基于患者出射EPID劑量驗(yàn)證的在體調(diào)強(qiáng)放療質(zhì)控技術(shù)研究

復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放療科，復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系，上海 200032

放療已經(jīng)進(jìn)入高精準(zhǔn)放療時(shí)代，治療技術(shù)的日益復(fù)雜易引發(fā)治療差錯(cuò)事故［1］，新技術(shù)的應(yīng)用往往還會(huì)帶來新的錯(cuò)誤類型發(fā)生［2］，發(fā)生任何一種錯(cuò)誤都會(huì)導(dǎo)致患者實(shí)際受照劑量與計(jì)劃劑量不同，調(diào)強(qiáng)放療（intensity-modulated radiation therapy，IMRT）劑量失誤可導(dǎo)致患者正常功能減退、喪失甚至致命的后果。治療部位錯(cuò)誤和擺位誤差是現(xiàn)階段較為常見的兩種錯(cuò)誤類型［3］。治療部位錯(cuò)誤是由治療計(jì)劃系統(tǒng)生成數(shù)字重建透視圖時(shí)錯(cuò)誤選擇等中心點(diǎn)進(jìn)行患者移床［4］，CT模擬定位坐標(biāo)系統(tǒng)錯(cuò)誤［5］，技術(shù)員錯(cuò)誤對應(yīng)患者體表標(biāo)記擺位（二個(gè)部位以上易出現(xiàn)）等原因引起的。擺位誤差主要與患者不自主運(yùn)動(dòng)（呼吸、吞咽等）、腫瘤形狀大小改變、體型變化（消瘦等）和技術(shù)員操作水平等有關(guān)。

如何降低放療過程中各種因素造成的錯(cuò)誤，保證患者放療質(zhì)量，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。因此，已有研究提出使用如半導(dǎo)體探測器、熱釋光劑量儀等患者在體劑量驗(yàn)證方法［6-11］，其中基于電子射野影像裝置（electronic portal imaging device，EPID）的方法具有不增加患者治療時(shí)間和額外劑量，以及大多數(shù)加速器都已配備等優(yōu)勢［12-15］。本研究旨在實(shí)現(xiàn)一種簡單快速的基于EPID在體劑量驗(yàn)證方法，并設(shè)計(jì)模體實(shí)驗(yàn)來評估該方法識(shí)別放療差錯(cuò)的敏感性，探討其快速發(fā)現(xiàn)IMRT臨床治療中可能出現(xiàn)的較大錯(cuò)誤的可行性。

1 材料和方法

1.1 獲取影像設(shè)備

瓦里安加速器自帶的非晶硅EPID（Varian Portal Vision，aS1000）系統(tǒng)由圖像探測單元、圖像獲取單元及專用工作站組成，其中圖像探測單元的有效探測像素點(diǎn)為1 024×768，探測點(diǎn)間距為0.39 mm，有效探測面積為40 cm×30 cm。EPID放置在源到探測器的距離（source to image distance，SID）為140～150 cm的位置獲取射線穿透患者或模體后的二維劑量影像。

1.2 EPID影像劑量校準(zhǔn)和刻度

EPID實(shí)時(shí)采集的治療位患者或模體透射影像經(jīng)過合適的刻度可轉(zhuǎn)換為劑量通量圖，從而反映治療計(jì)劃投照患者或模體時(shí)的透射劑量分布。首先對EPID的劑量學(xué)采用本底矯正和泛野矯正，并對其劑量線性、劑量穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證［16-17］，最后建立EPID影像-劑量刻度模型。

1.3 放療差錯(cuò)識(shí)別

臨床治療使用的光子線能量為6 MV，影像采集是使用Eclipse中的Portal dosimetry（V10.0）模式，把首次射野出射EPID影像作為剩余分次治療的基準(zhǔn)值，后續(xù)分次療程實(shí)時(shí)治療野結(jié)束后與對應(yīng)基準(zhǔn)影像進(jìn)行γ分析比較，以驗(yàn)證治療計(jì)劃是否準(zhǔn)確執(zhí)行于患者或模體上。本文使用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)2D γ分析法應(yīng)用軟件對Eclipse導(dǎo)出的出射EPID影像數(shù)據(jù)進(jìn)行γ通過率計(jì)算。

