不同組織密度對(duì)IMRT劑量驗(yàn)證通過(guò)率的影響

胡海芹 陳心得 張懷文 洪 潮

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不同組織密度對(duì)IMRT劑量驗(yàn)證通過(guò)率的影響

胡海芹 陳心得 張懷文 洪 潮

目的 研究不同的組織密度對(duì)IMRT計(jì)劃驗(yàn)證通過(guò)率的影響，為臨床調(diào)強(qiáng)計(jì)劃設(shè)計(jì)優(yōu)化提供更好的經(jīng)驗(yàn)。方法分別建立頭部(120 KV，380 mAs)、胸部(140 KV，100 mAs)和參考均勻模體(120 KV，130 mAs)3種模式下CT電子密度表，選取20例鼻咽癌IMRT計(jì)劃分別使用這3種CT電子密度表設(shè)計(jì)3組計(jì)劃方案。結(jié)果在OmniPro I'mRT軟件中設(shè)置3 mm、3%、閾值5為分析限制條件,此20例鼻咽癌IMRT計(jì)劃的head-head通過(guò)率均達(dá)到96.44%±2.3%；head-chest通過(guò)率與head-head通過(guò)率比較得到為83.78%±7.1%(P<0.05)；head-water通過(guò)率與head-head通過(guò)率比較得到為83.26%±7%(P<0.05)。結(jié)論對(duì)于IMRT計(jì)劃優(yōu)化前選取正確的電子密度是實(shí)現(xiàn)最大劑量通過(guò)率的保證。

組織密度；調(diào)強(qiáng)優(yōu)化；Gamma通過(guò)率

(ThePracticalJournalofCancer,2016,31:1448～1452)

近10年來(lái)，隨著放療技術(shù)的迅猛發(fā)展，調(diào)強(qiáng)放射治療(IMRT)技術(shù)在全國(guó)大多數(shù)醫(yī)院已得到了廣泛運(yùn)用，IMRT和傳統(tǒng)的三維適形放療(3D-CRT)相比，它在進(jìn)一步提高腫瘤劑量的同時(shí)能更好地保護(hù)周?chē)恼＝M織和器官[1]，顯著降低患者的放療副反應(yīng)，提高治療效果。由于IMRT技術(shù)對(duì)加速器出束劑量的準(zhǔn)確性有極高的要求，且逆向計(jì)算的優(yōu)化算法在某些方面還不成熟，放射治療中還存在眾多不確定因素，因此治療前的劑量分布驗(yàn)證是確保治療準(zhǔn)確的關(guān)鍵步驟[2-3]。只有當(dāng)一個(gè)計(jì)劃中每個(gè)射野分別在模體中實(shí)測(cè)的劑量分布和計(jì)劃系統(tǒng)中計(jì)算所得劑量分布相符合，才能把該計(jì)劃運(yùn)用于實(shí)際患者的治療。因此實(shí)施個(gè)體化的調(diào)強(qiáng)驗(yàn)證顯得尤為重要[4-6]。本文主要通過(guò)MatriXX劑量分布的Gamma比較方法對(duì)不同組織密度的IMRT計(jì)劃通過(guò)率影響的探討。

1 資料與方法

1.1 材料

德國(guó)西門(mén)子大孔徑CT，醫(yī)科達(dá)Precise加速器，Pinnacle39.8治療計(jì)劃系統(tǒng)，IBA公司二維電離室矩陣MatriXX和OmniPro I'mRT調(diào)強(qiáng)驗(yàn)證分析軟件，CT電子密度測(cè)量模體CatphanTM500。

