Varian 23EX加速器固定劑量率旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)技術(shù)的Portal Dosimetry驗(yàn)證

王杰，邵凱南，陳鵬，曾嶸，姜琦，鄭士明，閔旭紅

1.安徽省胸科醫(yī)院腫瘤放療科，安徽合肥230022；2.浙江省腫瘤醫(yī)院放射物理室，浙江杭州310022

前言

調(diào)強(qiáng)放射治療目前已經(jīng)成為我國大部分醫(yī)院針對惡性腫瘤的主要治療方式之一。旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)或容積調(diào)強(qiáng)技術(shù)（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）因能夠獲得更好的劑量分布和更高的執(zhí)行效率，逐漸成為目前的主流趨勢。VMAT技術(shù)可分為固定劑量率旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)（Constant Dose Rate VMAT,CDRVMAT）和可變劑量率旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)（Variable Dose Rate VMAT, VDR-VMAT）［1］。CDR-VMAT 相較于VDRVMAT 可調(diào)制參數(shù)少，計(jì)劃質(zhì)量和執(zhí)行效率略差，但在靶區(qū)適形度、劑量均勻性和執(zhí)行效率上仍然優(yōu)于IMRT 技術(shù)［2］。相對于VDR-VMAT，CDR-VMAT 對加速器硬件要求低，成為一些發(fā)布較早的機(jī)器開展旋轉(zhuǎn)治療更為經(jīng)濟(jì)有效的選擇，如筆者所在單位使用的Varian 23EX。Varian 23EX 是Varian 公司2002年發(fā)布的一款較為成熟穩(wěn)定的放療直線加速器，目前在國內(nèi)市場保有量較大，可支持ss-IMRT、dIMRT和CDR-VMAT。開展CDR-VMAT 的同時(shí)必須保證治療計(jì)劃的絕對劑量驗(yàn)證工作［3-4］。目前對于VMAT技術(shù)的劑量驗(yàn)證，三維半導(dǎo)體陣列Delta4 和ArcCheck等已成為主要的第三方驗(yàn)證工具。近年來隨著非晶硅電子射野影像系統(tǒng)（Amorphous Silicon Electronic Portal Imaging Device,a-Si EPID）的發(fā)展，其具有成像分辨率高、采集數(shù)據(jù)快、圖像便于處理、擺位方便等優(yōu)點(diǎn)，因此現(xiàn)在被越來越多地應(yīng)用在劑量驗(yàn)證上［5］。尤其以Varian Portal Dosimetry 系統(tǒng)的發(fā)布，使得采用EPID進(jìn)行劑量驗(yàn)證更加簡便易行［6］。

由于目前尚未見有使用EPID和Portal Dosimetry進(jìn)行CDR-VMAT 劑量驗(yàn)證的相關(guān)報(bào)道，本研究基于Varian 23EX 加速器實(shí)現(xiàn)CDR-VMAT 計(jì)劃，采用Varian公司的Portal Dosimetry系統(tǒng)和a-Si EPID對30例CDR-VMAT 計(jì)劃（包括頭、胸、腹部腫瘤各10 例）進(jìn)行絕對劑量驗(yàn)證，并與Delta4的驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行對比分析，討論其在臨床計(jì)劃設(shè)計(jì)及驗(yàn)證中的意義，有效提高Varian 23EX 加速器在實(shí)際使用中的計(jì)劃執(zhí)行效率。

1 資料與方法

1.1 儀器設(shè)備

采用筆者所在單位的Varian 23EX作為執(zhí)行加速器，能量為6 MV X 線。23EX 支持劑量率為100、200、300、400、500、600 MU/min 的CDR-VMAT，實(shí)際使用數(shù)值由計(jì)劃系統(tǒng)優(yōu)化給出。該加速器選配了aS1000 型EPID，可配合Varian Portal Dosimetry 11.0實(shí)現(xiàn)絕對劑量驗(yàn)證和Gamma通過率分析工作。加速器劑量校準(zhǔn)工具采用PTW 的0.6cc 指形電離室。ScandiDos公司的Delta4三維半導(dǎo)體陣列和配套軟件作為對比工具進(jìn)行計(jì)劃驗(yàn)證。

1.2 臨床病例選擇

隨機(jī)選取2017年1月～2018年8月期間接受治療的10例頭頸部腫瘤患者、10例胸部腫瘤患者和10例腹部腫瘤患者。每個(gè)患者的放療靶區(qū)和處方劑量均經(jīng)審核通過。

