統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制在醫(yī)用電子直線(xiàn)加速器射束匹配性能評(píng)估中的應(yīng)用研究

肖青，李光俊，張祥斌，柏森

四川大學(xué)華西醫(yī)院腫瘤中心 生物治療國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 放療科，成都市，610041

0 引言

統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（statistical process control,SPC）自1924年由休哈特[1]提出以來(lái)，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、器械設(shè)備等的質(zhì)量管理中得到廣泛應(yīng)用，用于提高質(zhì)量控制（quality control,QC）和質(zhì)量保證（quality assurance,QA）系統(tǒng)的早期發(fā)現(xiàn)及預(yù)防能力，并減少生產(chǎn)浪費(fèi)[2]。SPC作為一種功能強(qiáng)大的分析性決策工具，可有效監(jiān)視、控制和改進(jìn)過(guò)程，近十幾年來(lái)逐漸用于放療QA過(guò)程監(jiān)測(cè)[3-6]。相比專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)或組織已發(fā)布指南推薦的通用臨床規(guī)格限值而言，物理師可根據(jù)SPC技術(shù)更好地設(shè)置特定QA過(guò)程的容差限值及干預(yù)限值，可進(jìn)一步最大程度地減少過(guò)程變異[4,7-8]。

臨床上，通過(guò)對(duì)醫(yī)用電子直線(xiàn)加速器進(jìn)行射束匹配，可以極大程度地提高在不同加速器間治療患者的靈活性和效率[9-12]。然而，除了常規(guī)QA檢測(cè)外，尚缺乏對(duì)射束匹配的加速器間臨床放療性能的全面評(píng)估。本研究基于SPC技術(shù)控制圖和過(guò)程能力分析方法，評(píng)估了3臺(tái)射束緊密匹配的加速器之間容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療（volumetric modulated arc therapy,VMAT）的實(shí)施性能，為臨床決策提供參考。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備材料

3臺(tái)醫(yī)科達(dá)公司醫(yī)用電子直線(xiàn)加速器，1臺(tái)型號(hào)為Versa HD（加速器1），2臺(tái)型號(hào)為Synergy（加速器2、加速器3），均配置了Agility MLC機(jī)頭。3臺(tái)加速器進(jìn)行了6 MV光子束匹配，PDD10差異在±1%內(nèi)，80%FWHM區(qū)域內(nèi)任何點(diǎn)劑量差異均在2%以?xún)?nèi)，有效保證了射束平坦度及對(duì)稱(chēng)性的一致性。VMAT計(jì)劃設(shè)計(jì)采用Raystation放療計(jì)劃系統(tǒng)。劑量測(cè)量采用美國(guó)Sun Nuclear公司螺旋形半導(dǎo)體探測(cè)器陣列ArcCHECK，γ分析采用其配套軟件SNC Patient（版本6.7.4）。

1.2 研究對(duì)象

隨機(jī)選取本中心2018年6月至2020年1月期間3臺(tái)加速器上共1 498例VMAT計(jì)劃進(jìn)行治療前特定患者的劑量驗(yàn)證。VMAT計(jì)劃納入標(biāo)準(zhǔn)：①治療加速器采用上述3臺(tái)射束匹配的加速器；② 計(jì)劃設(shè)計(jì)采用Raystation放療計(jì)劃系統(tǒng)，6 MV光子束均整模式，最大劑量率為600 MU/min。該研究已通過(guò)華西醫(yī)院倫理委員會(huì)審查，并在中國(guó)臨床試驗(yàn)注冊(cè)中心獲得注冊(cè)號(hào)：ChiCTR1900028032。

1.3 VMAT計(jì)劃劑量驗(yàn)證

獲取ArcCHECK模體三維CT影像，傳至Raystation計(jì)劃系統(tǒng)用于劑量計(jì)算；在計(jì)劃系統(tǒng)中將特定患者的VMAT計(jì)劃移植到ArcCHECK模體三維CT影像上重新計(jì)算劑量，導(dǎo)出RT Plan和RT Dose文件用于γ分析；測(cè)量前將ArcCHECK對(duì)準(zhǔn)激光燈進(jìn)行擺位，按照SunNuclear公司提供的標(biāo)準(zhǔn)步驟對(duì)ArcCHECK模體進(jìn)行本底校準(zhǔn)、矩陣校準(zhǔn)和劑量校準(zhǔn)；使用特定患者的VMAT計(jì)劃進(jìn)行出束，通過(guò)ArcCHECK模體進(jìn)行劑量測(cè)量；將RT Plan和RT Dose文件導(dǎo)入SNC Patient軟件進(jìn)行γ分析。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