CT值大小理論上決定于組織的物理密度與掃描條件(X射線的KV值和mAs)。本文使用西門(mén)子CT機(jī)分別采集頭部(120KV，380 mAs)、胸部(140KV，100 mAs)和參考均勻模體(120KV，130 mAs)3種模式掃描CatphanTM 500(該模體包括4個(gè)檢測(cè)模塊，帶有直徑15 cm,厚2.5 cm已知密度不同的圓柱形模擬組織插件)。通過(guò)Pinnacle39.8 TPS軟件采集所有的模擬組織CT值，從而建立起CT值與相對(duì)電子密度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，將其輸入到Pinnacle39.8計(jì)劃系統(tǒng)存為CT值轉(zhuǎn)換為相對(duì)電子密度表，見(jiàn)圖1，將這3種電子密度表分別命名：head,chest和water。

圖1 CT值轉(zhuǎn)換相對(duì)電子密度表

將二維電離室矩陣MatriXX上放置5 cm固體水模體平放于西門(mén)子CT床上，掃描間距為3 mm，掃描整個(gè)MatriXX。將獲得的影像通過(guò)Dicom傳輸?shù)絇innacle39.8TPS上保存為QA模體。

1.2 計(jì)劃設(shè)計(jì)和QA

選取20例鼻咽癌病例，所有靶區(qū)和危及器官勾劃均參考鼻咽癌調(diào)強(qiáng)放射治療靶區(qū)勾畫(huà)-中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[7]，每一位患者選取頭部電子密度表設(shè)計(jì)IMRT計(jì)劃。物理約束條件包括最小劑量、最大劑量、最小劑量體積直方圖、最大劑量體積直方圖、均勻劑量。在Pinnacle39.8調(diào)強(qiáng)優(yōu)化中限制最大子野數(shù)(≤80)、最小子野面積和機(jī)器跳數(shù)(≤7 cm2,≤7MU)，以保證QA通過(guò)率最大化。

IMRT計(jì)劃完成后，副主任放療醫(yī)師確認(rèn)所有臨床要求都能滿足。再選擇胸部和參考均勻模體的電子密度重新對(duì)批準(zhǔn)的IMRT計(jì)劃進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化(確保每個(gè)照射野子野形狀和分布不變)，產(chǎn)生2組新的計(jì)劃。

分別將3組IMRT計(jì)劃導(dǎo)入QA模體中，將3組IMRT計(jì)劃照射野機(jī)架角歸0°，在Pinnacle39.8系統(tǒng)中采用Adaptive Convolve算法進(jìn)行劑量計(jì)算，并以SPD(源片距)為100 cm、2 mm計(jì)算間隔和ASCALL碼分別輸出三個(gè)平面劑量分布用于后續(xù)分析，輸出的平面劑量為每個(gè)照射野單獨(dú)劑量通量分布。分別將這三組電子密度表生成的IMRT QA計(jì)劃命名為QA_head、QA_chest和QA_water,將QA_head通過(guò)Dicom傳輸?shù)结t(yī)科達(dá)Precise加速器。

結(jié)合MatriXX二維電離室矩陣的能響特性，在首次采集錢(qián)對(duì)MatriXX進(jìn)行15 min預(yù)熱，然后用劑量率為400 MU/min的6MV能量的X射線進(jìn)行4 Gy照射后進(jìn)行本底測(cè)量。通過(guò)MatriXX采集QA_head每個(gè)照射野的平面劑量，將實(shí)際采集的平面劑量放于MatriXX Dataset1中，命名為：CA_head,并以此實(shí)測(cè)劑量作為參考值。Dataset 2為Pinnacle39.8計(jì)劃系統(tǒng)中QA_head的平面劑量。按照1VS2運(yùn)用Gamma分析法得出head-head的通過(guò)率。選擇QA_chest和QA_water兩組Pinnacle39.8計(jì)劃系統(tǒng)中的平面劑量分別在MatriXX窗口2中打開(kāi)，同樣按照1VS2運(yùn)用Gamma分析法得出head-chest和head-water的通過(guò)率。

1.3 Gamma方法

Gamma方法被用到測(cè)量分布和計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算分布的比較，也被用于兩種測(cè)量分布或者兩種計(jì)算分布之間的比較，其表達(dá)式為：

