瓦里安Trilogy直線加速器計(jì)劃驗(yàn)證失敗的原因探究及多葉光柵的質(zhì)量控制

劉書朋 侯明揚(yáng)

(南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院，1.放療科；2.設(shè)備器材科，廣州 510515)

當(dāng)今，放射治療技術(shù)發(fā)展已逐步進(jìn)入“精確定位、精確計(jì)劃、精確治療”時(shí)代，其中調(diào)強(qiáng)放射治療(intensity modulated radiation therapy,IMRT)、容積調(diào)強(qiáng)放射治療(volume modulated arc therapy,VMAT)和螺旋斷層放射治療(TomoTherapy,TOMO)等技術(shù)在放射治療中的使用也越來越普遍[1]。以往使用的三維適形(3D-CRT)技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)最大的不同，在于多葉光柵(multi-leaf collimator,MLC)的應(yīng)用以及治療計(jì)劃系統(tǒng)(treatment planning system,TPS)中關(guān)于MLC透射因子(transmission factor,TF)及劑量學(xué)間隙(dosimetric leaf gap,DLG)的使用。放療計(jì)劃中的照射野通過MLC的移動(dòng)分成了多個(gè)子野，并在治療中隨著時(shí)間變換子野，從而形成更加均勻、符合臨床需要的靶區(qū)劑量。但子野的增多則意味著，一旦在治療計(jì)劃系統(tǒng)中的靶區(qū)劑量與實(shí)際照射的靶區(qū)劑量出現(xiàn)誤差，整體劑量會(huì)產(chǎn)生較大的偏差，從而導(dǎo)致放射治療差錯(cuò)甚至事故出現(xiàn)[2-4]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于直線加速器的放療計(jì)劃驗(yàn)證，普遍采用Gamma驗(yàn)證(3mm,3%)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[5]。當(dāng)Gamma驗(yàn)證通過率大于95%時(shí)，則認(rèn)為該放療計(jì)劃可以執(zhí)行。非晶硅電子射野影像系統(tǒng)(electronic portal imaging device,EPID)雖然最初設(shè)計(jì)用于病人的擺位驗(yàn)證，然而由于EPID材料所表現(xiàn)出的良好的劑量線性響應(yīng)、測(cè)量的重復(fù)性以及長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，如今也逐漸用于射野質(zhì)量保證及調(diào)強(qiáng)放療的劑量驗(yàn)證之中[6-10]。

1 驗(yàn)證失敗表現(xiàn)

該研究數(shù)據(jù)引自南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院放療科2號(hào)機(jī)房瓦里安加速器Trilogy型高能直線加速器。加速器portal dosimetry (PD)計(jì)劃驗(yàn)證系統(tǒng)[11]對(duì)于大部分IMRT計(jì)劃驗(yàn)證失敗，Gamma驗(yàn)證通過率(3mm,3%)低于95%，甚至?xí)霈F(xiàn)80%以下情況。但該機(jī)器2013年裝機(jī)投入使用以來，并沒有出現(xiàn)過此現(xiàn)象，驗(yàn)證失敗情況如圖1所示。

圖1(a)為TPS計(jì)算的劑量分布圖，圖1(b)為實(shí)際PD驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量的劑量分布圖。圖1(c)為Gamma驗(yàn)證通過分布圖，紅色區(qū)域?yàn)闊o法通過的劑量點(diǎn)。圖1(d)第一行為Gamma驗(yàn)證通過率，Value為92.6%，低于驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。

2 驗(yàn)證不通過原因

2.1 檢測(cè)邏輯

在實(shí)際的檢測(cè)中，導(dǎo)致IMRT計(jì)劃的驗(yàn)證失敗的原因較多，其中包括直線加速器的硬件故障、走位精度故障、劑量故障、軟件故障、治療床的走位故障、驗(yàn)證系統(tǒng)自身硬件或軟件故障等。因此需要通過從計(jì)劃驗(yàn)證系統(tǒng)到直線加速器進(jìn)行一定方向邏輯推斷和驗(yàn)證排查，才能以最快的效率找到問題所在。圖2為故障的判斷邏輯圖。

2.2 硬件排查

圖1 瓦里安計(jì)劃驗(yàn)證系統(tǒng)Portal Dosimetry驗(yàn)證結(jié)果

首先，重新校準(zhǔn)PD系統(tǒng)后，計(jì)劃驗(yàn)證通過率依舊沒有改善。為排除單純是PD硬件導(dǎo)致的問題，采用第三方驗(yàn)證系統(tǒng)Sun Nuclear公司的MapCheck3產(chǎn)品對(duì)同一例放療計(jì)劃進(jìn)行計(jì)劃驗(yàn)證[12]。如圖3所示，計(jì)劃的Gamma通過率僅為85%，依舊失敗。該結(jié)果排除了PD系統(tǒng)故障，TPS計(jì)劃結(jié)果的確與加速器實(shí)際劑量有所偏差。