γ分析取最大劑量點(diǎn)對(duì)絕對(duì)劑量進(jìn)行全局歸一，劑量閾值設(shè)為10%，采用3%（劑量誤差）/2 mm（距離誤差）的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算γ通過(guò)率。根據(jù)AAPM TG-218報(bào)告建議，3%/2 mm的γ通過(guò)率臨床通用干預(yù)限值為≥90%[8]。

1.5 SPC方法

SPC主要包括兩方面內(nèi)容，一是利用控制圖對(duì)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，判斷過(guò)程是否處于穩(wěn)定受控狀態(tài)；二是通過(guò)計(jì)算過(guò)程能力指數(shù)，對(duì)過(guò)程能力符合規(guī)格要求的程度進(jìn)行分析，進(jìn)一步改進(jìn)過(guò)程[13]。由于非正態(tài)會(huì)影響常規(guī)控制圖及過(guò)程能力分析的性能而導(dǎo)致錯(cuò)誤決策[14-16]，因此，本研究中采用不假設(shè)特定分布的加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)差（weighted standard deviations,WSD）方法[16-17]。

1.5.1 控制圖

控制圖通常包含中心線(xiàn)（center line,CL），控制上限（upper control limit,UCL）和控制下限（lower control limit,LCL）?？刂茍D指示過(guò)程何時(shí)不受控制。當(dāng)所有觀(guān)測(cè)值都在控制限內(nèi)，則認(rèn)為該過(guò)程受控，不需采取任何措施。當(dāng)有觀(guān)測(cè)值超出控制限時(shí)表明過(guò)程失控、正在發(fā)生改變，需要進(jìn)行調(diào)查并采取糾正措施。本研究中采用單值圖監(jiān)測(cè)特定患者的VMAT QA過(guò)程質(zhì)量特征值（γ通過(guò)率）。

WSD控制圖方法由CHANG等[16]提出，其基本思想是將偏態(tài)分布分為均值相同但標(biāo)準(zhǔn)差不同的兩個(gè)對(duì)稱(chēng)分布。根據(jù)其原理，單值圖控制限值的計(jì)算如式(1)～(5)所示：

其中，X為單個(gè)γ通過(guò)率的值，MR為移動(dòng)極差，N為測(cè)量個(gè)數(shù)。是偏態(tài)分布常量，與的概率PX相關(guān)，對(duì)于單值圖，可通過(guò)子組為2的移動(dòng)極差估計(jì)并查表得到[16]。由于γ通過(guò)率最大值為100%，臨床上考慮UCL無(wú)實(shí)際意義，因此本研究中只計(jì)算LCL作為容差限值。對(duì)低于容差限值的VMAT QA結(jié)果根據(jù)AAPM TG-218報(bào)告推薦的操作流程調(diào)查失控原因，改進(jìn)質(zhì)控過(guò)程。

1.5.2 過(guò)程能力分析方法

當(dāng)過(guò)程處于受控狀態(tài)時(shí)，則可計(jì)算過(guò)程能力指數(shù)，判斷該過(guò)程質(zhì)量變化與質(zhì)量規(guī)格的相符程度。本研究采用工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的基本過(guò)程能力指數(shù)Cpk，其WSD計(jì)算方法[17]如下：

其中，s為γ通過(guò)率標(biāo)準(zhǔn)差，PX為X≤的概率。USL為規(guī)格上限（upper specification limit），LSL為規(guī)格下限（lower specification limit）。Cpl和Cpu分別為僅存在單側(cè)規(guī)格時(shí)的過(guò)程能力指數(shù)。由于γ通過(guò)率最大值為100%，臨床上設(shè)置USL無(wú)實(shí)際意義，因此本研究中Cpk等于Cpl，LSL為AAPM TG-218報(bào)告中建議的臨床通用干預(yù)限值（90%）[8]。消除失控例后，所有VMAT QA結(jié)果用于計(jì)算Cpk指數(shù)。過(guò)程能力等級(jí)評(píng)估采用MONTGOMERY[2]推薦的僅存在單側(cè)規(guī)格限值時(shí)的Cpk最小值，將過(guò)程能力分為四級(jí)：Cpk≥1.60，等級(jí)為“A+”，過(guò)程狀態(tài)為優(yōu)，可考慮降低標(biāo)準(zhǔn)；1.60＞Cpk≥1.25，等級(jí)為“A”，過(guò)程狀態(tài)良好，維持現(xiàn)狀；1.25＞Cpk≥1，等級(jí)為“B”，過(guò)程狀態(tài)一般，稍有變異將會(huì)產(chǎn)生不良風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)改進(jìn)為“A”級(jí)；Cpk＜1，等級(jí)為“C”，過(guò)程不良較多，必須提升過(guò)程能力。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 25軟件進(jìn)行特定患者VMAT QA過(guò)程質(zhì)量特征的統(tǒng)計(jì)分析。正態(tài)性檢驗(yàn)采用Anderson-Darling統(tǒng)計(jì)量，檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 VMAT QA結(jié)果及數(shù)據(jù)特征

