancer Institute (Hospital), Chinese Academy of Medical Sciences,Peking Union Medical College, Beijing 100021
【Abstract】 Objective To evaluate the merits and shortcomings of high dose rate(HDR) treatment planning system(TPS) afterloader made in China. Methods Comparison of the TPS with single catheter, four parallel catheter and seven parallel catheter implants in five afterloaders manufactured in China with that of microSelectron-HDR(MSH), conformality of reference dose volume and planning target volume ,total treatment time, dwell time and dwell time ratio at every dwell position were analyzed. Results In conformality of reference dose volume and planning target volume,MSH was very close to planning target volume. The conformality of domestic afterloaders was less than MSH.Especially,the length axis of reference dose volume tended to extend outward (5～9 mm). For total treatment time of single tube ,the domestic afterloaders were similar to MSH.For four tubes implants , 4 manufactures except one were not any different from MSH. In the 7 tube implants,3 home afterloaders were good. For one manufacturer,the planning had to be made in 2 steps.1 unit was unable to accomplish the planning. For dwell time at every dwell position: the domestic afterloaders fluctuated obviously at both extremities in these treatment plannings. Conclusions Although the TPS of most domestic afterloaders come close to MSH,the dose optimization of implantation must be further improved.
, 百拇医药
【Keywords】 Brachytherapy Afterloading Treatment planning system
近距离治疗(Brachytherapy)是放射治疗的重要手段之一。90年代初国产近距离治疗后装机发展十分迅速，中国现投入临床使用的后装机约300多台,并有继续发展的趋势。现代近距离治疗后装机的特点为,由计算机控制的遥控步进微型源,按照参考点预设定剂量,计算各驻留点驻留时间,并经优化处理后,得出理想的剂量分布。因此治疗计划系统是治疗机的核心，其质量优劣直接关系到治疗的效果和患者的健康与安全。为此，我们对目前主要国产后装机治疗计划系统所做的常用治疗方案进行了测试，并与国际公认质量处于领先地位的荷兰核通(Nucletron)公司近距离治疗后装机的治疗计划系统进行比较。
1 材料与方法
1.1 测试方法：测试了正在使用的5家国产后装机所做的3种常用治疗计划，按照巴黎系统的布源规则布源：(1)所有的线源应平行排布,并且它们的中心处于与源垂直的同一平面上。(2)所有源的单位长度活度均匀且相等。(3)各源的间距相等。(4)参考剂量率(RD)和基准剂量率(BD)之比等于0.85[1]。
, 百拇医药
1.2 测试条件：放射源为高剂量率192Ir源,采用相同源强、布源方式及驻留位点,设定放射活度为3.7×1011Bq,不考虑源的自吸收,放射活性尺寸φ0.5mm×3.5mm,步进长度0.5cm，治疗管(针)放射活性长度10cm。给予参考点500cGy的3种治疗计划:(1)1管治疗,参考点1.0cm；(2)4管治疗,单平面插植管间距1.8cm，参考点0.75cm；(3)7管治疗,双平面插值(上平面3管，下平面4管)，层间等边三角形布源,其两层之间距离1.8cm,每层源间距2.0cm，参考点0.65cm。
1.3 测试内容：(1)按巴黎系统对单平面和双平面插植参考剂量区大小的定义(见文献[1]),对参考剂量区长、宽、厚进行测量,并与所设定靶区大小进行比较,评价各治疗机治疗方案的适合度。(2)各治疗计划的总治疗时间。(3)各驻留位的驻留时间,并与Nucletron相应驻留位的驻留时间相比,计算各驻留位的驻留时间比。
, 百拇医药 2 结果
2.1 参考剂量区与设定靶区的适合度：3种治疗方案参考剂量区与设定靶区的大小列于表1,表中可见Nucletron参考剂量区与设定靶区的适合度最好,在长、宽、厚各径线的误差仅为1～2mm。多数国产机与Nucletron比较适合度稍差,参考剂量区长轴剂量线向外扩展较明显,约5～9mm,在宽度和厚度方向虽也有类似表现,但较轻微(1～4mm)。
