Octavius驗證系統(tǒng)用于旋轉(zhuǎn)調(diào)強三維劑量驗證的研究

馬曉春 蔡宏懿 李冬云 郭逸瀟

甘肅省人民醫(yī)院，甘肅 蘭州 730000

容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放療（VMAT）和快速旋轉(zhuǎn)調(diào)強放療（RapidArc）技術(shù)通過變動劑量率、多葉光柵（MLC）葉片的運動、機架速度甚至極小狹長野來優(yōu)化束流強度以更高效滿足臨床靶區(qū)及危及器官的要求，同時有效縮短了整個治療時間［1，2］。此技術(shù)的實現(xiàn)要求更復雜的治療計劃系統(tǒng)（TPS）算法，其計劃的準確實施要求機架旋轉(zhuǎn)與劑量率和MLC位置的變化精確同步。因此，為確保治療中處方劑量傳輸?shù)木_保證治療安全，在計劃用于病人治療前需進行3D劑量驗證［3，4］。目前常用的三維驗證系統(tǒng)，如Delta4、Arc Check和COMPASS利用Plan dose perturbation（PDP）法得到修正的3D劑量分布［5-7］，通過用測量值校準計算值來得到模體內(nèi)的3D劑量分布，而Octavius驗證系統(tǒng)用于三維劑量重建無需TPS的數(shù)據(jù)且消除了角度依賴。本研究采用此系統(tǒng)對我院88例RapidArc計劃進行驗證，通過在不同標準下對測量與計算劑量分布進行比較探討影響3D劑量重建精度和通過率的因素，為RapidArc患者的精準治療提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 病例選擇 根據(jù)AAPM 119號報告對IMRT測試基準計劃的選取建議［8］，本研究選取88例不同部位RapidArc計劃，其中24例頭頸部均為鼻咽癌患者，34例胸部均為肺和食管單靶區(qū)，30例盆腔均為多靶區(qū)宮頸癌和直腸癌計劃。所選患者KPS≥70分或ECOG評分為0～1，擬放療部位既往未接受過放療。

1.2 加速器和計劃系統(tǒng) Varian EDGE直線加速器，由60對多葉光柵葉片組成，中心40對葉片寬度為2.5mm，兩端各10對葉片寬度為0.5cm和1cm，葉片最大運動速度為2.5cm/s，6MVX射線，劑量率600MU/min，所有計劃包括兩個或多個非零準直器角度的圓弧或段弧，同時采用鉛門自動跟隨技術(shù)以更好地減少葉片間的漏射。Eclipse13.6計劃系統(tǒng)，計算網(wǎng)格0.25cm，使用Photon Optimizer優(yōu)化算法（PO-13.6.23），最終劑量計算使用各向異性解析算法（anisotropicanalyticalgorithm，AAA）。

1.3 Octavius驗證系統(tǒng) Octavius驗證系統(tǒng)的基本組成包括：新升級的Octavius 729矩陣、旋轉(zhuǎn)模體、傾角儀、控制單元和Verisoft 7.1劑量分析軟件，729矩陣由729個空氣電離室組成（尺寸：0.5cm×0.5cm×0.5cm），所有電離室等間距排成27cm×27cm矩陣，相鄰兩個電離室中心間距為1cm，模體直徑320mm，長343mm，SSD=84cm，相對電子密度1.016，HU值16，物理密度1.05g/cm3（實際上各個放療中心旋轉(zhuǎn)模體的電子密度是不同的，當把CT值設(shè)為16HU時，相應的電子密度值和物理密度值存在微小的偏差，我院使用的旋轉(zhuǎn)模體相對電子密度是1.0187，物理密度1.0227g/cm3），分辨率為0.1m Gy，角度范圍±360°，使用絕對劑量測量模式。探測器矩陣通過傾角儀隨加速器機架的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，并始終保持與射線束垂直來進行測量，如圖1所示，為得到最精確的劑量數(shù)據(jù)和劑量與機架角度數(shù)值之間最佳的相關(guān)性，測量過程中Verisoft軟件每隔200ms會進行測量數(shù)據(jù)整合。對于一個兩分鐘的RapidArc計劃，Octavius直接測量超過400 000個劑量點，這些點分布在整個圓柱形模體內(nèi)。

圖1 729矩陣插入圓柱形模體隨機架同步旋轉(zhuǎn)