1.3 計(jì)劃設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

采用RayStation4.5 計(jì)劃系統(tǒng)對每個(gè)患者設(shè)計(jì)CDR-VMAT 計(jì)劃，選取23EX 作為執(zhí)行機(jī)器，X 射線能量為6 MV。劑量率和機(jī)架轉(zhuǎn)速恒定，并由計(jì)劃系統(tǒng)優(yōu)化給出。采用卷積疊加算法，每2°一個(gè)控制點(diǎn)，單次優(yōu)化迭代60次。對于頭頸部腫瘤設(shè)計(jì)181°～179°對偶雙弧計(jì)劃。胸部腫瘤根據(jù)靶區(qū)位置合理選擇對偶雙弧、4弧或6弧，保證靶區(qū)受量的同時(shí)盡量降低肺的受照體積。腹部腫瘤均設(shè)計(jì)230°～130°的對偶雙弧計(jì)劃。經(jīng)過RayStation 設(shè)計(jì)好的計(jì)劃采用Delta4 三維半導(dǎo)體陣列作為模體生成驗(yàn)證計(jì)劃并導(dǎo)出至加速器執(zhí)行。同時(shí)計(jì)劃傳輸至已經(jīng)配置了PDIP 算法的Eclipse11.0 系統(tǒng)，生成適用于aS1000 EPID 的Portal Dosimetry驗(yàn)證計(jì)劃。

在進(jìn)行計(jì)劃驗(yàn)證之前采用PTW 0.6cc 指形電離室和水箱對加速器進(jìn)行劑量校準(zhǔn)，確保其輸出的穩(wěn)定性。此外對Delta4 三維半導(dǎo)體陣列應(yīng)進(jìn)行絕對劑量校準(zhǔn)工作。對于EPID，需要進(jìn)行暗野、泛野、壞點(diǎn)、機(jī)械等相關(guān)校準(zhǔn)和修正。

1.4 評估方法

對所有的驗(yàn)證結(jié)果采用3 mm DTA、3%Dose 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行絕對劑量Gamma 通過率分析。Gamma 通過率大于95%可認(rèn)為驗(yàn)證通過。鑒于目前采用的Portal Dosimetry11.0系統(tǒng)無法完成多野合成分析，本研究對每個(gè)射野進(jìn)行Gamma 通過率分析，包括頭頸部20個(gè)射野、胸部42個(gè)射野和腹部20個(gè)射野。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 22.0 軟件對兩種驗(yàn)證方式的Gamma通過率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，進(jìn)行配對樣本t檢驗(yàn)，P＜0.05 表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

兩種驗(yàn)證方法所有射野的Gamma 通過率如圖1～3 所示，可見所有射野的Gamma 通過率均大于95%。Portal Dosimetry 和Delta4 典型的驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。頭頸部、胸部和腹部計(jì)劃的驗(yàn)證數(shù)據(jù)和配對t檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從驗(yàn)證結(jié)果可看出，頭頸部、胸部和腹部CDR-VMAT計(jì)劃的Gamma通過率均滿足要求（＞95%）。對于頭頸部計(jì)劃，Portal Dosimetry 的Gamma 通過率明顯小于Delta4，且具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但也達(dá)到了95%以上，20個(gè)射野中最小Gamma 通過率為95.6%。對于胸部和腹部計(jì)劃，兩種驗(yàn)證方法的Gamma通過率無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

圖1 頭頸部腫瘤CDR-VMAT計(jì)劃Gamma通過率Fig.1 Comparison of Gamma passing rates of CDR-VMAT plans for head and neck cancer

3 討論

圖2 胸部腫瘤CDR-VMAT計(jì)劃Gamma通過率Fig.2 Comparison of Gamma passing rates of CDR-VMAT plans for chest cancer

圖3 腹部腫瘤CDR-VMAT計(jì)劃Gamma通過率Fig.3 Comparison of Gamma passing rates of CDR-VMAT plans for abdominal cancer

VMAT 作為一種先進(jìn)的治療方式，在靶區(qū)適形度、執(zhí)行效率等方面優(yōu)于固定野調(diào)強(qiáng)技術(shù)（IMRT）已經(jīng)得到共識［7］。同時(shí)為保證VMAT計(jì)劃的執(zhí)行質(zhì)量，第三方驗(yàn)證工具（以三維半導(dǎo)體陣列為主）已經(jīng)成為開展VMAT 技術(shù)的必備條件［3］。由于開展VDRVMAT技術(shù)所要求的加速器條件更高，目前國內(nèi)可用機(jī)器較少，且第三方三維劑量驗(yàn)證工具價(jià)格偏高，對于多數(shù)國內(nèi)基層醫(yī)院來說開展VDR-VMAT 技術(shù)代價(jià)較高。CDR-VMAT 相對于VDR-VMAT 初始成本更低，是一個(gè)更為經(jīng)濟(jì)而有用的選擇［8］。Didona等［9］通過對15例頭頸部CDR-VMAT和IMRT計(jì)劃的研究分析，CDR-VMAT在靶區(qū)適形性、均勻性和執(zhí)行時(shí)間上均優(yōu)于IMRT。Zhang 等［10］對18 例胸段食管癌Varian 23EX上的CDR-VMAT計(jì)劃分析得出，其計(jì)劃質(zhì)量與IMRT 相同或者更優(yōu)，治療時(shí)間則明顯縮短。Yang 等［11］對9 例腹部腫瘤患者研究分析了VDRVMAT、CDR-VMAT 和9F-IMRT 計(jì)劃，結(jié)果表明CDR-VMAT和VDR-VMAT的劑量分布十分相似，計(jì)劃質(zhì)量高于IMRT，并且驗(yàn)證通過率均在95%以上。相關(guān)研究結(jié)果均表明CDR-VMAT能夠有效提高加速器治療效率，開展CDR-VMAT具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