2.2 总治疗时间：表2中可见国产机与Nucletron相比较，1管治疗的总治疗时间差异不大。在4管治疗中,4家国产机的总治疗时间与Nucletron相近,1家差异较大。7管治疗中,3家国产机总治疗时间与Nucletron相近,1家国产机因不能一次进行大于50个驻留点以上计划的优化处理，需分2次完成，故在总驻留时间上显示出较大的差异，失去了可比性。1家国产机不能做此项治疗计划。
2.3 各驻留位的驻留时间和驻留时间比驻留时间的长短直接反映了驻留位剂量的大小,图1示国产机与Nucletron在1管治疗时各驻留位驻留时间比的变化曲线。
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表1 不同厂家3种治疗方案参考剂量区与设定靶区大小的比较 厂家
参考剂量区大小(cm)
1管
4管单平面
7管双平面
长
宽
厚
长
宽
厚
长
宽
, 百拇医药
上平面
厚
下平面
标准
11.0
2.0
2.0
11.0
6.6
1.5
11.0
6.3
4.0
, 百拇医药
7.8
MSH
11.2
2.0
2.0
10.9
6.8
1.5
10.8
6.3
4.0
7.8
1
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11.6
2.0
2.0
11.1
6.8
1.7
11.0
6.3
4.1
7.8
2
11.5
2.0
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2.0
11.1
6.8
1.5
11.0
6.3
3.8
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3
11.6
2.0
2.0
11.1
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6.8
1.7
11.1
6.4
4.2
7.8
4
11.9
2.0
2.0
11.3
6.8
1.6
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6.4#
5.9
3.7
7.5
5
11.9
2.0
2.0
11.2
7.0
1.5
注：标准指设定的靶区，MSH和1～5分别表示核通及国内5个厂家；#：管的放射活性长度为5cm表2 3种治疗计划的总驻留时间 治疗方式
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总驻留时间(s)
MSH
1
2
3
4
5
1管
173.8
176.2
170.8
172.6
173.1
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177.0
4管
312.7
289.9
301.0
303.7
302.5
314.9
7管
392.2
388.3
375.7
388.4
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588.3*
注：*：分两部分做，时间为(343.5+244.8)秒
图1 单管治疗各驻留位的驻留时间比
1管治疗国产机与Nucletron相比较,中间部分很平滑,时间波动很小。但在曲线两端国产机与Nucletron相比,驻留时间波动较大,在两端的5个驻留位Nucletron的驻留时间分别为14.6,9.0,8.2,7.9和7.8秒；而5家国产机相应点的平均驻留时间分别为:(19.2±3.7),(9.0±3.3),(6.2±1.5),(7.1±1.1)和(7.0±0.5)秒,致使剂量分布区两端外翘,见图2。
, 百拇医药
a 核通机
b 国产机
图2 1管治疗等剂量曲线分布图
4管和7管治疗1号管(7管治疗为上平面1号管)各驻留位驻留时间比的变化曲线见图3，4。
驻留距离(cm)
图3 4管治疗各驻留位的驻留时间比
多数国产机各驻留位的时间变化与Nucletron相似,个别国产机驻留时间波动仍较大。
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驻留距离(cm)
图4 7管治疗各驻留位的驻留时间比
3 讨论
现代近距离治疗后装机，是由程控电机驱动，可任意控制源的驻留位置及驻留时间，通过各种优化模式以实现理想的剂量分布。优化处理的物理意义是使参考剂量面通过人为设定的剂量参考点并使参考体积包罗整个靶区；其次是使参考体积内等剂量面形状彼此相似，而不能在靶区内出现高低不等的剂量岛，方法是控制相邻近源驻留位的驻留时间不得大起大落，即梯度变化维持在预定的阈值内。
判断治疗计划的优劣,最重要的一方面就是看参考剂量区所包括的范围与设定靶区的适合度。从3个治疗方案来看,Nucletron适合度较好,多数国产机参考剂量区在宽度和厚度方向上与设定靶区的适合度较好,但在长轴方向上向外扩展明显,主要是由于在两端驻留位的驻留时间较长,继之驻留时间有较大跌落,故从剂量分布图上可见两端的剂量外翘,梯度变化较大,形成葫芦状。Nucletron在多排管治疗中,严格遵循巴黎系统基础上进行几何优化,更注意布源区域的均匀性,有利于改善剂量均匀性[2]。而国产机基本是仿效Nucletron,未采用数学模型的优化处理方法,基本按照参考剂量进行处理,故对边缘点处理欠佳。
, 百拇医药
目前对近距离治疗后装机硬件部分的技术鉴定内容及质量保证—质量控制系统内容已提出了具体验证方法(见文献[3])，但对治疗计划系统的软件标准尚无成熟的标准要求,应尽快完善和建立相应的技术标准，以使我国近距离治疗事业能够更加成熟地向前发展。
本课题受到国际原子能机构(IAEA)的资助(编号：7704/R1)
参考文献
[1] Pierquin B, Dutreix A,Paine CH,et al. The Paris system in interstitial radiotherapy. Acta Radiol Oncol, 1978,17：33-41.
