《The Journal of Pakistan Medical Association》杂志 2024年10月刊载[74(10 (Supple-8)):S278-S282.]伊拉克巴格达 Al-Nahrain University的Marwa Ghanim , Siham Abdullah, Moneer Faraj , Nabaa Alazawy等撰写的《伽玛刀放射外科治疗的逆向计划与卷积计划算法。Inverse versus convolution treatment planning algorithms for gamma knife radiosurgery》（doi: 10.47391/JPMA-BAGH-16-63.）。
目的：
比较卷积算法和逆算算法方案。
放射外科是一种神经外科手术，使用立体定向方法提供辐射，这种技术是在20世纪60年代发展起来的。“stereotaxi（立体定向）”一词来源于两个希腊词；stereos，意思是三维（3D），出租车，意思是有组织的安排。它被称为外科手术，因为治疗是在一次疗程中进行的，就像外科手术一样。1951年，一位年轻的神经外科医生Lars Leksell首先提出了放射外科。1968年，Leksell开始使用钴源照射治疗顽固性疼痛病例，以治疗各种人类疾病。
立体定向放射外科（SRS）是一种将高功率能量聚焦在身体小的区域的放射治疗（RT）。伽玛刀（GK）Icon型在一次治疗中，有效地治疗一个或多个脑肿瘤。它可以潜在地治愈眼眶、鼻窦和颈椎等部位的病变。除了其标准特性外，Icon型还包括有助于增强分割立体定向放射治疗（SRT）治疗的额外功能。另一个特点是集成立体定向锥形束计算机断层扫描（CBCT）扫描仪，用于预处理图像引导。由于其范围大小的限制，伽玛刀只能用于微小的病变。然而，许多等中心可能被放置在同一靶标内，以增加或改变剂量分布。使用Leksell GammaPlan（LGP），使用初级均匀剂量法的组织最大比值10 (TMR10)，或卷积剂量法进行剂量计算[Using Leksell Gamma Plan (LGP), dosage calculations using Tissue Maximum Ratio 10 (TMR10), a primary homogenous dose method, or a convolution dose approach. ]。处理后，卷积技术补偿相对电子密度的变化。
设计了一种GK放射外科的逆向计划方法，以方便计i划过程并更好地利用GK计划中的大自由度。逆规划优化问题通常包括许多临床或实际因素的客观术语，包括靶覆盖范围、选择性、梯度指数（GI）、危及器官（OARs） 的受照剂量和总出束时长（total beam-on time）。
计划目标的优先级影响计划质量。由于个体解剖差异，计划者必须不断地与优化求解器互动（continually engage with the optimisation solver），并在整个GK逆向计划过程中改变每位患者的目标优先级，以使其达到临床最佳。
肿瘤细胞的遗传脱氧核糖核酸（DNA）物质被放射外科破坏。随着细胞丧失繁殖能力和死亡，肿瘤可能逐渐缩小。小的非癌性（良性）和癌性（恶性）脑肿瘤、动静脉畸形（AVM）、三叉神经痛（TN）和神经鞘瘤、听神经瘤和垂体瘤是GK放射外科治疗的最常见疾病。剂量学参数包括靶覆盖、选择性和GI。覆盖率是指处方等剂量体积所覆盖的靶体积（TV）的比例，这一比例被称为处方等剂量体积（PIV）覆盖率。TV内包含的PIV的比例被描述为TV16-22内PIV的选择性。GI测量的是剂量下降的幅度，也就是一半PIV与肿瘤大小的比值。所有射向一个目标的靶点时间的总出束时长。
减少治疗的最大剂量，以限制出现问题的风险，同时保持用适当的高剂量照射靶体积（TV）（The maximum dose for the treatment is reduced to limit the risk of problems while retaining a suitably high dose to TV. ）。在临床实践中，在降低最大剂量的情况下保持足够的靶剂量会遇到问题，因为许多剂量限制了在靶标范围内高值等剂量线（例如，90%和70%）的覆盖范围，而这是主要困难[Maintaining an adequate target dosage with a reduced maximum dose in clinical practice is problematic because numerous doses limit how high-value isodose lines are covered (e.g., 90% and 70%) inside the targets,which is the primary difficulty]。
目前的研究计划评估和比较接受GK放射外科治疗的患者的逆向计划和卷积计划算法。
方法：
