Clinac iX和Trilogy加速器束流匹配計(jì)劃驗(yàn)證分析

王廣善，劉桂梅，李曉波，李祥勇，張旭

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京胸科醫(yī)院放射治療科，北京101149

前言

國內(nèi)有機(jī)構(gòu)對(duì)不同加速器的束流特性進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)束流特性之間的相關(guān)性，為以后束流匹配奠定了基礎(chǔ)［1-4］。國外很多放療部門購買同一廠家相同系列的醫(yī)用直線加速器，物理師利用模體對(duì)束流特性進(jìn)行測(cè)量，對(duì)相同射線能量進(jìn)行束流匹配，方便患者治療［5-9］。近幾年國內(nèi)有放療部門對(duì)束流匹配也做了相關(guān)研究［10-11］，嘗試進(jìn)行束流匹配，但數(shù)量較少。我科擁有兩臺(tái)瓦里安直線加速器（簡稱治療機(jī)），一臺(tái)為Clinac iX（簡稱iX），一臺(tái)為高端機(jī)Trilogy（簡稱TR），兩臺(tái)同為較成熟的C 系列型號(hào)，按照購置合同要求及束流匹配規(guī)程［12-13］，對(duì)兩臺(tái)治療機(jī)的6 MV X射線進(jìn)行束流匹配，以方便一臺(tái)治療機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)能將6 MV 計(jì)劃切換至另一臺(tái)治療機(jī)執(zhí)行，而不耽誤患者治療。本研究就兩臺(tái)治療機(jī)6 MV 治療計(jì)劃進(jìn)行分析，驗(yàn)證其數(shù)據(jù)傳遞的一致性及計(jì)劃執(zhí)行的精準(zhǔn)性。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的測(cè)量、比較結(jié)果及多葉準(zhǔn)直器（Multi-leaf Collimator,MLC）DLG（Dosimetric Leaf Gap）和透射因子已在臨床使用之前全部完成，此處因篇幅原因暫未列出，對(duì)于實(shí)際病例及治療技術(shù)的驗(yàn)證更具臨床意義。國外及國內(nèi)束流匹配加速器均取得了較好的臨床應(yīng)用結(jié)果［8-11,14-16］。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備

iX 治療機(jī)安裝于2012年，其配有6、15 MV X 射線和4、6、9、12、15、18 MeV 電子線，各能量劑量率均為100～600 MU/min，三級(jí)準(zhǔn)直系統(tǒng)，包括X、Y 鎢門準(zhǔn)直及60對(duì)千禧（Millennium）多葉準(zhǔn)直器，其中中間40 對(duì)葉片在等中心寬度為0.5 cm、兩邊各10 對(duì)葉片在等中心的寬度為1.0 cm，Extract IGRT（Image-Guided Radiotherapy）碳纖維床板，可做三維適形、固定野調(diào)強(qiáng)、電子治療。TR 治療機(jī)安裝于2018年，配有6、10 MV X 射線和6、9、12、15、18、22 MeV 電子線，劑量率、準(zhǔn)直系統(tǒng)、治療床與iX 配置相同。兩臺(tái)直線加速器使用同一套治療計(jì)劃系統(tǒng)（Treatment Planning System,TPS）Eclipse 13.6。

1.2 數(shù)據(jù)采集及測(cè)量工具

IBA DOSE1 劑量儀、CC13 電離室（靈敏體積0.125 cm3）、固體水（30×30）cm2、IBA MatriXX 二維電離室矩陣（簡稱Mt，空氣電離室，靈敏體積0.08 cm3，面積24.4 cm×24.4 cm，1 020 個(gè)電離室，相鄰間距0.762 cm）及配套分析軟件OmniPro I'MRT、加速器自帶的PortalVision 平板（簡稱PV，aSi1000 非晶硅，面積40 cm×30 cm，分辨率1 024×768）及Portal Dosimetry圖像分析軟件、統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 17.0。

1.3 計(jì)劃設(shè)計(jì)