[2] Kolkman-Deurtloo IKK, Visser AG, Nil CGJH, et al. Optimization of interstitial volume implants. Radiother Oncol,1994,31suppl 1(3):229-239.
[3] 冯宁远,余耘. 近距离放疗剂量学方法(二)——剂量分布的验证. 中国放射肿瘤学,1991, 5(1):61-63.
(收稿：1998-09-15 修回：1998-12-03), 百拇医药
单位：100021 北京，中国医学科学院中国协和医科大学肿瘤医院放射治疗科
关键词：近距离治疗；后装；治疗计划系统
中华放射肿瘤学杂志990214 【摘要】 目的 评价国产近距离治疗后装机治疗计划系统的质量状况。方法 调查了5家国产后装机所做1管、4管单平面和7管双平面插植的治疗计划,对参考剂量区与所设定靶区的适合度、总治疗时间、各驻留位驻留时间和驻留时间比与核通(Nucletron)公司近距离治疗后装机(microSelectron-HDR)所做同样治疗计划的结果进行比较。结果 3种治疗方案的参考剂量区与设定的靶区适合度最好的为Nucletron,多数国产机的适合度可以满足靶区的要求,但在剂量区的长轴方向稍有向外扩展的倾向。总治疗时间:1管治疗的与Nucletron相比差异不大;4管治疗的除1家外,4家的与Nucletron相近;7管治疗,3家的较好,1家不能行50个以上驻留点的剂量优化,需分两步进行,在总治疗时间上失去可比性,1家不能做此项计划。驻留位的驻留时间和驻留时间比：国产机1管治疗在两端驻留时间和驻留时间比波动较大;4管和7管的各驻留位的驻留时间和驻留时间比与Nucletron相近,波动性很小,但少数国产机波动性较大。结论 多数国产近距离治疗后装机治疗计划系统质量已与Nucletron相近,但在剂量优化方面仍需进一步改进提高。
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Comparison between domestically manufactured and Nucletron after-loading
treatment planning systems
LU Changxing, ZHANG Hongzhi, YIN Weibo.
Department of Radiation Oncology,Cancer Institute (Hospital), Chinese Academy of Medical Sciences,Peking Union Medical College, Beijing 100021
【Abstract】 Objective To evaluate the merits and shortcomings of high dose rate(HDR) treatment planning system(TPS) afterloader made in China. Methods Comparison of the TPS with single catheter, four parallel catheter and seven parallel catheter implants in five afterloaders manufactured in China with that of microSelectron-HDR(MSH), conformality of reference dose volume and planning target volume ,total treatment time, dwell time and dwell time ratio at every dwell position were analyzed. Results In conformality of reference dose volume and planning target volume,MSH was very close to planning target volume. The conformality of domestic afterloaders was less than MSH.Especially,the length axis of reference dose volume tended to extend outward (5～9 mm). For total treatment time of single tube ,the domestic afterloaders were similar to MSH.For four tubes implants , 4 manufactures except one were not any different from MSH. In the 7 tube implants,3 home afterloaders were good. For one manufacturer,the planning had to be made in 2 steps.1 unit was unable to accomplish the planning. For dwell time at every dwell position: the domestic afterloaders fluctuated obviously at both extremities in these treatment plannings. Conclusions Although the TPS of most domestic afterloaders come close to MSH,the dose optimization of implantation must be further improved.