2018 年6月至2020 年1 月期間，通過(guò)ArcCHECK劑量測(cè)量和γ分析對(duì)3臺(tái)加速器上共1 498例VMAT計(jì)劃進(jìn)行了治療前劑量驗(yàn)證，結(jié)果如表1所示。3臺(tái)加速器VMAT QA過(guò)程γ通過(guò)率均不服從正態(tài)分布（P＜0.001），平均和中位γ通過(guò)率均大于97%，平均γ通過(guò)率最大差異為1.26%，中位γ通過(guò)率最大差異為1.30%。3臺(tái)加速器VMAT QA結(jié)果低于臨床干預(yù)限值的比例均低于1%，其中加速器3所有VMAT計(jì)劃γ通過(guò)率高于91%。

2.2 控制圖監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過(guò)WSD方法得到加速器1、加速器2和加速器3特定患者VMAT QA過(guò)程容差限值分別為92.12%、91.42%和93.89%，均高于臨床規(guī)格限值（90%）。繪制單值圖監(jiān)測(cè)VMAT QA過(guò)程，如圖1所示。其中，灰色方塊點(diǎn)表示低于容差限值的γ通過(guò)率，灰色三角形點(diǎn)表示糾正誤差后的γ通過(guò)率。可發(fā)現(xiàn)加速器1、加速器2和加速器3低于容差限值的VMAT例數(shù)/比例分別為7/1.19%、5/1.08%和5/1.12%。對(duì)低于容差限值的17例VMAT QA結(jié)果進(jìn)行調(diào)查，相關(guān)失控原因如下：10例（加速器1、加速器2和加速器3分別有3、3、4例）受擺位誤差影響，占比58.8%；5例（加速器1、加速器2和加速器3分別有3、1、1例）受劑量計(jì)算網(wǎng)格選擇錯(cuò)誤影響，占比29.4%；2例（加速器1、加速器2各1例）受ArcCHECK模體校準(zhǔn)錯(cuò)誤影響，占比11.8%。糾正失控原因后，所有失控例γ通過(guò)率均高于容差限值。

表1 3臺(tái)加速器特定患者的VMAT QA結(jié)果Tab.1 The results of patient-specific VMAT QA for three linacs.

圖1 加速器1特定患者VMAT QA過(guò)程單值圖Fig.1 The individual control charts of patient-specific VMAT QA processes for linac1

2.3 過(guò)程能力評(píng)估結(jié)果

去除受特殊原因影響的失控例后，所有處于受控狀態(tài)的VMAT QA結(jié)果用于計(jì)算Cpk指數(shù)，結(jié)果如表2所示。受控狀態(tài)下，3臺(tái)加速器VMAT QA過(guò)程γ通過(guò)率均不服從正態(tài)分布（P＜0.001），過(guò)程能力指數(shù)Cpk值均大于1，符合臨床規(guī)格基本要求。其中，加速器3的Cpk值最高，過(guò)程能力等級(jí)為“A+”，狀態(tài)為優(yōu)，提示可考慮降低過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)；加速器1的Cpk值次之，過(guò)程能力等級(jí)為“A”，過(guò)程狀態(tài)良好，維持現(xiàn)狀即可；加速器2的Cpk值最低，過(guò)程能力等級(jí)為“B”，狀態(tài)一般，提示過(guò)程稍有變異將會(huì)產(chǎn)生不良危險(xiǎn)。