病例選取，第一組：隨機(jī)選取適合三維適形（3-Dimensional Conformal Radiotherapy,3D-CRT）治療的病例，其中頭頸部病人3例、胸部10例、腹盆部2例，共15例，按照臨床要求對(duì)每例患者先設(shè)計(jì)一個(gè)基于iX的計(jì)劃iX1［17］，然后將該計(jì)劃的治療機(jī)改為TR，生成另一個(gè)計(jì)劃TR1。第二組：隨機(jī)選取適合固定野調(diào)強(qiáng)（Intensity Modulated Radiation Therapy,IMRT）治療的病例，其中頭頸部病人2例、胸部9例、腹盆部4例，共15例，設(shè)計(jì)一個(gè)基于iX的調(diào)強(qiáng)計(jì)劃iX2，然后將該計(jì)劃的治療機(jī)改為TR，生成另一個(gè)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃TR2。

1.4 計(jì)劃驗(yàn)證

對(duì)每一個(gè)計(jì)劃設(shè)計(jì)點(diǎn)劑量驗(yàn)證計(jì)劃和面劑量驗(yàn)證計(jì)劃，對(duì)每一個(gè)驗(yàn)證計(jì)劃在各自的治療機(jī)下執(zhí)行，分別驗(yàn)證點(diǎn)劑量和面劑量。利用DOSE1 劑量儀、CC13 電離室和固體水采集點(diǎn)劑量；由MatriXX 平面矩陣和PV 平板分別獨(dú)立進(jìn)行面劑量驗(yàn)證。然后兩臺(tái)治療機(jī)交叉執(zhí)行計(jì)劃，再次進(jìn)行點(diǎn)劑量和面劑量驗(yàn)證。平面劑量驗(yàn)證采用γ 通過率分析法，選擇3 mm/2%比較標(biāo)準(zhǔn)。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

對(duì)所得數(shù)據(jù)采用SPSS17.0 軟件進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，兩組結(jié)果采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 計(jì)劃比較結(jié)果

Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)自帶計(jì)劃評(píng)估及計(jì)劃比較功能。圖1為Eclipse計(jì)劃比較界面，從3個(gè)不同層面可以看出二者劑量分布幾乎相同。將每個(gè)病例iX1和TR1、iX2和TR2做對(duì)比，按照本研究的方案設(shè)計(jì)讀取計(jì)劃中的指標(biāo)值，在劑量分布方面比較兩計(jì)劃之間的差異，比較的計(jì)劃參數(shù)包括靶區(qū)PTV的D98%、D2%、Dmax和危及器官的相關(guān)指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果列于表1、表2、表3。兩個(gè)計(jì)劃相同指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法按公式（TR1-iX1）/iX1×100%或（TR2-iX2）/iX2×100%得出。

在PTV劑量方面，D98%、D2%、Dmax劑量差異最大平均值標(biāo)準(zhǔn)差分別為-0.52%±0.30%、0.53%±0.45%、-0.55%±0.17%，均小于1.00%，表現(xiàn)出非常好的一致性。危及器官的受量差異最大平均值出現(xiàn)在腹盆部IMRT 計(jì)劃的膀胱D50%，其值為0.94%±0.84%，小于1.00%。兩個(gè)束流匹配計(jì)劃的靶區(qū)和危及器官劑量學(xué)差異能夠達(dá)到臨床可接受的范圍，與部位和技術(shù)類型沒有相關(guān)性。

2.2 計(jì)劃驗(yàn)證結(jié)果

圖1 同一病例不同治療機(jī)計(jì)劃DVH及層面劑量比較Fig.1 Comparison of DVH and dose levels in different treatment machine plans of the same case

表1 頭頸部iX和TR治療機(jī)計(jì)劃PTV和危及器官劑量差異比較（%,± s）Tab.1 Comparison of dosimetric difference between Linac iX and TR on PTV and OAR in head&neck (%,Mean±SD)

表1 頭頸部iX和TR治療機(jī)計(jì)劃PTV和危及器官劑量差異比較（%,± s）Tab.1 Comparison of dosimetric difference between Linac iX and TR on PTV and OAR in head&neck (%,Mean±SD)