γm為信號(hào)采集點(diǎn)到測(cè)量點(diǎn)距離，γc為空間位置到相對(duì)計(jì)算擾動(dòng)測(cè)量點(diǎn)距離，△dm距離一致性標(biāo)準(zhǔn)距離，△Dm劑量差別標(biāo)準(zhǔn)距離。Gamma指數(shù)≤1表示計(jì)算通過(guò)，Gamma指數(shù)>1表示計(jì)算失敗。本文計(jì)算Gamma指數(shù)采用IBA的OmniPro I'mRT分析軟件，計(jì)算中△dm和△Dm選擇3 mm。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

所有獲得的Gamma通過(guò)率進(jìn)行單因素的配對(duì)t檢驗(yàn)分析[8]，使用的統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件為SPSS 13.0，P<0.05有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 head-head通過(guò)率分析結(jié)果

在OmniPro I'mRT軟件中設(shè)置3mm、3%、閾值5為分析限制條件，使用最大劑量點(diǎn)對(duì)Dataset1中CA_head和Dataset2中QA_head的平面劑量和進(jìn)行Gamma分析[9]得到head-head通過(guò)率，見(jiàn)圖2,此20例鼻咽癌IMRT計(jì)劃的head-head通過(guò)率均達(dá)到96.44%±2.3%以上，符合臨床要求。

圖2 head-head通過(guò)率分析圖

2.2 head-chest通過(guò)率分析結(jié)果

在OmniPro I'mRT軟件Dataset2中導(dǎo)入QA_chest平面劑量，在相同的算法和計(jì)算間隔下，按照同樣的3mm、3%、閾值5為分析限制條件，使用最大劑量點(diǎn)對(duì)Dataset1中CA_head和Dataset2中QA_chest的平面劑量和進(jìn)行Gamma分析得到head-chest通過(guò)率，見(jiàn)圖3。此20例head-chest通過(guò)率與head-head通過(guò)率比較得到通過(guò)率為：83.78%±7.1%(P<0.05),有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，見(jiàn)表1。

圖3 head-chest通過(guò)率分析

2.3 head-water通過(guò)率分析結(jié)果

在OmniPro I'mRT軟件Dataset2中導(dǎo)入QA_water平面劑量，在相同的算法和計(jì)算間隔下，按照同樣的3 mm、3%、閾值5為分析限制條件，使用最大劑量點(diǎn)對(duì)Dataset1中CA_head和Dataset2中QA_water的平面劑量和進(jìn)行Gamma分析得到head-water通過(guò)率，見(jiàn)圖4，此20例head-water通過(guò)率與head-head通過(guò)率比較得到：83.26%±7%(P<0.05),有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，見(jiàn)表1。