1.4 Octavius系統(tǒng)3D劑量重建方法 Octavius算法基于模體內(nèi)某個特定深度的測量劑量和PDD曲線，沿著連接探測器和射束中心的射線重建劑量。SSD=85cm處 4cm×4cm，10cm×10cm 和 26cm×26cm 大小射野的PDD是必要的，其他射野的PDD用于提升重建算法的精度。無需使用TPS的劑量信息，3D劑量重建算法如下［10］：利用水與模體材料電子密度之間的關(guān)系，將水中測量的PDD轉(zhuǎn)換為模體內(nèi)的PDD。在當前的機架角度（時間）考慮探測器面板上的一個探測器（當前探測器），測量這個位置的劑量DDet（以Gy為單位）。通過當前探測器創(chuàng)建一條到射束中心的射線并確定來自輻射探測器的當前射野大小。依據(jù)文獻在FF射束模式［11］或FFF射束模式下［12］對非中心軸TPRs應用校正。在模體內(nèi)，使用適合當前射野大小的PDD，根據(jù)方程（1）重建沿著射線到當前探測器r距離處以Gy為單位的劑量值D（r），并對所有機架角度和探測器依照此方法重建劑量值，然后通過線性插值將得到的劑量值整合成2.5mm分辨率大小的3D劑量值。對于Octavius 729探測板，從模體的外殼移除3cm厚的一層得到直徑和長度均為26cm的圓柱體內(nèi)的劑量柵格（此區(qū)域不存在探測器）。

沿著射線的劑量D（r）由測量的當前探測器劑量DDet（0）得到，關(guān)系如下：

這里PDD（r）和PDD（0）分別是距離當前探測器r和當前探測器位置處的百分深度劑量值，散射輻射由當前探測器周圍的探測器造成，對于RapidArc計劃，將近110萬個劑量點通過這種方式重建，重建約需25秒。

1.5 電離室矩陣的校準 與標準劑量比較的劑量校準測量應在每次測量前進行，以便將探測器響應和加速器輸出的變化因素并入劑量測量中。729電離室矩陣有兩種校準方式［13］：一是依據(jù)出廠時提供的校準因子Kuser和國際原子能組織（IAEA）第398號報告中的方法進行中心電離室的相互校準來測量插入了電離室面板的模體內(nèi)的劑量；二是通過使用由TPS提供的期望值和因子Kcross（TPS計算值與矩陣面板中心電離室測量值的比值）對中心電離室進行交叉校準（cross calibration）。由上述兩種方法之一得到的校準因子將被應用到整個探測器矩陣，本研究選擇交叉校準方式對劑量進行修正。

1.6 驗證與評估方法 連接好Octavius系統(tǒng)并進行600 MU以上的預熱照射［9］，調(diào)取驗證計劃以QA模式進行測量數(shù)據(jù)的采集。利用VeriSoft 7.1對計算與實際測量的劑量分別在最大劑量點歸一（Max dose）和參考矩陣對應點處劑量歸一（Local dose）兩種方式下以3%/3mm、3%/2mm和2%/2mm的標準進行3D體積通量驗證的γ評估，閾值10%。通過應用更嚴格的3Dγ評價標準，使用球體的DTA（距離偏差標準）來計算3Dγ指數(shù)，算法評估位于DTA半徑內(nèi)所有相鄰平面的點，計算整個體積中每個體元的γ值。因此本研究選擇橫斷面（transverse，T）、冠狀面（coronal，C）和矢狀面（sagittal，S）進行評價，來檢測臨床相關(guān)錯誤或誤差，驗證不同空間方位的劑量響應是否存在差異。

1.7 統(tǒng)計學方法 使用SPSS 19.5軟件進行數(shù)據(jù)分析，采用均數(shù)±標準差表示，并對三個層面和三個部位所有數(shù)據(jù)行組內(nèi)正態(tài)性檢驗（Kolmogorov-Smirnov檢驗）和組間方差齊性檢驗，符合者采用單因素方差分析（one-wayANOVA，F(xiàn)檢驗），反之采用Kruskal-Wallis秩和檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 三個層面3Dγ指數(shù)分析結(jié)果 三個層面的通過率結(jié)果顯示出橫斷面具有最好的劑量一致性。Local和Max dose兩種方式下橫斷面3%3mm的通過率都在95%以上，冠狀面與橫斷面的通過率平均差異≤10.63%，冠狀面與矢狀面的差異≤1.28%。見表1。

2.2 三個部位模體內(nèi)3Dγ指數(shù)分析結(jié)果 相同的γ標準下胸部計劃平均通過率最高，Max.dose方式下對于3%/3mm、3%/2mm和2%/2mm的標準分別為97.3%、94.7%和 90.2%，頭頸 95.3%、91.2%和81.6%，盆腔95.1% 、90.8% 和 78.8%（F=8.878，3.461，0.393，P=0.000，0.039，0.677）。見表 2。