計(jì)劃類型PTV D98%PTV D2%PTV Dmax 左晶體Dmax 右晶體Dmax 腦干Dmax 脊髓Dmax MU 3D-CRT IMRT-0.52±0.30-0.40±0.63-0.38±0.12-0.35±0.82-0.55±0.17-0.08±0.25-0.42±2.14-0.22±2.48-0.66±2.97-0.56±2.36-0.77±0.77-0.62±0.85-0.77±0.77-0.62±0.85-0.31±0.28-0.28±0.37

表2 胸部iX和TR治療機(jī)計(jì)劃PTV和危及器官劑量差異比較（%,± s）Tab.2 Comparison of dosimetric difference between Linac iX and TR on PTV and OAR in thorax (%,Mean±SD)

表2 胸部iX和TR治療機(jī)計(jì)劃PTV和危及器官劑量差異比較（%,± s）Tab.2 Comparison of dosimetric difference between Linac iX and TR on PTV and OAR in thorax (%,Mean±SD)

計(jì)劃類型PTV D98%PTV D2%PTV Dmax 左肺V5Gy 右肺V5Gy 雙肺V20Gy 雙肺V5Gy 脊髓Dmax 心臟V30Gy MU 3D-CRT IMRT-0.36±0.23 0.02±0.50-0.08±0.34 0.05±0.61-0.11±0.38-0.05±0.77 0.54±0.41 0.84±0.65 0.20±0.38 0.79±0.55-0.55±0.76 0.54±0.62 0.92±0.74 0.93±0.44 0.93±0.24 0.71±0.04 0.41±0.39 0.29±0.69-0.37±0.43-0.20±0.40

表3 腹盆部iX和TR治療機(jī)計(jì)劃PTV和危及器官劑量差異比較（%,± s）Tab.3 Comparison of dosimetric difference between Linac iX and TR on PTV and OAR in abdomen&pelvis (%,Mean±SD)

表3 腹盆部iX和TR治療機(jī)計(jì)劃PTV和危及器官劑量差異比較（%,± s）Tab.3 Comparison of dosimetric difference between Linac iX and TR on PTV and OAR in abdomen&pelvis (%,Mean±SD)

計(jì)劃類型PTV D98%PTV D2%PTV Dmax 膀胱D50%小腸D2cc 直腸D50%脊髓Dmax 左股骨頭V40Gy 右股骨頭V40Gy MU 3D-CRT IMRT-0.21±0.63 0.41±0.40-0.34±0.35 0.53±0.45-0.38±0.46 0.40±0.75 0.11±0.30 0.94±0.84-0.16±0.21 0.34±0.38 0.01±0.05 0.45±0.83-0.01±0.03 0.00±0.00-0.86±0.26 0.15±0.31 0.08±0.24 0.08±0.18 0.93±0.16 0.12±0.45

將模體中測(cè)量點(diǎn)劑量與TPS 同一位置的點(diǎn)劑量進(jìn)行比較，以TPS 為基準(zhǔn)計(jì)算百分比偏差。8 種組合方式點(diǎn)劑量驗(yàn)證結(jié)果列于圖2。數(shù)據(jù)顯示，iX 治療機(jī)執(zhí)行iX1、iX2、TR1、TR2劑量偏差百分比平均值及標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.35%±0.61%、1.23%±0.53%、1.21%±0.40%、1.66%±0.44%，最大偏差2.36%。TR 治療機(jī)執(zhí)行TR1、TR2、iX1、iX2 計(jì)劃通過率平均值及標(biāo)準(zhǔn)差分別為 -1.06%±0.75%、-1.26%±0.60%、-1.36%±0.67%、-0.87%±0.67%，最大偏差-2.80%。對(duì)以上8 種治療機(jī)與計(jì)劃的組合分別編號(hào)A1、A5、A4、A8、A3、A7、A2、A6，見圖2。A1 和A2、A3 和A4、A5 和A6、A7 和A8分別進(jìn)行兩樣本配對(duì)t檢驗(yàn)，P值分別0.006、0.010、0.026、0.039，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

