ArcCHECK結(jié)合3DVH在容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療劑量驗(yàn)證中的應(yīng)用研究

馮瑞興

青海大學(xué)附屬醫(yī)院 腫瘤放療科，青海 西寧 810001

引言

旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療（Intensity Modulated Arc Therapy，IMAT）的概念最早是由Yu[1]提出，其旋轉(zhuǎn)照射過程中劑量率恒定。而強(qiáng)度調(diào)制則將射野等角度轉(zhuǎn)化為多葉準(zhǔn)直器（Multi-Leaf Collimator，MLC）形成的大量靜態(tài)子野，并利用多個(gè)疊加的弧實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)時(shí)缺少有效的計(jì)劃系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。隨著放射物理學(xué)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等的進(jìn)步，Otto[2]提出了容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT），其在照射過程中機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度、MLC運(yùn)動(dòng)、劑量率可以連續(xù)變化，極大提高了照射效率，在臨床中已普遍應(yīng)用[3-5]。然而VMAT擁有的多參數(shù)動(dòng)態(tài)變化，使得放療執(zhí)行過程中不確定性更多，因此其質(zhì)量保證（Quality Assurance，QA）非常關(guān)鍵。否則一旦劑量不能準(zhǔn)確按治療計(jì)劃系統(tǒng)（Treatment Planning System，TPS）設(shè)計(jì)的那樣投照到腫瘤患者，可能造成腫瘤控制失敗或產(chǎn)生嚴(yán)重放療并發(fā)癥。

以往僅僅使用點(diǎn)劑量和二維平面劑量驗(yàn)證的方式不能完全適用于VMAT，目前更傾向使用三維劑量驗(yàn)證系統(tǒng)，而ArcCHECK擁有1386個(gè)半導(dǎo)體探頭螺旋分布于圓柱形模體，契合了VMAT旋轉(zhuǎn)照射的方式。但是應(yīng)用ArcCHECK行劑量驗(yàn)證僅使用γ分析法并不能分析靶區(qū)和危及器官具體受到照射的劑量體積參數(shù)。因此，本文研究ArcCHECK三維劑量驗(yàn)證系統(tǒng)結(jié)合配套的3DVH軟件對(duì)VMAT計(jì)劃進(jìn)行劑量驗(yàn)證，探討其臨床應(yīng)用的可行性。

1 材料和方法

1.1 設(shè)備材料

瓦里安Trilogy直線加速器，配置有60對(duì)MLC；飛利浦Pinnacle3Version 9.8 TPS；IBA標(biāo)準(zhǔn)劑量水箱，內(nèi)徑：長(zhǎng)300 mm，寬300 mm，高220 mm；IBA DOSE-1劑量?jī)x和FC65-G 0.65 cc電離室；Sun Nuclear公司ArcCHECK三維劑量驗(yàn)證系統(tǒng)（包含SNC Patient Version 6.2.3軟件），模體長(zhǎng)21 cm，呈圓柱形，并有1386個(gè)呈螺旋分布的半導(dǎo)體探頭，探頭間距為1 cm，有效探測(cè)面積：0.8 mm×0.8 mm；Sun Nuclear公司3DVH Version 3.2軟件。

1.2 研究對(duì)象

隨機(jī)選取2017年1月至2017年6月青海大學(xué)附屬醫(yī)院腫瘤放療科收治的20例腫瘤患者，其中頭頸部腫瘤鼻咽癌5例，胸部腫瘤食管癌和肺癌各5例，腹部腫瘤直腸癌5例。所有患者采用仰臥位，熱塑膜進(jìn)行體位固定，CT掃描的圖像信息傳輸至飛利浦Pinnacle3Version 9.8 TPS進(jìn)行三維重建，主管醫(yī)生勾畫靶區(qū)，每例患者重新設(shè)計(jì)VMAT計(jì)劃，采用179°～181°逆時(shí)針和181°～179°順時(shí)針的兩個(gè)全弧照射，準(zhǔn)直器角度為0°，治療床角度為0°。

1.3 ArcCHECK的校準(zhǔn)

（1） ArcCHECK模體的探頭位于表面下2.9 cm，其等效水深為3.3 cm。因此，將IBA水箱按SSD=86.3 cm擺位，水深3.3 cm，并放置電離室，射野大小10 cm×10 cm，加速器出束200 MU，測(cè)量絕對(duì)劑量三次，記錄平均值。

（2）將ArcCHECK模體對(duì)準(zhǔn)激光燈擺位，SSD=86.7 cm，連接線纜和電腦，打開SNC Patient Version 6.2.3軟件自動(dòng)行本底校準(zhǔn)（初次擺位時(shí)還需進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和傾斜校正）。

