醫(yī)用電子直線(xiàn)加速器快速日檢方法研究

陳元華，李娟，胡偉剛，韓序，張海英，吳志強(qiáng)復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放射治療中心，上海市，200032

0 引言

調(diào)強(qiáng)放療（IMRT）已成標(biāo)準(zhǔn)治療模式，容積調(diào)強(qiáng)放療（VMAT）也越來(lái)越流行，高效的加速器日檢是這些調(diào)制強(qiáng)度較高、通量復(fù)雜的治療技術(shù)順利實(shí)施的安全保證[1-2]。美國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)家協(xié)會(huì)40號(hào)報(bào)告[3]和142號(hào)報(bào)告[4]對(duì)加速器不同頻度的質(zhì)控（QA）有非常詳細(xì)的指導(dǎo)。其中日檢內(nèi)容包括對(duì)輸出一致性、激光位置、光距尺和準(zhǔn)直器尺寸指示器的監(jiān)測(cè)。然而，鑒于國(guó)內(nèi)各放療中心的加速器使用負(fù)荷較重，機(jī)器出現(xiàn)故障的概率更高，有必要將更多關(guān)鍵劑量學(xué)參數(shù)增加到日檢項(xiàng)目中，加強(qiáng)放療安全保障。

已有研究探索了EPID的劑量特征以及將它用作QA工具的可行性[5-8]。EPID具有很高的空間分辨率和足夠的對(duì)比分辨率，很適合用于加速器QA[9-15]。本工作的目的就是建立簡(jiǎn)單的流程和高效的軟件工具，運(yùn)用EPID來(lái)對(duì)更多的加速器劑量學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)。

1 材料與方法

1.1 EPID和成像軟件

在本工作中，測(cè)量對(duì)象為配備aS1000 EPID影像板的瓦里安加速器。通過(guò)portal dosimetry解決方案進(jìn)行影像采集，該方案設(shè)計(jì)的初衷是用于IMRT和VMAT(或RapidArc)計(jì)劃的驗(yàn)證[16-20]。aS1000成像儀平板探測(cè)器的像素矩陣為1 024×768，像素間距為0.392 mm，有效成像面積為30.1 cm×40.1 cm 。成像儀可以放置在距離射線(xiàn)源點(diǎn)97.5 cm到180 cm之間的任何位置。所有EPID的dark field和flood field修正和計(jì)量校準(zhǔn)均依照瓦里安的推薦定期執(zhí)行，并將源到成像儀的距離（SID）為100 cm條件下100跳（MU）刻度為一個(gè)校準(zhǔn)單位（CU）。

1.2 射野序列和模體

用于獲取影像的計(jì)劃由EclipseTM治療計(jì)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過(guò)ARIA?腫瘤信息管理系統(tǒng)執(zhí)行。為使QA活動(dòng)簡(jiǎn)便且自動(dòng)化，本研究刻意使用簡(jiǎn)化的配置來(lái)獲取圖像：所有射野的SID均設(shè)置為100 cm，機(jī)架角度和準(zhǔn)直器角度均置于0度。一個(gè)跳數(shù)為100 MU的20 cm×20 cm居中野用于獲取計(jì)算平坦度和對(duì)稱(chēng)性的圖像。八個(gè)跳數(shù)分別為3，5，10，20，50，100，200，和300 MU，開(kāi)口均為4 cm × 4 cm 的射野用以獲取計(jì)算加速器劑量線(xiàn)性的圖像。將兩個(gè)體積為10 cm × 10 cm × 5 cm和10 cm × 10 cm × 10 cm的方形PMMA 模體分別置于兩個(gè)20 cm × 20 cm的射野中心位置各照射100 MU，用以獲取計(jì)算射線(xiàn)能量輸出因子的影像。所設(shè)計(jì)的QA流程如圖1所示。

圖1 基于EPID的QA流程Fig.1 EPID-based QA process

1.3 分析軟件

圖像分析采用自制的基于Matlab (R2015b)的圖像處理軟件。該軟件可自動(dòng)搜索文件目錄，檢索特定機(jī)器上所采集的圖像，然后執(zhí)行分析并按照日期顯示結(jié)果。通過(guò)的QA項(xiàng)目字體會(huì)顯示為黑色，未通過(guò)的項(xiàng)目會(huì)警示為紅色。用戶(hù)可以在軟件菜單欄上點(diǎn)擊不同QA項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的按鈕來(lái)顯示其計(jì)算結(jié)果。每個(gè)項(xiàng)目的輸出結(jié)果都會(huì)寫(xiě)入Excel表格，用于機(jī)器性能長(zhǎng)期穩(wěn)定性的趨勢(shì)分析。

