基于不同劑量工具實施患者個體化調(diào)強驗證的評價研究*

楊 濤　曲寶林　徐壽平*　戴相昆　解傳濱　叢小虎　王小深　王金媛　龔 璇

調(diào)強放射治療(intensity modulated radiation therapy，IMRT)現(xiàn)已廣泛地應用于臨床，其在提高靶區(qū)劑量的同時更好地保護了危及器官，極大地降低了放射治療不良反應。然而，由于調(diào)強技術(shù)復雜程度的增加，先進放射治療設備的涌現(xiàn)，計劃難度的加大，高適形度劑量分布的要求及劑量模式的改變等，都增加了放射治療繼發(fā)效應所帶來的風險。因此，必須要對患者行個體化調(diào)強驗證，提前監(jiān)測和糾正計劃執(zhí)行過程中可能出現(xiàn)的錯誤，確保劑量傳遞的精確性。

美國放射學院(The American College of Radiology，ACR)-美國放射腫瘤學會(American Society for Radiation Oncology，ASTRO)實踐指南中規(guī)定：“劑量傳遞的精確性應該通過在模體上照射被記錄，同時經(jīng)標準的劑量系統(tǒng)來驗證傳遞劑量與計劃劑量的一致性”[1]。患者個體化質(zhì)量控制是臨床治療中的重要組成部分，同設備質(zhì)量控制是兩個相互平行的過程，包括治療前計劃驗證和治療中在體劑量驗證[2-4]。治療前計劃驗證一般采用患者計劃束流射野信息創(chuàng)建患者模體計劃，通過點劑量、平面劑量或合成劑量驗證技術(shù)對患者計劃實施驗證；治療中在體劑量驗證包括體表或者腔內(nèi)的探測器驗證，加速器機頭出射線的驗證，基于加速器日志文件以及基于電子射野影像裝置(electronic portal imaging device，EPID)患者出射線的劑量驗證等，可以發(fā)現(xiàn)由患者擺位、劑量傳遞、機器故障及患者解剖結(jié)構(gòu)改變等方面原因?qū)е碌膭┝科?，來避免一些重大的醫(yī)療過失[5-6]。目前可用來實施患者個體化質(zhì)量控制劑量工具很多，包括電離室、膠片、矩陣探測器、EPID和加速器日志文件等，然而，在測量方式、分析方法、接受標準以及感興趣區(qū)的選擇上各不相同[7-10]。本研究旨在通過3種不同的硬件及軟件工具對患者實施個體化調(diào)強驗證，分析評價其初步的臨床結(jié)果，對治療中在體劑量驗證進行初步探討，為臨床工作提供一定的依據(jù)和選擇。

1　材料與方法

1.1　硬件工具

(1)Cheese模體和A1SL型電離室。Cheese模體(Standard Imaging，U.S)是Tomotherapy自帶的驗證模體，圓柱形材質(zhì)均勻的等效水模體，直徑為30 cm，長度為18 cm。模體上有32個電離室空腔和20個密度棒插孔，均勻的分布在6.5 cm到11 cm的半徑區(qū)域。A1SL型電離室(Standard Imaging，U.S)靈敏體積為0.056 cm3，內(nèi)徑為2 mm，外徑為4 mm，采用TomoElectrometer劑量儀進行劑量測量。

(2)電子射野影像裝置(electronic portal imaging device，EPID)。Varian aS1000 EPID非晶硅平板探測器有效探測面積為40 cm(Xaxis)×30 cm(Yaxis)，有效探測像素點為1024×768，分辨率為0.392 mm；移動范圍在源到探測器平面距離(source detector distance，SDD)95～180 cm高度；每個探測像素點包含一個非晶硅二極管和一個薄膜晶體管轉(zhuǎn)換器，這種探測器提供了更大面積，更高分辨率的影像測量工具。圖像采集過程通過Varian自帶特定軟件成像采集系統(tǒng)3(imaging acquisition system 3，IAS3)進行數(shù)據(jù)管理，并連入Varian ARIA放射治療網(wǎng)絡系統(tǒng)進行圖像的存儲和傳輸。為了使EPID對照射劑量的反應性一致，必須消除本底噪聲的影響，需要對EPID進行暗野(dark field，DF)校準、泛野(flood field，F(xiàn)F)校準以及絕對劑量標定。絕對劑量標定要求在不同的劑量率條件下，6 MV的X射線，源到探測器SDD為100 cm，設置標準射野10 cm×10 cm，出束100 MU，把EPID的校準信號轉(zhuǎn)化為計數(shù)單位(count unit，CU)的EPID校準單位，標定1 MU=1 CU。