（3）根據(jù)軟件提示的擺位方式、射野大小、MU數(shù)，行矩陣探頭個(gè)異性校準(zhǔn)，Normalized Reference Profile曲線所示的比值位于1～1.05之間表示對(duì)稱性良好（圖1）。

（4）在射野大小10 cm×10 cm，加速器出束200 MU，輸入第1步記錄的絕對(duì)劑量平均值，完成絕對(duì)劑量校準(zhǔn)。

圖1 矩陣探頭個(gè)異性校準(zhǔn)的Normalized Reference Profile曲線

1.4 劑量驗(yàn)證方法

1.4.1 γ通過率評(píng)估

在TPS中將20例患者的VMAT計(jì)劃移植到ArcCHECK模體上重新計(jì)算劑量，并把RT Plan和RT Dose文件導(dǎo)入SNC Patient Version 6.2.3軟件，使用患者計(jì)劃出束，ArcCHECK模體下測(cè)量，評(píng)估每例患者的γ通過率，并保存測(cè)量結(jié)果的*.acml文件，γ通過率使用的標(biāo)準(zhǔn)為3 mm，3%，閾值10%。

1.4.2 靶區(qū)和危及器官劑量體積參數(shù)比較

將TPS中患者VMAT計(jì)劃的RT Plan、RT Dose、RT structures和CT images文件導(dǎo)入3DVH Version 3.2軟件，并打開患者劑量測(cè)量結(jié)果的*.acml文件重新進(jìn)行劑量計(jì)算，采用劑量微擾算法（Planned Dose Perturbation，PDP），比較靶區(qū)和危及器官3DVH重新計(jì)算結(jié)果與TPS計(jì)算結(jié)果劑量體積參數(shù)的偏差，劑量體積偏差（%）=（3DVH重新計(jì)算值-TPS計(jì)算值）/TPS計(jì)算值×100%。

2 結(jié)果

2.1 γ 分析結(jié)果

20例腫瘤患者VMAT計(jì)劃γ通過率，見表1。所有患者的γ通過率平均值為（98.1±1.1）%，除了1例鼻咽癌患者的低于95%以外，其余病例的γ通過率均＞95%。

表1 20例腫瘤患者VMAT計(jì)劃γ通過率（%）

2.2 靶區(qū)和危及器官劑量體積參數(shù)比較

靶區(qū)和危及器官TPS計(jì)算結(jié)果與3DVH重新計(jì)算結(jié)果劑量體積參數(shù)的偏差見表2～4。其中1例鼻咽癌、食管癌、肺癌、直腸癌的靶區(qū)和危及器官DVH比較結(jié)果，見圖2。從頭、胸、腹三個(gè)部位腫瘤驗(yàn)證情況看，靶區(qū)PTV的D2%、D98%、D50%、Dmean偏差均較小，都在3%以內(nèi)；危及器官方面，鼻咽癌有1例左、右晶體Dmax偏差分別在8.63%和7.01%，直腸癌有2例左、右股骨頭V50偏差大于5%，其余病例的危及器官劑量體積偏差均小于5%。從測(cè)量的數(shù)據(jù)可以看出，鼻咽癌中晶體由于體積小，而且本來限制比較低所以劑量偏差比其他危及器官的大；對(duì)評(píng)價(jià)體積參數(shù)的危及器官通常高劑量區(qū)體積所占百分?jǐn)?shù)較小，因此偏差也相對(duì)大一些。