1.3.1 治療部位錯(cuò)誤

患者胸腹部位放療易出現(xiàn)標(biāo)記點(diǎn)移床錯(cuò)誤，選取肺癌和直腸癌IMRT治療計(jì)劃、胸部仿真人模體和腹部仿真人模體來實(shí)驗(yàn)這種錯(cuò)誤情況。在肺癌IMRT計(jì)劃投照胸部模體分次治療中的某次另加1次錯(cuò)誤投照腹部模體，在直腸癌IMRT計(jì)劃投照腹部模體分次治療中的某次另加1次錯(cuò)誤投照胸部模體，分別計(jì)算部位正確治療及部位錯(cuò)誤治療情況下的γ通過率。

1.3.2 擺位誤差分析

擺位誤差的存在使患者的各器官實(shí)際投照劑量與計(jì)劃設(shè)計(jì)劑量存在差異，特別是頭頸部腫瘤IMRT放療對擺位誤差尤其敏感，選取頭頸部仿真人模體來分析擺位誤差情況。對模體按激光線標(biāo)記擺位后，分別在Lateral（左右）、Vertical（背腹）、Longitudinal（頭腳）方向上依次手動(dòng)移床±3 mm、±5 mm、±8 mm、±10 mm，獲得等中心點(diǎn)治療和三維6個(gè)方向上引入擺位誤差后治療的出射EPID影像，計(jì)算所有擺位誤差條件下的γ通過率。

1.4 患者臨床應(yīng)用

所有參與此項(xiàng)研究的患者首次治療前擺位須由醫(yī)師和物理師在場確認(rèn)治療體位和模擬定位時(shí)一致，行錐形束計(jì)算機(jī)斷層成像（cone beam computed tomography，CBCT）掃描與計(jì)劃CT圖像配準(zhǔn)來檢查患者的解剖結(jié)構(gòu)在計(jì)劃設(shè)計(jì)期間是否發(fā)生變化，并觀察CBCT圖像上大體腫瘤區(qū)、臨床靶區(qū)和計(jì)劃靶區(qū)對腫瘤輪廓的包繞，確認(rèn)完成后治療患者獲取出射EPID影像?；颊咴隗w劑量驗(yàn)證臨床實(shí)現(xiàn)流程見圖1。

2 結(jié)果

2.1 在體劑量驗(yàn)證識(shí)別放療錯(cuò)誤分析

2.1.1 治療部位錯(cuò)誤情況

肺癌IMRT計(jì)劃正確治療情況γ通過率均值為99.8%，部位錯(cuò)誤治療情況γ通過率均值為36.9%，直腸癌IMRT計(jì)劃正確治療情況γ通過率均值為99.9%，部位錯(cuò)誤治療情況γ通過率均值為40.7%，設(shè)置合理閾值可有效區(qū)分出治療部位錯(cuò)誤情況。表1所示為直腸癌IMRT計(jì)劃投照腹部模體第3分次治療（參考基準(zhǔn)為腹部首次治療出射EPID影像）另加1次錯(cuò)誤治療胸部模體，得到的部位正確治療和部位錯(cuò)誤治療的γ分析結(jié)果。

2.1.2 擺位誤差分析

鼻咽癌IMRT計(jì)劃對頭頸部仿真人模體在等中心點(diǎn)處治療獲得的出射EPID影像分別與三維6個(gè)方向上引入擺位誤差后治療獲得的影像進(jìn)行γ分析比較，圖2為在其中Vertical擺位誤差方向上不同射野角度γ通過率的變化趨勢，結(jié)果顯示，能夠檢測出來非平行射野角度方向的擺位誤差，但對平行于射野角度方向的擺位差異并不敏感。表2所示為射野90度時(shí)引入擺位誤差的γ分析結(jié)果值。