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【Keywords】 Brachytherapy Afterloading Treatment planning system
近距离治疗(Brachytherapy)是放射治疗的重要手段之一。90年代初国产近距离治疗后装机发展十分迅速，中国现投入临床使用的后装机约300多台,并有继续发展的趋势。现代近距离治疗后装机的特点为,由计算机控制的遥控步进微型源,按照参考点预设定剂量,计算各驻留点驻留时间,并经优化处理后,得出理想的剂量分布。因此治疗计划系统是治疗机的核心，其质量优劣直接关系到治疗的效果和患者的健康与安全。为此，我们对目前主要国产后装机治疗计划系统所做的常用治疗方案进行了测试，并与国际公认质量处于领先地位的荷兰核通(Nucletron)公司近距离治疗后装机的治疗计划系统进行比较。
1 材料与方法
1.1 测试方法：测试了正在使用的5家国产后装机所做的3种常用治疗计划，按照巴黎系统的布源规则布源：(1)所有的线源应平行排布,并且它们的中心处于与源垂直的同一平面上。(2)所有源的单位长度活度均匀且相等。(3)各源的间距相等。(4)参考剂量率(RD)和基准剂量率(BD)之比等于0.85[1]。
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1.2 测试条件：放射源为高剂量率192Ir源,采用相同源强、布源方式及驻留位点,设定放射活度为3.7×1011Bq,不考虑源的自吸收,放射活性尺寸φ0.5mm×3.5mm,步进长度0.5cm，治疗管(针)放射活性长度10cm。给予参考点500cGy的3种治疗计划:(1)1管治疗,参考点1.0cm；(2)4管治疗,单平面插植管间距1.8cm，参考点0.75cm；(3)7管治疗,双平面插值(上平面3管，下平面4管)，层间等边三角形布源,其两层之间距离1.8cm,每层源间距2.0cm，参考点0.65cm。
1.3 测试内容：(1)按巴黎系统对单平面和双平面插植参考剂量区大小的定义(见文献[1]),对参考剂量区长、宽、厚进行测量,并与所设定靶区大小进行比较,评价各治疗机治疗方案的适合度。(2)各治疗计划的总治疗时间。(3)各驻留位的驻留时间,并与Nucletron相应驻留位的驻留时间相比,计算各驻留位的驻留时间比。
, 百拇医药 2 结果
2.1 参考剂量区与设定靶区的适合度：3种治疗方案参考剂量区与设定靶区的大小列于表1,表中可见Nucletron参考剂量区与设定靶区的适合度最好,在长、宽、厚各径线的误差仅为1～2mm。多数国产机与Nucletron比较适合度稍差,参考剂量区长轴剂量线向外扩展较明显,约5～9mm,在宽度和厚度方向虽也有类似表现,但较轻微(1～4mm)。
2.2 总治疗时间：表2中可见国产机与Nucletron相比较，1管治疗的总治疗时间差异不大。在4管治疗中,4家国产机的总治疗时间与Nucletron相近,1家差异较大。7管治疗中,3家国产机总治疗时间与Nucletron相近,1家国产机因不能一次进行大于50个驻留点以上计划的优化处理，需分2次完成，故在总驻留时间上显示出较大的差异，失去了可比性。1家国产机不能做此项治疗计划。
2.3 各驻留位的驻留时间和驻留时间比驻留时间的长短直接反映了驻留位剂量的大小,图1示国产机与Nucletron在1管治疗时各驻留位驻留时间比的变化曲线。
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表1 不同厂家3种治疗方案参考剂量区与设定靶区大小的比较 厂家
参考剂量区大小(cm)
1管
4管单平面
7管双平面
长
宽
厚
长
宽
厚
长
宽
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上平面
厚
下平面
标准
11.0
2.0
2.0
11.0
6.6
1.5
11.0
6.3
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11.2
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6.4#
5.9
3.7
7.5
5
11.9
2.0
2.0
11.2
7.0
1.5