(3)ArcCheck探測器(Sun Nuclear Corp.，Melbourne，U.S)。該探測工具為圓柱形模體，直徑21 cm，長21 cm，包含1386個半導體探頭探測器，呈螺旋排列，探測器深度為2.9 cm，探測器間距為10 mm，每個探測器的有效測量面積為0.64 mm。ArcCheck是通過圓柱形模體內(nèi)的多個半導體進行射野劑量測量，其測量得到的是二維曲面的劑量分布。在執(zhí)行患者劑量驗證之前，根據(jù)廠家提供的校準方法和步驟，對ArcCheck進行本底、矩陣以及絕對劑量的校準。

1.2　軟件工具

(1)EPIbeam/EPIgray(DOSIsoft S.A.，F(xiàn)rance)。EPIbeam和EPIgray都是基于EPID的放射治療質(zhì)量控制系統(tǒng)，前者用于治療前患者計劃驗證；后者用于治療中患者劑量驗證。EPIbeam原則上是比較兩幅絕對劑量分布圖像，一幅圖像SDD為100 cm時，執(zhí)行患者治療計劃空照EPID得到的實際電子射野影像(electronic portal image，EPI)；另一幅圖像是通過計算接受到的放射治療計劃(radiotherapy plan，RT-plan)得到同等條件下的理論射野影像，將兩幅EPI轉(zhuǎn)換成水下5 cm深度處的二維平面劑量后比較兩者的劑量差異。EPIgray是通過接收治療過程中EPID實時采集的透射過患者的射野影像，采用基于限定組織最大比(finite tissue maximum ratio，F(xiàn)TMR)的方法重建患者體內(nèi)感興趣點的劑量，與計劃劑量進行比較后得到相對偏差，默認的閾值為±6.7%[11]。在VMAT治療技術(shù)中采用連續(xù)的圖像采集模式，SDD等于150 cm。

(2)MobuisFX(Mobius Medical Systems，U.S)。MobuisFX主要通過提取加速器執(zhí)行計劃產(chǎn)生的日志文件(logfiles)，基于原始CT影像，利用倒錐卷積/疊加算法(CCC/S)進行反推計算，重建出患者體內(nèi)3D劑量分布，從而得到劑量體積直方圖(dose-volume histogram，DVH)、劑量分布和3D Gamma通過率，其采樣頻率達100次/s。對于Varian直線加速器，在執(zhí)行計劃時產(chǎn)生的參數(shù)都會被寫入多葉準直器(multi-leaf collimator，MLC)的日志文件，每50 ms記錄1次，包含出束狀態(tài)、準直器和機架角度、鉛門的位置、葉片位置等信息。

(3)SNCPatient/3DVH(Sun Nuclear Corp.Melbourne，U.S)。SNCPatient和3D VH均為基于ArcCheck進行患者個體化質(zhì)量控制的軟件工具，分別用于治療前的二維劑量驗證和三維劑量驗證。SNCPatient軟件通過將同一患者的計劃劑量與測量劑量進行Gamma比對分析，得到2D Gamma通過率；3DVH軟件利用計劃劑量擾動算法(planned dose perturbation，PDP)將計算得到的計劃劑量與測量劑量之間偏差量反投影到原始的治療計劃中，從而得到一個校正過的、新的三維劑量分布、DVH以及3D Gamma通過率。

1.3　計劃設計與施照方式

隨機選取12例即將在解放軍總醫(yī)院放射治療科行放射治療的胸腹部腫瘤患者影像，均采用Varian Eclipse(Ver10.0)治療計劃系統(tǒng)(treatment planning system，TPS)，嚴格按照醫(yī)生的劑量要求設計容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放射治療(volumetric modulated arc therapy，VMAT)計劃，并經(jīng)主管物理師與醫(yī)生審核，可用于患者治療。然后將患者VMAT計劃分別移植到ArcCheck和Cheese模體的CT影像上，生成驗證計劃，前者用于治療前計劃驗證，后者用于射野中心點劑量測量。其中，Cheese模體中心插有A1SL型電離室，并在CT影像上勾畫出電離室靈敏體積區(qū)域，命名“chamber”。