表1 部位錯(cuò)誤治療的γ分析結(jié)果Tab.1 Results of γ-comparison for incorrect site

2.2 患者臨床應(yīng)用

初步應(yīng)用的30例鼻咽癌患者劑量驗(yàn)證的射野平均γ通過率為98.2% (3%/3 mm)，構(gòu)造盒須圖以提供治療分次射野γ通過率的位置和分散的參考，直觀分次治療間患者擺位重復(fù)性。隨著療程的進(jìn)行，患者1的治療總體不確定性有增大趨勢（圖3A）?；颊?放療第16次出現(xiàn)射野γ通過率偏低情況，在第17次治療前物理師檢查整個(gè)劑量驗(yàn)證流程，驗(yàn)證擺位射野源皮距，行CBCT掃描并由醫(yī)師確認(rèn)腫瘤輪廓（內(nèi)邊界）與計(jì)劃CT病灶輪廓吻合，最終治療野γ通過率較好（圖3B）。圖3C為患者2療程第16和17分次的部分角度射野出射劑量影像與基準(zhǔn)影像的劑量差異值圖對比。

圖2 Vertical擺位誤差方向上不同射野角度γ通過率的變化Fig.2 Variations in beam angle γ pass rate with vertical direction shifts

表2 擺位誤差的γ分析結(jié)果Tab.2 Results of γ-comparison for setup error

圖3 患者1射野γ通過率盒須圖（A）、患者2射野γ通過率盒須圖（B）及第16、17分次治療的射野γ值圖對比（C）Fig.3 Box plot of the distributions of γ values (A),box plot of the distributions of γ values (B),and the comparison of γ maps between fraction 16 and 17 (C)

3 討 論

本文實(shí)現(xiàn)的基于EPID二維出射劑量驗(yàn)證的患者在體實(shí)時(shí)質(zhì)控方法可以有效地檢測出較大計(jì)劃投照劑量誤差，將分次治療射野出射劑量與首次基準(zhǔn)劑量進(jìn)行比較分析，直接反映實(shí)際照射到患者身上劑量的準(zhǔn)確性，并設(shè)置可以接受的誤差閾值，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)有可能出現(xiàn)的高劑量誤差，避免發(fā)生可能的嚴(yán)重放療事故。

EPID在使用之前需進(jìn)行刻度，確保其像素具有相似的劑量響應(yīng)。通過仿真人模體實(shí)驗(yàn)表明本方法可有效檢測出治療部位錯(cuò)誤情況，且能夠檢測到非平行于射野方向上的較大擺位誤差，但對平行于射野方向的擺位誤差不敏感，可通過分析射野角度及γ值來判斷擺位誤差最有可能是來自哪個(gè)方向。治療計(jì)劃是在放療前采集的靜態(tài)CT圖像上設(shè)計(jì)的，在整個(gè)放療過程中，盡管采用了熱塑膜等固定患者，但是患者體態(tài)外形、腫瘤大小等的變化使得IMRT照射劑量的準(zhǔn)確性受到限制。特別是鼻咽癌患者在脊髓、腦干等周圍的劑量梯度陡峭區(qū)域，受擺位誤差的影響較大，即使是很小的擺位誤差也可能造成靶區(qū)劑量的不足和危及器官受照過量，從而導(dǎo)致腫瘤局部復(fù)發(fā)、放療并發(fā)癥增加。30例鼻咽癌患者臨床應(yīng)用結(jié)果顯示本方法發(fā)現(xiàn)的患者受照劑量誤差，分析患者2第16分次治療出現(xiàn)的結(jié)果原因可能有：患者體質(zhì)量減輕，與面罩貼合性變差，技術(shù)員擺位不準(zhǔn)確；治療中患者因嚴(yán)重口腔黏膜炎吞咽咳嗽引起面罩松動(dòng)，加之頸部出現(xiàn)放射性皮炎與面罩接觸引起疼痛，而發(fā)生頸部較大移動(dòng)。下一步將在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行更多病例臨床應(yīng)用的相關(guān)研究。本方法利用放療過程中采集到的出射EPID劑量影像信息來指導(dǎo)當(dāng)次和剩余分次治療，能夠直接為醫(yī)師自適應(yīng)放療決策提供參考，減少了患者整個(gè)療程中的CBCT位置驗(yàn)證掃描次數(shù)，以及不必要的重復(fù)定位CT掃描，從而降低患者的額外照射劑量。

綜上所述，本研究方法可對IMRT治療患者進(jìn)行實(shí)時(shí)劑量評估，能夠在單個(gè)治療野結(jié)束后快速檢測出較大治療錯(cuò)誤。