表1 88個計劃在三個層面的通過率

表2 88個計劃模體內(nèi)的3Dγ通過率

2.3 通過率箱型圖 Max.dose方式下滿足3%/3mm標準的88個計劃整個模體內(nèi)平均3D γ通過率在95%以上，23例患者的γ通過率范圍在90%～95%，3例患者的通過率低于90%。見圖2。

2.4 通過率和評估點數(shù) 一胸部計劃在Max方式下3%/3mm標準的橫斷面和模體內(nèi)3Dγ計算結(jié)果，可以看出整個模體內(nèi)通過率低于橫斷面，評估點數(shù)是橫斷面評估點數(shù)約28倍。見圖3。

2.5 TPS計算和測量的一肺癌患者三個層面的γ評估結(jié)果 圖3顯示出冠狀面和矢狀面未通過3Dγ標準的點數(shù)明顯要多于橫斷面，驗證失敗的點主要出現(xiàn)在計劃靶區(qū)邊緣高劑量梯度區(qū)域和低劑量區(qū)。

圖2 88個病人整個模體內(nèi)Max.dose方式下3%/3mm的3D γ通過率

圖3 一胸部計劃橫斷面和模體內(nèi)Max.dose方式下3%/3mm標準的3Dγ分析結(jié)果

3 討論

Octavius旋轉(zhuǎn)單元的圓柱形設(shè)計配套729探測器陣列，消除了角度效應，很適合用于旋轉(zhuǎn)治療劑量分布的測量。盡管探測器中心間距1cm，但重建算法能夠滿足將測量劑量重建成2.5mm分辨率的整個模體內(nèi)3D劑量，并計算了模體內(nèi)每個劑量單元的體積3Dγ指數(shù)，將γ指數(shù)研究的范圍擴展到與被評估平面臨近的劑量平面。此外，此系統(tǒng)可進行單個弧的測量并逐個控制點去比較分析體積劑量［14］。Conor K 等［9］的研究表明，雖然1cm電離室間距的測量劑量與TPS 2.5mm網(wǎng)格計劃劑量相吻合，但電離室之間的線性插值將導致更多的錯誤，與比729探頭尺寸更優(yōu)和空間分辨率更高的1000SRS液體二維矩陣和1500矩陣可得到更準確的劑量數(shù)據(jù)。

圖4 一肺癌計劃橫斷面、冠狀面和矢狀面的劑量分布在Max.dose方式下3%/3mm的γ評估結(jié)果

三個不同層面的3Dγ通過率結(jié)果顯示出橫斷面具有最好的劑量一致性，可能的原因是橫向視圖最容易與患者的橫向CT切片上的治療計劃等劑量有關(guān)。此外，一旦三維劑量重建網(wǎng)格按照Verisoft軟件實踐規(guī)范的要求設(shè)置（體素邊長：x=2.5mm，y=10mm，z=2.5mm），測量和計算的劑量矩陣的平面坐標必須相對應，然而對于冠狀和矢狀面視圖，精確像素位置的控制則更少。不同身體部位治療計劃的對比表明單一靶區(qū)的胸部計劃測量值更接近計算值，導致更高的γ通過率。TG 218報告指出在弧形出束期間，通過率隨MU與每部分劑量的比率的增加而降低，這表明高度調(diào)制的計劃具有稍微較差的QA結(jié)果［15］，2%/2mm更嚴格的標準導致了更低的通過率。與Local方法相比，Max方法得到的γ指數(shù)更均勻通過率更高，這是因為它是考慮到最大劑量值計算容差水平的，限制條件較為寬松。TG 218報告建議采用Max方法對γ通過率進行評估，因為Max方法被認為更有臨床意義。按照TG218Universal action limits的標準：3%/2mm，10%劑量閾值，γ通過率為≥90%，本研究的結(jié)果均達到了IMRT QA的要求且與文獻報道的結(jié)果基本一致［16，17］。

對比88個病人Max.dose方式下滿足3%/3mm標準的整個模體內(nèi)3D γ通過率發(fā)現(xiàn)有26例患者的通過率低于95%，說明此系統(tǒng)用于快速旋轉(zhuǎn)治療計劃劑量驗證具有一定的錯誤計劃檢出率。對此分別驗證了每個弧，發(fā)現(xiàn)11例患者單弧驗證通過率都高于95%而合成弧低于95%，說明各個弧不通過體素γ指數(shù)誤差放大，8例單弧通過率均低于合成弧說明出現(xiàn)誤差抵消的情況，7例一個弧通過率高于合成弧，另一個弧通過率低于整體通過率。通過率低于90%的3例患者重新驗證發(fā)現(xiàn)1例兩個弧驗證通過率都低于95%，另2例兩個弧驗證通過率不到90%，對這3個計劃調(diào)整了射野參數(shù)重新計算了劑量。