所有計劃采用Varian Clinac iX加速器實施RapidArc技術(shù)的照射，該設備配備aS1000 EPID，Millennium 120片MLC，6 MV的X射線，標定最大劑量率600 MU/min，機架角度控制均利用每2°控制點模式，最大控制點數(shù)177個。Eclipse計劃系統(tǒng)劑量計算采用各向異性解析算法(analytical anisotropic algorithm，AAA)，計算網(wǎng)格為2 mm。

1.4　質(zhì)量控制方式與數(shù)據(jù)采集

(1)射野中心絕對劑量驗證。執(zhí)行移植在Cheese模體上的驗證計劃，用電離室測量出數(shù)過程中射野中心點的劑量；用EPID實時采集出束過程中透過Cheese模體的射野影像，并傳至EPIgray，然后自動重建出計劃射野中心點的劑量；用MobiusFX采集計劃執(zhí)行過程中產(chǎn)生的日志文件，重建三維劑量，讀取“chamber”區(qū)域的平均劑量，將其視為射野中心點的劑量。比較以上3種驗證方式與在TPS中讀取的射野中心點劑量的差異。

(2)治療前患者計劃驗證。在QA模式下執(zhí)行患者計劃，先后利用EPID和ArcCheck進行數(shù)據(jù)的采集，分別相應地使用EPIbeam和SNCPatient軟件對采集的數(shù)據(jù)給予2D Gamma分析，與此同時用MobiusFX分析實時的日志文件，并與3DVH分別進行3D Gamma分析。所有Gamma分析均選擇劑量誤差(dose difference，DD)為3%，吻合協(xié)議距離(distance to agreement，DTA)為3 mm，閾值為10%的劑量標準。

(3)治療中在體劑量驗證。在患者初次治療過程中，應用EPID采集射野劑量信息，并同時記錄治療的日志文件，分別相應地運用EPIgray和MobiusFX進行患者感興趣點劑量與3D劑量的重建，分析其劑量偏差與3D Gamma通過率。EPIgray設定的劑量相對偏差閾值為±6.7%。Gamma通過率均采用3 mm/3%，閾值為10%的標準進行定量的比對分析。

1.5　統(tǒng)計學方法

采用SPSS19.0統(tǒng)計軟件進行分析，數(shù)據(jù)結(jié)果以均值±標準差表示，組間比較采用配對t檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

表1　三種不同驗證工具所測的射野中心點劑量與計劃劑量比較

2　結(jié)果

2.1　絕對劑量驗證結(jié)果比較

對12例胸腹部腫瘤患者行VMAT計劃，基于EPID-EPIgray、logfiles-MobiusFX和A1SL型電離室3種不同驗證工具所測的射野中心點劑量結(jié)果顯示：TPS中讀取的射野中心點劑量的平均值為(2.497±1.43)Gy；EPIgray、MobiusFX和A1SL型電離室所測量的射野中心點劑量的平均值分別為(2.501±1.45)Gy、(2.54±1.44)Gy和(2.57±1.50)Gy；3種不同的驗證工具所測的射野中心點劑量與TPS的平均相對偏差分別為(1.78±1.22)%、(2.38±0.88)%和(2.96±0.86)%，且MobiusFX與TPS相比，差異有統(tǒng)計學意義(t=-5.759，P＜0.05)；電離室與TPS相比，差異有統(tǒng)計學意義(t=-3.278，P＜0.05)，但偏差均在5%的標準范圍內(nèi)。其中相對偏差Diff.%=(測量劑量-計劃劑量)÷計劃劑量×100%，見表1。

2.2　治療前患者計劃驗證結(jié)果比較

基于ArcCheck-SNCPatient、EPID-EPIbeam所測的12例患者VMAT計劃平均的2D Gamma通過率分別為(98.15±1.73)%和(98.20±2.16)%，EPIbeam略優(yōu)于SNCPatient，但差異無統(tǒng)計學意義(t=-0.078，P＞0.05)；基于logfiles-MobiusFX、ArcCheck-3DVH所測的3D Gamma通過率分別為(98.12±1.36)%和(99.16±1.81)%，3DVH略優(yōu)于MobuisFX，但差異無統(tǒng)計學意義，見表2。

表2　治療前計劃驗證中不同驗證工具Gamma通過率結(jié)果比較(%)