表2 5例鼻咽癌3DVH重新計(jì)算結(jié)果與TPS計(jì)算結(jié)果劑量體積參數(shù)比較

表3 5例食管癌和5例肺癌3DVH重新計(jì)算結(jié)果與TPS計(jì)算結(jié)果劑量體積參數(shù)比較

表4 5例直腸癌3DVH重新計(jì)算結(jié)果與TPS計(jì)算結(jié)果劑量體積參數(shù)比較

圖2 靶區(qū)和危及器官DVH比較結(jié)果

3 討論

VMAT技術(shù)相比IMRT技術(shù)增加了角度自由度，在計(jì)劃優(yōu)化過程中可以擁有更優(yōu)的角度選擇性，投照過程機(jī)架角度隨著控制點(diǎn)改變，MLC同時(shí)進(jìn)行變化，而子野權(quán)重變化形成劑量率的變化，理論上靶區(qū)的均勻性也會(huì)越好[2]。但其多個(gè)可變的參數(shù)使計(jì)劃執(zhí)行過程更加復(fù)雜，如機(jī)架到位精度、MLC運(yùn)動(dòng)精度、劑量率與時(shí)間的響應(yīng)特性等都會(huì)影響計(jì)劃的準(zhǔn)確執(zhí)行。因此，放療前保證計(jì)劃劑量準(zhǔn)確投照到患者是臨床放療安全、有效實(shí)施地關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以往點(diǎn)劑量和二維平面劑量的驗(yàn)證只能提供單個(gè)點(diǎn)和平面的劑量信息，劑量驗(yàn)證包含的內(nèi)容太過局限，因而必須進(jìn)行多個(gè)感興趣點(diǎn)和平面的測(cè)量，給驗(yàn)證工作帶來諸多不便。二維驗(yàn)證工具在IMRT不同角度或VMAT旋轉(zhuǎn)照射時(shí)表現(xiàn)出角度依賴性，如果不進(jìn)行修正會(huì)帶來劑量偏差[6]。以往IMRT使用的單野角度歸零進(jìn)行劑量測(cè)量，這樣在驗(yàn)證時(shí)與實(shí)際出束的過程存在很大差異，往往忽略了不同角度時(shí)重力對(duì)機(jī)架和MLC的影響、碳纖維治療床對(duì)射線衰減和散射的影響等，射野歸零相比實(shí)際角度驗(yàn)證特別在水平線下的角度或90°、270°附近的角度驗(yàn)證結(jié)果均明顯提高[7-9]。因此，使用ArcCHECK三維劑量驗(yàn)證系統(tǒng)保證了旋轉(zhuǎn)照射中的劑量信息，本研究中三種部位腫瘤VMAT計(jì)劃γ通過率除1例鼻咽癌為94.2%，其余均＞95.0%，取得了較好的驗(yàn)證結(jié)果，與國(guó)內(nèi)外一些研究中的結(jié)果類似[10-11]。

γ分析法廣泛運(yùn)用于臨床劑量驗(yàn)證系統(tǒng)，它將測(cè)量的劑量分布作為參考信息與TPS計(jì)算的劑量分布比較，彌補(bǔ)了劑量差異法和DTA（Distance-To-Agreement）法各自的不足，不管是劑量梯度較大的區(qū)域還是劑量分布平緩的區(qū)域，其計(jì)算值的誤差較小[12]。然而γ分析法缺乏與臨床解剖結(jié)構(gòu)感興趣區(qū)劑量參數(shù)的相關(guān)性，有些情況下即使γ通過率＞95%也可能出現(xiàn)較大劑量誤差[13]。本研究利用3DVH軟件PDP算法重建患者劑量分布，提供了靶區(qū)和危及器官劑量體積參數(shù)信息，在與TPS計(jì)算結(jié)果的比較中，PTV的劑量偏差均在3%以內(nèi)，危及器官的劑量體積偏差大部分在5%以內(nèi)。但是，受VMAT計(jì)劃執(zhí)行的復(fù)雜性和儀器分辨率的影響，小體積的危及器官或高劑量區(qū)體積很小的部分容易偏差較大，但是多大的偏差能為臨床可接受，這也是后續(xù)需要解決的問題。同時(shí)筆者在研究過程中也發(fā)現(xiàn)通過3DVH軟件的劑量重建，如果整個(gè)計(jì)劃劑量偏差較大，軟件計(jì)算會(huì)有警告提示，這反映出可能是加速器的絕對(duì)劑量偏差或擺位誤差等較大時(shí)帶來的劑量偏差，這時(shí)就需要物理師對(duì)加速器的劑量進(jìn)行校準(zhǔn)或擺位進(jìn)行驗(yàn)證。

目前，許多劑量驗(yàn)證的研究證實(shí)了ArcCHECK與3DVH在臨床應(yīng)用的準(zhǔn)確性，特別對(duì)MLC運(yùn)動(dòng)誤差、不同分辨率等情況下驗(yàn)證的結(jié)果也做了分析[14-16]。但是，ArcCHECK是一個(gè)均勻的有機(jī)玻璃模體，而人體各組織是不均勻的，其缺點(diǎn)是模體測(cè)量的劑量與人體受照劑量還是有一定誤差，3DVH在劑量重建時(shí)未考慮非均勻介質(zhì)的影響[17]。

綜上所述，ArcCHECK三維劑量驗(yàn)證系統(tǒng)在臨床VMAT計(jì)劃的劑量驗(yàn)證中仍然是一個(gè)快捷、簡(jiǎn)便的驗(yàn)證工具，而3DVH提供了靶區(qū)和危及器官的劑量體積參數(shù)，是對(duì)ArcCHECK測(cè)量的一個(gè)延伸，結(jié)合這兩個(gè)方面的驗(yàn)證結(jié)果將有助于提高臨床腫瘤放療的安全保障。