3D劑量驗證γ通過率的影響因素主要有以下幾點：①測量過程中的誤差，比如電離室的部分體積效應，MLC葉片位置誤差（隨機和系統(tǒng)）和葉片速度精度、機架旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性、治療床運動穩(wěn)定性和射野穩(wěn)定性（平坦度、對稱性、輸出量、劑量率、低MU子野）等。Bin Yang等［16］發(fā)現(xiàn)Varian TrueBeam機架角度和運動速度均存在不同程度的偏離，每個控制點實際機架角度偏離在0.4°以內(nèi)，劑量率偏離范圍是-0.20%～0.38%，當機架以6°/秒的速度運動時，最大機架角度偏離將達到1.5°，機架位置的誤差將導致測量劑量射線發(fā)生角位移。Mohammad等［17］對應用于動態(tài)RapidArc計劃驗證的Octavius模體和729電離室矩陣的靈敏性和分辨率進行測試發(fā)現(xiàn)1mm的MLC位置誤差能引起1%的局部劑量誤差。本研究每次數(shù)據(jù)采集前均進行機器性能檢查（machine performance check，MPC），發(fā)現(xiàn) MLC最大位置誤差是0.5mm，由此得出本研究中MLC的位置誤差對測量劑量的影響在1%以內(nèi)。②TPS的誤差，主要包括三個方面：一是射線的性能參數(shù)，其采集精度的可靠性強烈依賴于數(shù)據(jù)采集人員的水平高低；二是射束和MLC模型，非均質(zhì)性校正的使用和建模；三是劑量計算所使用的算法精度，文獻報道Eclipse計劃系統(tǒng)AAA算法存在1%～3%的劑量計算誤差，在有空腔（如肺組織）存在的情況下TPS計算誤差甚至可達基礎(chǔ)誤差的3～5倍［18-20］。③測量系統(tǒng)的誤差，根據(jù)廠家的數(shù)據(jù)傾角儀和旋轉(zhuǎn)單元存在±1°的固有容差，Octavius系統(tǒng)依賴于傾角儀的精度來確定探測器總是垂直于射線束，這將造成機架和探測器矩陣不完全垂直的狀態(tài)以及傾角儀傳輸機架角度微小的誤差，文獻報道模體與機架同步旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生最大0.4°的偏差，傾角儀傳輸機架角度存在0.7°的偏差［4，9］。而對于旋轉(zhuǎn)單元隨機架旋轉(zhuǎn)的同步性，本研究實驗數(shù)據(jù)采集過程中，連接好Octavius驗證系統(tǒng)并啟動模體上的角度自修正按鈕完成方向性校準后，手動轉(zhuǎn)動機架觀察旋轉(zhuǎn)單元隨機架運動的機械容差，分別在模體上添加四條橫向標記線，將機架轉(zhuǎn)到45°、90°、135°、180°、315°、270°、225°再轉(zhuǎn)回0°反復觀察發(fā)現(xiàn)機架和模體的旋轉(zhuǎn)存在0°～±1°的偏差，其中最大偏差出現(xiàn)在90°和270°。④是計劃復雜程度的不同導致計劃系統(tǒng)計算誤差不同，器官結(jié)構(gòu)和限制條件較多、劑量分布更復雜、劑量梯度變化更大的鼻咽癌患者和盆腔計劃通過率相對較低。這是因為所選胸部計劃均為單一靶區(qū)，靶區(qū)內(nèi)不存在劑量梯度，子野優(yōu)化較簡單，而頭頸和盆腔等復雜腫瘤由于各靶區(qū)處方劑量大小不一存在一定劑量梯度，子野優(yōu)化相對復雜，劑量計算誤差相對增加。另一方面，陡峭的劑量梯度影響通過γ標準的點數(shù)。對于更嚴格的2%/2mm標準，單一靶區(qū)的平均通過率遠高于多靶區(qū)計劃，由此推斷復雜靶區(qū)和陡峭的劑量梯度對3D劑量重建精度有影響，重建過程中會引入更多的錯誤從而導致更低的通過率。

綜上所述，Octavius模體內(nèi)3D劑量分布對治療傳輸?shù)木忍峁┝烁娴脑u估，RapidArc計劃在被執(zhí)行前應進行3Dγ通過率分析，計劃驗證的γ通過率受多種因素影響，并與腫瘤部位及計劃復雜度相關(guān)。Octavius驗證系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)模體是均勻組織，而真實人體結(jié)構(gòu)由一系列非均勻組織構(gòu)成，TPS在非均勻組織中計算的誤差遠大于均勻組織。因此下一步工作通過將TPS中病人的CT導入VeriSoft軟件，進行計劃和測量DVH圖的對比，實現(xiàn)實際病人體內(nèi)的3D劑量重建。