理論上，平坦度（Flat）和對(duì)稱(chēng)性（Symm）應(yīng)該由圖像x、y兩個(gè)主軸上的一列像素的像素值曲線(xiàn)來(lái)計(jì)算，但為了降低統(tǒng)計(jì)誤差，實(shí)踐中用主軸兩側(cè)10列像素的平均值來(lái)進(jìn)行計(jì)算。平坦度和對(duì)稱(chēng)性分別定義為以均值為中心的波動(dòng)和沿曲線(xiàn)的點(diǎn)偏差，分別用以下公式計(jì)算：

其中Dmax和Dmin是曲線(xiàn)上射野中心80%范圍內(nèi)的最大和最小CU值。Lpt和Rpt是曲線(xiàn)上射野中心80%范圍內(nèi)離中心點(diǎn)距離相等的兩點(diǎn)的CU值，Dctrl是中心點(diǎn)的CU值。

加速器劑量線(xiàn)性用4 cm×4 cm 射野產(chǎn)生的8幅獨(dú)立影像來(lái)計(jì)算。取射野正中心36%面積內(nèi)CU的平均值，進(jìn)行線(xiàn)性擬合繪圖，軟件可以顯示并保存擬合曲線(xiàn)和擬合參數(shù)。輸出穩(wěn)定性因子通過(guò)在射野正中放置不同厚度的模體所產(chǎn)生的兩幅圖像來(lái)計(jì)算，模體的幾何尺寸前文已經(jīng)提及。計(jì)算時(shí)提取兩幅圖像中占據(jù)面積正中36%區(qū)域的CU平均值，記為CU5cm和CU10cm，將CU10cm和CU5cm的比值作為射束能量穩(wěn)定性因子。

2 結(jié)果

使用EPID測(cè)量得到的射野平坦度和對(duì)稱(chēng)性與SUN NUCLEAR ProfilerTM2 測(cè)量結(jié)果的比較如表1所示。SUN NUCLEAR ProfilerTM2的測(cè)量結(jié)果幾乎在六個(gè)月時(shí)間內(nèi)幾乎保持不變，而EPID能夠有效檢測(cè)出平坦度和對(duì)稱(chēng)性的微小波動(dòng)。

在相同的研究時(shí)段內(nèi)，能量穩(wěn)定性因子同時(shí)采用電離室（IC）和EPID測(cè)量，就穩(wěn)定性和長(zhǎng)期一致性而言，兩種方式的測(cè)量結(jié)果符合很好。相關(guān)數(shù)據(jù)比較如表2所示，表中兩組數(shù)據(jù)均以第一個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化。由于測(cè)量條件不同，IC測(cè)得的能量輸出因子絕對(duì)數(shù)值（0.755）與EPID的測(cè)量結(jié)果（0.818）明顯不同。然而，兩種測(cè)量工具均可有效監(jiān)測(cè)射束能量的變化。數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定性偏差在0.8 %以?xún)?nèi)。

表3詳細(xì)地顯示了IC設(shè)備與EPID得出的加速器計(jì)量線(xiàn)性的偏差（相對(duì)于100 MU）。兩種測(cè)量手段的有效性處于相同水平，但是EPID在低至3 MU時(shí)仍然具有很高的靈敏性和可靠性，具有更好的響應(yīng)范圍。由于MU太少，IC收集到的電荷信號(hào)很弱，讀數(shù)統(tǒng)計(jì)波動(dòng)較大，實(shí)踐中IC不在該條件下實(shí)施測(cè)量。

表1 連續(xù)六個(gè)月使用profiler 和 EPID 對(duì)平坦度和對(duì)稱(chēng)性的測(cè)量結(jié)果比較Tab.1 The Flat and Symm measured by profiler and EPID-base in continuous 6 months