3 討論

放射治療是治療腫瘤的三大主要手段之一，50%～70%以上的腫瘤患者需要接受放療。為避免在放療過(guò)程中由于直線(xiàn)加速器停機(jī)給治療帶來(lái)不便，很多放療中心會(huì)對(duì)具有匹配基礎(chǔ)的不同電子直線(xiàn)加速器進(jìn)行射束匹配，以提高治療靈活性和效率[9-11]。通過(guò)射束匹配，一方面可以減少加速器調(diào)試及建立放療計(jì)劃系統(tǒng)光束計(jì)算模型相關(guān)數(shù)據(jù)采集工作[10]，另一方面還可以在不對(duì)治療計(jì)劃進(jìn)行更改的前提下在不同加速器上實(shí)現(xiàn)互換治療[11]。射束匹配旨在將不同加速器的劑量學(xué)特性保持一致，通常要求劑量學(xué)參數(shù)如百分深度劑量（PDD）、不同深度profile曲線(xiàn)和輸出因子等滿(mǎn)足一定標(biāo)準(zhǔn)[12]。

本研究中，3臺(tái)醫(yī)科達(dá)醫(yī)用電子直線(xiàn)加速器均配置有Agility MLC機(jī)頭，6 MV光子束匹配的PDD10差異在±1%內(nèi)，80%FWHM區(qū)域內(nèi)的任何點(diǎn)劑量差異均在2%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足射束匹配標(biāo)準(zhǔn)。加速器1、加速器2和加速器3的VMAT計(jì)劃平均及中位γ通過(guò)率均大于97%，平均及中位γ通過(guò)率最大偏差分別為1.26%和1.30%。根據(jù)VMAT計(jì)劃γ通過(guò)率結(jié)果，可認(rèn)為3臺(tái)加速器射束匹配良好[10,18]。但是，通過(guò)SPC技術(shù)發(fā)現(xiàn)，3臺(tái)加數(shù)器VMAT QA過(guò)程容差限值偏差達(dá)2.47%，過(guò)程能力指數(shù)偏差達(dá)0.67，能力等級(jí)處于3種不同水平。其中，加速器1和加速器3 VMAT QA過(guò)程無(wú)需改進(jìn)，但加速器2過(guò)程狀態(tài)一般，需要利用各種資源及方法將其改進(jìn)為“A”級(jí)。結(jié)果表明，SPC技術(shù)可有效評(píng)估射束緊密匹配的直線(xiàn)加速器間VMAT實(shí)施性能，有助于識(shí)別并減小匹配良好的直線(xiàn)加速器間的微小差異。

另外，控制圖作為一種非常經(jīng)濟(jì)高效的報(bào)警系統(tǒng)[2]，有助于發(fā)現(xiàn)VMAT計(jì)劃實(shí)施過(guò)程中的重大誤差，減少臨床事故發(fā)生。對(duì)于VMAT劑量驗(yàn)證結(jié)果低于臨床干預(yù)限值的計(jì)劃，物理師應(yīng)當(dāng)馬上采取措施，調(diào)查原因并仔細(xì)評(píng)估該計(jì)劃是否能在臨床上執(zhí)行。對(duì)于VMAT劑量驗(yàn)證結(jié)果低于容差限值的計(jì)劃，物理師應(yīng)當(dāng)調(diào)查過(guò)程變差原因，改進(jìn)流程。本研究中根據(jù)AAPM TG-218報(bào)告中給出的操作流程調(diào)查了VMAT QA失控原因。3臺(tái)加速器共17例VMAT計(jì)劃QA失控，失控原因包括擺位誤差、劑量計(jì)算網(wǎng)格選擇錯(cuò)誤和ArcCHECK模體校準(zhǔn)錯(cuò)誤，均為人為因素導(dǎo)致的誤差。糾正人為誤差后，所有失控的VMAT計(jì)劃QA結(jié)果均在容差限值和干預(yù)限值內(nèi)。結(jié)果表明，本中心3臺(tái)加速器的臨床VMAT QA過(guò)程處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)。此外，在臨床QA過(guò)程中還應(yīng)當(dāng)對(duì)操作者進(jìn)行更加規(guī)范和嚴(yán)格的培訓(xùn)，以減少人為因素造成的失控。

表2 3臺(tái)加速器特定患者的VMAT QA過(guò)程能力指數(shù)CpkTab.2 The Cpk values of patient-specific VMAT QA processes for three linac

4 結(jié)論

本研究表明，控制圖是一種非常經(jīng)濟(jì)高效的報(bào)警系統(tǒng)，過(guò)程能力分析是一種準(zhǔn)確可靠的過(guò)程性能評(píng)估方法。通過(guò)SPC技術(shù)能有效評(píng)估醫(yī)用電子直線(xiàn)加速器射束匹配性能，有助于持續(xù)監(jiān)測(cè)并改進(jìn)特定患者的VMAT QA過(guò)程，指導(dǎo)臨床決策。