圖2 故障的邏輯判斷

圖3 第三方計(jì)劃驗(yàn)證系統(tǒng)Mapcheck3驗(yàn)證結(jié)果

其次，為排除該次故障是由于這一計(jì)劃設(shè)計(jì)自身的特殊性原因?qū)е碌尿?yàn)證失敗，隨機(jī)選取了近期10例IMRT計(jì)劃病例，通過PD驗(yàn)證系統(tǒng)和第三方計(jì)劃驗(yàn)證系統(tǒng)MapCheck3，驗(yàn)證Gamma通過率，結(jié)果如表1所示。由于Mapcheck3和PD驗(yàn)證系統(tǒng)在二維劑量驗(yàn)證上的測(cè)量射野范圍不同，兩者的驗(yàn)證結(jié)果稍有區(qū)別，但整體結(jié)果依舊顯示，只有少數(shù)放療計(jì)劃可以通過驗(yàn)證。因此，排除了是由于單一計(jì)劃產(chǎn)生的原因。

之后參照IAEA277報(bào)告[13]，重新對(duì)加速器進(jìn)行機(jī)械精度質(zhì)控，確保加速器治療等中心無誤，機(jī)架的角度誤差、旋轉(zhuǎn)中心誤差、準(zhǔn)直器的角度誤差、旋轉(zhuǎn)中心誤差滿足標(biāo)準(zhǔn)。再使用二維水箱、PTW UNIDOS劑量?jī)x、PTW 30010指形電離室對(duì)加速器進(jìn)行點(diǎn)劑量驗(yàn)證，測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)劑量誤差不足2%，滿足誤差范圍，確保了加速器在射野10cm×10cm，源皮距SSD=100cm時(shí)，最大劑量點(diǎn)處100cGy等于加速器機(jī)器跳數(shù)100Mu的劑量校準(zhǔn)要求。隨后操作加速器，使準(zhǔn)直器直接形成10cm×10cm、25cm×25cm的開野以及MLC形成的窄形野，對(duì)準(zhǔn)直器和MLC硬件進(jìn)行質(zhì)控。當(dāng)加速器機(jī)械精度、劑量精度、開野和MLC窄形野都可以通過驗(yàn)證時(shí)，加速器硬件部分顯示正常。

2.3 TPS軟件排查

由于目前所有驗(yàn)證的放療計(jì)劃都是在能量6MV下進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，因此該次排查使用美國(guó)Sun Nuclear廠家，型號(hào)為3D Scanner1230的三維水箱，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[14]，測(cè)量直線加速器在能量6MV下的百分深度劑量(percentage depth dose,PDD)、射野輸出因子(output factor)和射束劑量分布(beam profile)等相關(guān)參數(shù)，并與瓦里安Beam Configuration中的建模數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，如圖4、5所示，比較加速器現(xiàn)有數(shù)據(jù)是否發(fā)生改變。

最后，根據(jù)Arnfield MR[15]等人的測(cè)量方法，從計(jì)劃系統(tǒng)中導(dǎo)入相應(yīng)的測(cè)量計(jì)劃，使用PTW 30010電離室在二維水箱中測(cè)量TF和DLG相關(guān)因子，通過計(jì)算后得出結(jié)果，并與TPS中現(xiàn)有MLC數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

3 結(jié)果

硬件排查過程中，雖然劑量誤差在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但為了保證精確性，重新校準(zhǔn)了加速器劑量，保證劑量的準(zhǔn)確性。同時(shí)加速器機(jī)械質(zhì)控結(jié)果全部滿足要求，開野、窄形野的驗(yàn)證結(jié)果也全部通過，基本排除了硬件故障的原因。

軟件排查中，首先使用三維水箱掃描對(duì)比，結(jié)果顯示PDD、Beam Profile等參數(shù)無誤，全部滿足質(zhì)控要求。其次在MLC參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算中，首先使用指型電離室測(cè)量開野輸出量Ropen、MLC在瓦里安加速器的左右Bank的平均透射量RT，得到多葉光柵的透射率TF=RT/Ropen。