注：标准指设定的靶区，MSH和1～5分别表示核通及国内5个厂家；#：管的放射活性长度为5cm表2 3种治疗计划的总驻留时间 治疗方式
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总驻留时间(s)
MSH
1
2
3
4
5
1管
173.8
176.2
170.8
172.6
173.1
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177.0
4管
312.7
289.9
301.0
303.7
302.5
314.9
7管
392.2
388.3
375.7
388.4
, 百拇医药
588.3*
注：*：分两部分做，时间为(343.5+244.8)秒
图1 单管治疗各驻留位的驻留时间比
1管治疗国产机与Nucletron相比较,中间部分很平滑,时间波动很小。但在曲线两端国产机与Nucletron相比,驻留时间波动较大,在两端的5个驻留位Nucletron的驻留时间分别为14.6,9.0,8.2,7.9和7.8秒；而5家国产机相应点的平均驻留时间分别为:(19.2±3.7),(9.0±3.3),(6.2±1.5),(7.1±1.1)和(7.0±0.5)秒,致使剂量分布区两端外翘,见图2。
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a 核通机
b 国产机
图2 1管治疗等剂量曲线分布图
4管和7管治疗1号管(7管治疗为上平面1号管)各驻留位驻留时间比的变化曲线见图3，4。
驻留距离(cm)
图3 4管治疗各驻留位的驻留时间比
多数国产机各驻留位的时间变化与Nucletron相似,个别国产机驻留时间波动仍较大。
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驻留距离(cm)
图4 7管治疗各驻留位的驻留时间比
3 讨论
现代近距离治疗后装机，是由程控电机驱动，可任意控制源的驻留位置及驻留时间，通过各种优化模式以实现理想的剂量分布。优化处理的物理意义是使参考剂量面通过人为设定的剂量参考点并使参考体积包罗整个靶区；其次是使参考体积内等剂量面形状彼此相似，而不能在靶区内出现高低不等的剂量岛，方法是控制相邻近源驻留位的驻留时间不得大起大落，即梯度变化维持在预定的阈值内。
判断治疗计划的优劣,最重要的一方面就是看参考剂量区所包括的范围与设定靶区的适合度。从3个治疗方案来看,Nucletron适合度较好,多数国产机参考剂量区在宽度和厚度方向上与设定靶区的适合度较好,但在长轴方向上向外扩展明显,主要是由于在两端驻留位的驻留时间较长,继之驻留时间有较大跌落,故从剂量分布图上可见两端的剂量外翘,梯度变化较大,形成葫芦状。Nucletron在多排管治疗中,严格遵循巴黎系统基础上进行几何优化,更注意布源区域的均匀性,有利于改善剂量均匀性[2]。而国产机基本是仿效Nucletron,未采用数学模型的优化处理方法,基本按照参考剂量进行处理,故对边缘点处理欠佳。
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目前对近距离治疗后装机硬件部分的技术鉴定内容及质量保证—质量控制系统内容已提出了具体验证方法(见文献[3])，但对治疗计划系统的软件标准尚无成熟的标准要求,应尽快完善和建立相应的技术标准，以使我国近距离治疗事业能够更加成熟地向前发展。
本课题受到国际原子能机构(IAEA)的资助(编号：7704/R1)
参考文献
[1] Pierquin B, Dutreix A,Paine CH,et al. The Paris system in interstitial radiotherapy. Acta Radiol Oncol, 1978,17：33-41.
[2] Kolkman-Deurtloo IKK, Visser AG, Nil CGJH, et al. Optimization of interstitial volume implants. Radiother Oncol,1994,31suppl 1(3):229-239.
[3] 冯宁远,余耘. 近距离放疗剂量学方法(二)——剂量分布的验证. 中国放射肿瘤学,1991, 5(1):61-63.
(收稿：1998-09-15 修回：1998-12-03), 百拇医药