横断面研究于2022年1月至5月在伊拉克巴格达Al- Taj医院Icon型伽玛刀中心接受伽玛刀治疗的恶性和良性脑肿瘤患者。对每位患者的大脑都使用计算机断层扫描和磁共振成像进行成像。神经外科医生根据肿瘤的体积和类型规定剂量，而医学物理学家根据逆向算法和卷积算法生成两种方案。给药剂量达到肿瘤等剂量线的50%。对每个方案进行肿瘤适形性指数、覆盖率、梯度指数、靶点次数和治疗时间的评估。
横断面研究于2022年1月至5月在伊拉克巴格达Al-Taj医院Icon型伽玛刀中心进行，经巴格达Mustansiriyah大学医学院伦理审查委员会批准。采用方便取样技术进行取样。研究对象包括接受GK治疗的恶性和良性脑肿瘤患者，不论男女，所有受试者均获得书面知情同意。那些不愿意参加的人被排除在外。
对每位患者的大脑都使用计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）进行成像，以确定大脑的解剖细节。神经外科医生根据肿瘤类型和形状指定处方剂量，并划定肿瘤和OAR。医学物理学家用GK Icon型（瑞典Elekta Systems）生成了这两张图。第一个方案使用逆向算法，第二个方案使用卷积算法。给药剂量达到肿瘤等剂量线的50%。每个计划使用参数进行评估，包括Paddick适形性指数（PCI） 、覆盖率、梯度指数（GI）、靶点数和治疗时间。神经外科医生根据评估参数选择了更好的方案，并批准了该方案。将平面图输出到GK工作站，为患者准备照射。
结果：
30例患者中，男性17例（56.7%），女性13例（43.3%）。总体平均年龄46.29±15.20岁（范围：10 ~ 71岁）。平均剂量为15.86±3.86Gy，平均照射次数为12.56±6.95次。两种算法方案在所有剂量学参数上存在显著性差异，逆方案的覆盖率和选择性高于卷积方案，但所需时间较卷积方案长（p<0.05），而在梯度和一致性方面，逆向方案优于卷积方案（p<0.05）。
30例患者中，男性17例（56.7%），女性13例（43.3%）。总体平均年龄46.29±15.20岁（范围：10 ~ 71岁）。脑膜瘤16例（53.4%），前庭神经鞘瘤7例（23.3%），转移瘤7例（23.3%）（图1）。平均剂量为15.86±3.86Gy，平均伽玛射线照射次数为12.56±6.95次（表1）。
表1：接受伽玛刀治疗患者的特征。
两种算法方案在所有剂量学参数上均有显著差异，逆向方案比卷积方案具有较高的覆盖率和选择性，但需要更长的时间。而卷积方案在GI和PCI值方面更好（表2）。
表2：伽玛刀计划的逆向算法与卷积算法比较。
图：肿瘤类型分布。
讨论：
目前基于剂量学参数，包括覆盖率、选择性、GI、PCI值和治疗时间，比较了常规算法和逆算法。
逆向计划算法实现了文献中描述的所有标志。
Pan等和Hasegawa等报道，特别是治疗大靶标时，GK的剂量分布需要多个靶点以覆盖TVs。获得较好的PCI值是很重要的，但是大的或不规则形状的靶标因为靶标内部或周围有更多的正常组织被照射，会增加放射性并发症的风险。目前的结果是一致的。
GK准直系统为靶标提供了一种更适形的治疗和一种通过复合靶点降低归一化冲击的替代方法。可通过降低归一化影响来增加覆盖靶标的较高等剂量线的比例。如果边缘剂量保持不变，这改善了靶内高剂量区和靶内平均剂量的均匀性。因此，均匀的高剂量和靶适形照射可以提高给定剂量，同时保持靶覆盖。在治疗方案中，至少95%的TV被处方剂量覆盖。
因此，可以降低照射靶标中心的最大剂量，同时保持适当的平均目标剂量。理论上，通过降低最大剂量，周围的正常组织应该受到较少的辐射，从而最大限度地减少并发症的发生。
通常，由于剂量在靶标范围外的快速衰减，照射靶标范围的推荐剂量被设定按50%等剂量线水平。当关键器官靠近靶区时，临床医生必须评估靶区覆盖和器官保留与患者整体健康状况的相对相关性。在治疗大型靶标时，有时需要多次彻底覆盖TV。对于曲线不规则的靶，重复靶点可以提高靶标的适形性。这是由于在大的或不规则的靶标内部或周围有较多的正常组织受到照射。在逆向计划过程的一个典型阶段，需要考虑许多计划目标，例如涉及调强放疗（IMRT）和体积调强放疗（VMAT）的逆向计划。大多数GK逆向计划文章都没有处理这种微调程序，但是研究声称它们在数量上确定了目标的优先级。此外，Ghobadi等指出，如果将出束时长纳入优化，则必须根据用户的优先级来平衡出束时长和计划质量之间的权衡。在目前的研究中，在设计过程中只采用了两种计划技术；确保靶标至少获得最低处方剂量水平，使扩散到靶标外的剂量最小化。因此，通过在这两种技术上分别对靶标函数施加软限制和硬限制来实现首选。在一项研究中，PCI介于0.66 - 0.77之间，GI介于2.59 - 3.94之间，异质性指数（HI）介于0.18 - 0.84之间，表明数据具有可变性。为使治疗成功，应向靶标提供更适形和足够的剂量。应降低对周围组织的最大剂量，以尽量减少和消除辐射毒性。在治疗计划期间降低正常化效应可能有助于实现剂量分布。
结论：
随着治疗时间的延长，与卷积方案相比，逆向方案具有更好的选择性、覆盖率、梯度指数和Paddick适形性指数值。