2.3　治療中在體劑量驗證結(jié)果比較

通過EPIgray所測的首次治療過程中射野中心點劑量的平均偏差為(-2.4±1.48)%；MobiusFX所測在體的3D Gamma通過率為(97.73±1.95)%，見表3。

3　討論

從絕對劑量驗證結(jié)果可以看出，基于EPIDEPIgray、logfiles-MobiusFX以及A1SL型電離室3種驗證方式所測的射野中心點劑量總體略高于TPS中讀取的劑量，3種驗證方式與TPS所讀射野中心點劑量的相對偏差均≤5%，其中EPIgray重建的射野中心劑量更接近于TPS，一致性較好，與TPS之間平均相對偏差要略小于MobiusFX和A1SL型電離室。電離室與MobiusFX相對TPS所體現(xiàn)的較高差異，一致性較差，可能與測量點的位置或測量區(qū)域劑量的均勻性有關(guān)。由于電離室靈敏體積的平均效應，電離室受到空間響應體積的限制只能得到測量點的平均劑量，當測量點周圍劑量不均勻時，測量結(jié)果可能與測量點的實際劑量有顯著差別。同樣，由于MobiusFX是讀取的“chamber”區(qū)域的平均劑量作為射野中心的點劑量，因此MobiusFX與電離室的測量結(jié)果相差不大。

表3　患者首次治療中在體劑量驗證EPIgray和 MobiusFX的測量結(jié)果(%)

采用ArcCheck、EPID、logfiles及其配套的軟件均能很好地實現(xiàn)治療前患者的計劃驗證，滿足臨床的實際需求。治療前患者計劃驗證結(jié)果顯示，2D和3D的平均Gamma通過率均在98%以上，體現(xiàn)了較好的一致性，但Gamma通過率與臨床劑量指標相關(guān)性較低[12]?；贓PID和ArcCheck的2D Gamma通過率分析預測能力不足，缺少空間信息，不能測量和分析患者靶區(qū)或危及器官實際劑量差異，不便于查找和分析造成劑量差異的具體原因。ArcCheck是臨床最常用的一種患者個體化劑量驗證工具，簡單且易操作，是IMRT、VMAT和Tomotherapy等技術(shù)較為理想的驗證工具之一，更為重要的是可實現(xiàn)2D和(或)3D患者計劃的驗證。然而，對于小靶區(qū)而言不能提供足夠的精度，淺表腫瘤無法直接測量。3DVH軟件使得ArcCheck進行離線的3D劑量驗證成為了可能，Olch等[13]應用電離室和EBT2膠片，Watanabe等[14]應用BANG3聚合體凝膠劑量計均對其精確性做了驗證。本研究應用ArcCheck-3DVH系統(tǒng)對患者的3D Gamma通過率進行了驗證分析，得到了與其他驗證工具相似的結(jié)果，同樣具有較高的Gamma通過率。

相比3DVH，MobiusFX具有更高的靈活性，既能進行治療前離線的患者劑量驗證也能實現(xiàn)治療中在體的劑量驗證，自動調(diào)取執(zhí)行計劃的日志文件進行劑量的重建及驗證?；诩铀倨鱨ogfiles進行體內(nèi)三維劑量重建的劑量驗證方法，是對加速器執(zhí)行結(jié)果的反饋實施劑量重建，無需膠片、電離室等劑量接收裝置。日志文件記錄信息的準確與否對結(jié)果也會有較大的影響。Li等[15]驗證了加速器logfiles的準確性，在不考慮加速器校準誤差情況下，利用logfiles重建的計劃與原計劃相差很小，表明了加速器執(zhí)行計劃的精準性。但實際治療中計劃執(zhí)行結(jié)果的好壞不但取決于加速器實施過程的準確性，還取決于加速器各項參數(shù)校準的準確性，如機架角度、MLC葉片位置及到位精度、劑量校準的準確性，只有將這些因素都合適的考慮進去，得出的重建劑量才能更接近實際劑量。本研究表2和表3顯示，同一患者利用MobiusFX離線與在體的劑量驗證通過率差別不大，表明加速器在2次執(zhí)行計劃時的狀態(tài)及精確性較好。第10例患者離線(97.10%)和在體(93.50%)的Gamma通過率偏差比較大，主要是因為在治療過程中MLC的葉片出現(xiàn)了卡位所造成。MobiusFX可實時監(jiān)測治療過程機器的狀態(tài)，并重建患者體內(nèi)三維劑量分布，但無法監(jiān)測患者實際受量，對因擺位誤差、體輪廓和(或)解剖結(jié)構(gòu)變化、空腔存在等所致劑量分布的變化無能為力。因為logfiles只反映MLC葉片到位精度、機架角度、準直器角度等信息，不能反映加速器劑量輸出以及射線透射過模體的衰減和散射過程，所以在加速器狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，利用MobiusFX所測得的在體和離線的Gamma通過率應該偏差不大。