表1 10例IMRT放療計(jì)劃在兩種驗(yàn)證系統(tǒng)的Gamma (3mm,3%)通過率（%）

圖4 建模數(shù)據(jù)中不同射野的PDD曲線

圖5 建模數(shù)據(jù)中不同射野的Beam Profile曲線

然后通過測(cè)量多葉光柵間隙為2mm到20mm的特定計(jì)劃，得到相關(guān)劑量參數(shù)Rg，同時(shí)減去TF在計(jì)劃中的占比Rgt，從而得到與DLG相關(guān)的劑量參數(shù)Rg'=Rg(Gap)-Rgt。最終通過擬合不同間隙時(shí)的Rg',得到加速器的DLG值。

DLG測(cè)量曲線如圖6所示，通過實(shí)際測(cè)量與計(jì)算，MLC透射率TF為1.43%，劑量學(xué)間隙DLG為0.1141cm，而TPS數(shù)據(jù)中TF為1.6%，DLG為0.17cm，TF兩者相差12%，DLG相差0.055cm。

圖6 DLG測(cè)量曲線

將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)重新填入TPS數(shù)據(jù)后，將10例病人在TPS中重新計(jì)算劑量并導(dǎo)入PD驗(yàn)證系統(tǒng)后，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證通過率有了大幅度的提高。其中圖1病人通過率從92.6%升至98%。Kielar KN[16]等人提出，TF和DLG的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)由于不同的測(cè)量設(shè)備（例如不同型號(hào)、大小、材料的電離室）和測(cè)量條件而有所區(qū)別，因此在測(cè)量結(jié)束后仍需要通過微小調(diào)整并驗(yàn)證，才可將劑量準(zhǔn)確性做到最好。經(jīng)過最終調(diào)整，將TF調(diào)試為1.35%，DLG為0.115cm后，將10例病人計(jì)劃導(dǎo)入PD和MapCheck3驗(yàn)證系統(tǒng)中，結(jié)果如表2所示，放療計(jì)劃的驗(yàn)證通過率大幅度提高，全部滿足Gamma驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，問題徹底解決。

4 討論

隨著IMRT、VMAT和TOMO等調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)的發(fā)展，放療計(jì)劃的劑量分布越來越復(fù)雜，劑量陡降的區(qū)域越來越多，對(duì)器官的保護(hù)也越來越好。同時(shí)，治療技術(shù)的發(fā)展也讓腫瘤放療變得越來越精準(zhǔn)。但這些優(yōu)勢(shì)也意味著，對(duì)于加速器的質(zhì)控，計(jì)劃的質(zhì)控更加重要，一旦實(shí)際劑量出現(xiàn)較大偏差，將會(huì)造成嚴(yán)重醫(yī)療事故。因此，對(duì)于每一個(gè)放療計(jì)劃，都需要做好嚴(yán)格的質(zhì)量控制[17]。

造成放療計(jì)劃無法驗(yàn)證通過的原因較多。例如，PD系統(tǒng)本身采用的非晶硅材料，在連續(xù)采集下也會(huì)對(duì)放療計(jì)劃的通過率產(chǎn)生影響等[18]。同時(shí)，不論是硬件走位精度、放射劑量的準(zhǔn)確度，還是物理數(shù)據(jù)的測(cè)量精細(xì)度，都會(huì)影響到整個(gè)計(jì)劃在病患身上的實(shí)際實(shí)施。因此需要對(duì)該問題進(jìn)行全面的質(zhì)量控制與排查，缺一不可[19,20]。同時(shí)，由于要查找該故障出現(xiàn)的原因并不容易，因此需要提前做好邏輯分析，從而保證故障的順利解決，并提高效率。該次故障是由于MLC本身透射率和劑量學(xué)間隙與計(jì)劃系統(tǒng)中數(shù)據(jù)計(jì)算參數(shù)相差較大所導(dǎo)致，可能由于加速器在使用過程中MLC滑動(dòng)、壞損及更換所導(dǎo)致。而目前針對(duì)這兩項(xiàng)參數(shù)的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)較少，多認(rèn)為在加速器安裝完成時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)即可。但通過排查發(fā)現(xiàn)，對(duì)于多葉光柵的質(zhì)量控制，不僅需要考慮葉片走位精度、走位速度、子野大小等硬件問題，還要考慮其在長(zhǎng)期使用中對(duì)劑量學(xué)參數(shù)的影響，并將這部分內(nèi)容加入到日常的QA質(zhì)控之中，保證放療計(jì)劃的準(zhǔn)確性和安全性。

表2 10例IMRT放療計(jì)劃調(diào)整MLC參數(shù)后的Gamma (3mm,3%)通過率（%）