3 討論

圖4 head-water通過(guò)率分析

表1 3組IMRT計(jì)劃每個(gè)射野Gamma通過(guò)率比較/%

隨著放療設(shè)備的不斷發(fā)展更新，各大放療設(shè)備生產(chǎn)廠家研究出了大量不同的可用于病人劑量驗(yàn)證的二維測(cè)量工具，包括：Sun Nuclear的Mapcheck、PTW的2D-ARRAY和IBA的MatriXX。它們均同時(shí)兼有點(diǎn)劑量和二維劑量分布實(shí)時(shí)在線測(cè)量的能力，從而大大提高了測(cè)量精度和測(cè)量效率。但是，調(diào)強(qiáng)劑量分布的特點(diǎn)是劑量梯度大且變化復(fù)雜，Clark和Robar[10]認(rèn)為，適合測(cè)量三維劑量分布的探測(cè)器需要較高的空間分辨率。Bjorn Poppe(2007)[11]提出了影響二維探測(cè)器的空間分辨率的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：探頭大小和取樣間隔，結(jié)合Nyquist采樣定理及混疊效應(yīng)[12]，從原理上分析了2D-ARRAY二維矩陣電離室的取樣間隔對(duì)測(cè)量空間分辨率的影響。傳統(tǒng)使用膠片法,其精度高(可分辨0.04 mm相對(duì)位置誤差[13])，膠片法可實(shí)施相對(duì)等劑量分布驗(yàn)證，包括集合劑量學(xué)驗(yàn)證[11-12]和單野劑量學(xué)驗(yàn)證[13-15]。前者測(cè)量模體(通常圓柱狀)一個(gè)或多個(gè)選擇層面的相對(duì)復(fù)合劑量分布(提供了復(fù)合劑量分布的直接信息)；后者測(cè)量平的模體中與每一單獨(dú)射野中心軸垂直的一個(gè)層面的相對(duì)劑量分布。但測(cè)量結(jié)果受曝光和沖洗條件影響[16]、質(zhì)保環(huán)節(jié)多、操作復(fù)雜等因素，近年來(lái)已經(jīng)被二維矩陣所代替[17]。

對(duì)于MatriXX來(lái)說(shuō)，采樣點(diǎn)以空間分布排列，取樣間隔為7.6 mm，即采樣頻率為0.13 mm-1,則Nyquist頻率fN=1/(7.6×2)即0.066 mm-1。根據(jù)Nyquist采樣定理[12]，若使計(jì)劃系統(tǒng)的信號(hào)不失真，則所采集信號(hào)的最高空間頻率應(yīng)小于MatriXX的Nyquist頻率fN，即對(duì)照射子野的面積有一定的局限性。加速器角度響應(yīng)、空間分辨率線性插值對(duì)于MatriXX都有一定的影響。理論上肯定無(wú)法達(dá)到膠片劑量學(xué)驗(yàn)證的精度，從而對(duì)于劑量分布的驗(yàn)證需要給予更多考慮與分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果靶區(qū)的劑量梯度較大的區(qū)域比較多，則調(diào)強(qiáng)劑量驗(yàn)證的通過(guò)率相對(duì)較低，所以調(diào)強(qiáng)劑量驗(yàn)證的通過(guò)率與靶區(qū)的劑量均勻性存在一定關(guān)系。

目前還沒(méi)有一種模體能真實(shí)反應(yīng)人體的密度，需要計(jì)劃系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)換曲線，插值計(jì)算出組織的物理密度，這插值計(jì)算出來(lái)的物理密度與實(shí)際組織密度存在差異，因此對(duì)于個(gè)性化放療物理計(jì)劃的驗(yàn)證還有很大距離。

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(編輯：吳小紅)

Impact of Different Tissue Density on Dose Verification Pass Rate of IMRT Plan

HUHaiqin,CHENXinde,ZHANGHuaiwen,etal.JiangxiCancerHospital,Nanchang,330029

Objective To study the impact of different tissue density on verification pass rate of IMRT plan.Methods CT electron density table of head (120KV,380mAs),lower chest (140KV,100mAs) and reference uniform phantom (120KV,130mAs) modes were established,and 20 cases of NPC IMRT plans were to use these 3 CT electron density table design 3 group of plans. Results In the OmniPro I’mRT software 3mm,3%,5 threshold limits were set for the analysis,these 20 cases of NPC IMRT plans head-head pass rate reached (96.44 ±2.3%);head-chest pass rate was compared with the rate of head-head (P<0.05);head-water pass rate was compared with the rate of head-head (P<0.05).Conclusion For IMRT optimization,selecting the correct electron density table is the guarantee to realize maximum dose pass rate.

Tissue density;IMRT optimization;Gamma pass rates

330029 江西省腫瘤醫(yī)院

江西省衛(wèi)生廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：20155480)

10.3969/j.issn.1001-5930.2016.09.019

R73-36

A

1001-5930(2016)09-1448-05

2016-02-10

2016-05-01)