EPID因其成像速度快、探測面積大、使用簡單便捷、重復性好、分辨率高以及無角度響應等良好的劑量特性[16-18]逐步地應用于MLC質(zhì)量保證、IMRT以及VMAT的劑量驗證等方面，而且逐步地用于在線和實時劑量監(jiān)測[19-23]。Winkler等[24]和徐壽平等[25]研究結(jié)果表明，EPID具有良好的線性和穩(wěn)定性；且更多的研究結(jié)果進一步表明EPID是一種準確而有效的劑量驗證工具[26-29]。表2顯示，基于EPID-EPIbeam測得Gamma通過率與ArcCheck-SNCPatient之間無統(tǒng)計學差異，且具有較好的一致性，但與ArcCheck-SNCPatient相比，無需擺模體和做驗證計劃，提高了工作效率。基于EPID和logfiles兩種在體三維劑量驗證的方式，均可準確地監(jiān)測到計劃執(zhí)行過程中一些主要的錯誤，并及時給予警告。與MobiusFX相比，EPIgray在體劑量驗證能夠重建人體受量，實現(xiàn)對患者實時體位的檢測，能較好反映治療過程中因擺位誤差及器官變化等造成的患者受量的影響。Sofia等[30]研究結(jié)果表明，EPIgray是一種有效的在體劑量驗證工具，能很好地應用于不同放射治療技術(shù)及病種的在體劑量驗證。Ricketts等[31]研究發(fā)現(xiàn)，EPIgray可以有效地監(jiān)測因患者擺位所造成的偏差，而且對患者體厚的改變具有適度的敏感性，但是不能可靠地監(jiān)測＜1 cm的體厚變化。

本研究應用EPID-EPIgray系統(tǒng)對12例患者首次治療進行了在線的劑量監(jiān)測與射野等中心劑量偏差評估，首次治療的射野等中心劑量偏差均在預設的±6.7%閾值范圍內(nèi)，且大多數(shù)的偏差值都很小，表明計劃執(zhí)行的準確性，以及擺位誤差和患者首次治療時內(nèi)在器官的位置變化較小。對于治療中在體的劑量監(jiān)測，體內(nèi)感興趣點的劑量重建受多重因素的影響，包括EPID的校準與機械精度、患者的擺位以及患者在等待治療及治療過程中體型、器官及腫瘤大小和位置的變化，默認的閾值可能并不適用患者整個治療過程，還有待在日后的臨床應用及研究中對患者治療過程中不同時段的劑量偏差或不同的治療技術(shù)和部位的劑量偏差進行分析，從而更合理地確定在線劑量監(jiān)測的劑量偏差閾值，更好地保證放射治療的精確性，從而為自適應放射治療的實施提供劑量層面的指導。

4　結(jié)論

無論是治療前離線還是治療中在體的患者劑量驗證，其在臨床上都是一項非常繁重的工作，因此，尋求一種簡單、快捷而有效的QA工具是QA發(fā)展的趨勢。基于不同劑量工具實施患者個體化調(diào)強驗證的方法已經(jīng)廣泛地用于放射治療中，本研究所探討的幾種不同的劑量驗證工具均能切實有效地實施患者個體化質(zhì)量控制，提高了患者治療的安全性。個體化患者調(diào)強驗證中基于測量驗證工具(如ArcCheck等)仍然是高度可靠而有效的手段和方法。此外，軟件QA技術(shù)將極大地節(jié)省臨床上QA時間，然而，QA質(zhì)量及精確性依賴于其功能、算法和軟件的成熟度；無論基于硬件還是軟件的劑量驗證工具，治療前離線還是治療中在體的患者劑量驗證都將會是互為補充的關(guān)系，從而為全面保證患者放射治療過程中劑量的安全性和準確性提供有力的保障。