3 討論與結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)利用EPID執(zhí)行加速器日檢的軟件工具和操作流程。可同時(shí)檢測(cè)多項(xiàng)臨床最為關(guān)切的QA項(xiàng)目，包括射野平坦度與對(duì)稱(chēng)性，射束輸出穩(wěn)定性因子，和加速器劑量線(xiàn)性。表1顯示了EPID與profilerTM2二者測(cè)量結(jié)果的對(duì)比，由于profilerTM2 的分辨率為4 mm，而EPID的分辨率為0.392 mm且靈敏度更高，所以EPID對(duì)平坦度和對(duì)稱(chēng)性的微小波動(dòng)更敏感。表3為EPID與IC兩者在不同MU下測(cè)量結(jié)果的對(duì)比，在MU數(shù)較小時(shí)（3 MU和5 MU），由于IC接收到的累計(jì)電荷信號(hào)很小，劑量?jī)x度數(shù)的波動(dòng)變大，以致實(shí)際的加速器MU線(xiàn)性雖然很穩(wěn)定，但最終根據(jù)IC測(cè)量結(jié)果計(jì)算出的MU線(xiàn)性的偏差卻超出預(yù)設(shè)容差（一般為2 %），所以臨床實(shí)踐中IC不在3 MU條件下測(cè)量。而EPID在3 MU條件下仍具有很好的響應(yīng)，測(cè)量范圍更寬。綜合表1、表2和表3來(lái)看本工具的性能與常用商業(yè)QA工具相當(dāng)，但在微小變化和極限測(cè)量條件下，EPID具有更好的表現(xiàn)。簡(jiǎn)而言之，基于EPID的日檢工具操作簡(jiǎn)便并且可以在很短時(shí)間內(nèi)完成多項(xiàng)主要項(xiàng)目檢測(cè)，非常符合那些沒(méi)有足夠QA設(shè)備預(yù)算，或者機(jī)器負(fù)荷很高的放療中心的現(xiàn)實(shí)需求。

本研究所設(shè)計(jì)的日檢工具具有如下優(yōu)點(diǎn)：首先，本工具僅用到兩個(gè)簡(jiǎn)單的PMMA方塊模體，可以克服復(fù)雜模體引入的系統(tǒng)誤差，模體的工程加工精度對(duì)測(cè)量結(jié)果幾乎沒(méi)有影響；第二，PMMA方塊模體價(jià)格便宜，容易獲取，并且不需要復(fù)雜的維護(hù)；第三，由于模體非常簡(jiǎn)單，基本不用擔(dān)心不易察覺(jué)的操作錯(cuò)誤，因而它更易被那些沒(méi)有意愿購(gòu)置昂貴QA設(shè)備，和沒(méi)有把握使用復(fù)雜QA設(shè)備的放療中心所接受。

由于不同測(cè)量設(shè)備的劑量響應(yīng)和靈敏度不同，導(dǎo)致相同測(cè)量項(xiàng)目的數(shù)值結(jié)果不同。由于臨床中關(guān)注的焦點(diǎn)是被測(cè)項(xiàng)目相對(duì)于自身的基線(xiàn)是否長(zhǎng)期處于預(yù)設(shè)容差之內(nèi)，所以無(wú)論何種設(shè)備，只要保證設(shè)備可靠有效即可進(jìn)行相關(guān)測(cè)量。然而，在將基于EPID的日檢工具用于臨床之前，需要進(jìn)行仔細(xì)調(diào)試，并建立基準(zhǔn)值和行動(dòng)閾值。

由于模體直接放置在影像板上，所以應(yīng)尺寸合宜，重量合理，以免對(duì)影像板造成不良影響甚至是損壞。在本研究中，大部分影像采集均不使用模體，僅僅在計(jì)算射線(xiàn)能量輸出時(shí)，使用兩個(gè)體積分別為10 cm × 10 cm × 5 cm和10 cm × 10 cm × 10 cm 的PMMA 模體。為了降低散射不平衡的影響，射野設(shè)計(jì)為20 cm × 20 cm 但只提取射野正中36 % 的區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

本研究設(shè)計(jì)的基于EPID的QA工具完成6 MV射線(xiàn)的射野平坦度和對(duì)稱(chēng)性、射束能量輸出因子、加速器劑量線(xiàn)性的測(cè)量大約用時(shí)12 min。可以降低QA設(shè)備成本，簡(jiǎn)化QA流程，擺脫對(duì)第三方QA設(shè)備的依賴(lài)。其經(jīng)濟(jì)性、有效性、易用性使得它不僅可以在大型放療中心使用更適合在條件很差的放療科室使用。