圖4 兩種方法絕對劑量驗(yàn)證示例Fig.4 Typical examples of dose verification with two methods

表1 兩種驗(yàn)證方法Gamma通過率和t檢驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Comparison of Gamma passing rates between two verification methods and t test results

在劑量驗(yàn)證方面，Varian Portal Dosimetry 配合EPID 驗(yàn)證VMAT 能夠進(jìn)一步降低開展CDR-VMAT技術(shù)的代價(jià)。Bakhtiari等［12］證實(shí)EPID在旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃QA上應(yīng)用的可行性。Mohamed等［13］采用EPID完成了24 例VMAT 計(jì)劃的劑量驗(yàn)證工作，3 mm/3%Gamma 通過率均在97%以上。Maroote 等［14］開展了Portal Dosimetry 聯(lián) 合EPID 與Delta4 在RapidArc 劑量驗(yàn)證上的對比分析，結(jié)果表明兩種驗(yàn)證方式可以相互佐證。Van Uytven等［15］研究了基于EPID圖像實(shí)現(xiàn)患者體內(nèi)的三維劑量重建，不僅能完成治療前的絕對劑量驗(yàn)證，并且能夠?qū)崿F(xiàn)治療中的三維劑量驗(yàn)證。Kavuma 等［16］對EPID 的響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行了研究分析，提出實(shí)際用于劑量驗(yàn)證中需要修正的參數(shù)。本研究中對所使用的EPID亦進(jìn)行了必要的修正。

從本文研究結(jié)果來看，Varian Portal Dosimetry聯(lián)合a-Si EPID 能夠有效完成對CDR-VMAT 計(jì)劃的絕對劑量驗(yàn)證，所有的驗(yàn)證Gamma 通過率均滿足臨床要求，大于95%。Portal Dosimetry 的通過率要低于Delta4，以頭頸部最為突出，這主要是因?yàn)楸狙芯坎捎玫腶S1000 EPID 有效探測面積為40 cm×30 cm，有效分辨率為0.39 mm，遠(yuǎn)高于Delta4 5 mm 的分辨率。同時(shí)頭頸部靶區(qū)一般包括頸部淋巴結(jié)及引流區(qū)，范圍較大，靶區(qū)內(nèi)要求的劑量梯度也比較大，易產(chǎn)生不通過的檢測點(diǎn)，因此Portal Dosimetry 的驗(yàn)證結(jié)果相對更為可靠。對于胸部和腹部計(jì)劃來說，兩種驗(yàn)證方法完全可以做到相互替代。目前絕大多數(shù)加速器均配備了EPID，可方便地開展驗(yàn)證工作，并且EPID 的有效探測面積大、分辨率高能夠有效確保驗(yàn)證的準(zhǔn)確性。此外采用Portal Dosimetry 和EPID 進(jìn)行CDR-VMAT劑量驗(yàn)證免去了第三方驗(yàn)證模體的擺位時(shí)間，并在一定程度上避免了不同驗(yàn)證人員擺位的差異。

在實(shí)際工作中，使用Portal Dosimetry 和EPID 驗(yàn)證CDR-VMAT計(jì)劃也存在一定缺點(diǎn)。首先筆者目前使用的Portal Dosimetry 和EPID 尚不能實(shí)現(xiàn)多野合成計(jì)算，僅可進(jìn)行單野劑量驗(yàn)證；其次EPID在伸縮和隨機(jī)架的轉(zhuǎn)動(dòng)過程中不可避免地出現(xiàn)位置偏移，需要經(jīng)常進(jìn)行機(jī)械修正；最后目前版本的Portal Dosimetry 需要在Eclipse 計(jì)劃系統(tǒng)內(nèi)配置，對于其他TPS 的計(jì)劃需要傳輸至Eclipse 后方可生成驗(yàn)證計(jì)劃。后續(xù)應(yīng)開展相關(guān)工作克服這些問題，進(jìn)一步完善采用Portal Dosimetry 和EPID 實(shí)現(xiàn)絕對劑量驗(yàn)證工作。

總之，本研究結(jié)果說明在Varian 23EX 直線加速器上開展CDR-VMAT 技術(shù)，并采用Portal Dosimetry系統(tǒng)完成對CDR-VMAT計(jì)劃的絕對劑量驗(yàn)證工作是可行的，能夠有效降低開展VMAT計(jì)劃的代價(jià)，提高Varian 23EX在實(shí)際使用中的計(jì)劃執(zhí)行效率。