相對(duì)劑量采用MatriXX平面矩陣和PV平板兩種驗(yàn)證工具獨(dú)立驗(yàn)證，它們?cè)谑褂弥熬?jīng)過校正和刻度，保證其準(zhǔn)確性。γ 分析采用3 mm/2%標(biāo)準(zhǔn)，MatriXX 矩陣對(duì)iX 和TR 治療機(jī)驗(yàn)證的結(jié)果列于圖3，iX治療機(jī)執(zhí)行iX1、iX2、TR1、TR2計(jì)劃通過率平均值及標(biāo)準(zhǔn)差分別為97.93%±0.96%、97.29%±1.07%、99.02%±0.99%、98.40%±0.76%，最小值為95.40%。TR 治療機(jī)執(zhí)行TR1、TR2、iX1、iX2 計(jì)劃通過率平均值及標(biāo)準(zhǔn)差為97.81%±0.86%、97.47%±0.80%、98.33%±0.92%、98.25%±0.81%，最小值為95.90%。對(duì)以上8 種治療機(jī)與計(jì)劃的組合分別編號(hào)B1、B5、B4、B8、B3、B7、B2、B6，見圖3。B1 和B2、B3 和B4、B5 和B6、B7 和B8 分別做兩樣本配對(duì)t檢驗(yàn)，P值分別為0.012、0.009、0.006、0.009，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖2 iX與TR治療機(jī)執(zhí)行本機(jī)及交叉執(zhí)行計(jì)劃絕對(duì)劑量驗(yàn)證結(jié)果Fig.2 Absolute dose verification results of local and cross execution plans of Linac iX and TR

圖3 MatriXX對(duì)iX與TR治療機(jī)執(zhí)行本機(jī)計(jì)劃及交叉執(zhí)行計(jì)劃相對(duì)劑量驗(yàn)證結(jié)果Fig.3 MatriXX′s local plan and cross plan relative dose verification results for Linac iX and TR

PV 對(duì)iX 和TR 治療機(jī)的IMRT 計(jì)劃再次做獨(dú)立驗(yàn)證，結(jié)果列于圖4，iX 治療機(jī)執(zhí)行iX2、TR2 計(jì)劃通過率平均值及標(biāo)準(zhǔn)差分別為96.92%±0.60%、96.97%±0.49%，最小值為96.20%。TR 治療機(jī)執(zhí)行iX2、TR2計(jì)劃通過率平均值及標(biāo)準(zhǔn)差為97.40%±0.63%、97.28%±0.80%，最小值為95.90%。對(duì)以上4 種治療機(jī)與計(jì)劃的組合分別編號(hào)C1、C4、C2、C3 見圖4。C1和C2、C3和C4分別做兩樣本配對(duì)t檢驗(yàn)，P值分別為0.009、0.008。

3 討論和結(jié)論

圖4 PV對(duì)iX與TR治療機(jī)執(zhí)行本機(jī)計(jì)劃及交叉執(zhí)行計(jì)劃相對(duì)劑量驗(yàn)證結(jié)果Fig.4 PV′s local plan and cross plan relative dose verification results for Linac iX and TR

本科室在安裝Trilogy的同時(shí)并與Clinac iX 進(jìn)行束流匹配調(diào)試。束流匹配的最大優(yōu)點(diǎn)在于，其中一臺(tái)治療機(jī)突然故障停機(jī)時(shí)，患者可以隨時(shí)切換到另一臺(tái)治療機(jī)繼續(xù)治療，而不需重新設(shè)計(jì)計(jì)劃，保證患者治療療程完整。另外，同一系列的加速器在束流匹配后，若其中一臺(tái)治療機(jī)故障，另一臺(tái)可以作為參考，查看參數(shù)設(shè)置，互換零件，極大地提高了維修效率，為臨床治療爭取時(shí)間。

有研究表明，劑量傳遞過程中5%的差異就會(huì)導(dǎo)致腫瘤控制率10%～20%的變化和正常組織20%～30%出現(xiàn)放射副作用的可能性［18］。有研究者提出必須滿足劑量處方點(diǎn)的誤差≤3.5%，整個(gè)計(jì)劃靶區(qū)其他點(diǎn)的劑量誤差≤5%，才能滿足患者靶區(qū)劑量的準(zhǔn)確［19］。從計(jì)劃質(zhì)量的比較來看，劑量分布劑量曲線重疊。因?yàn)樵赥R 調(diào)試過程中，束流參數(shù)要一一匹配精準(zhǔn)，比如射線質(zhì)D20/D10相差0.20%、射線對(duì)稱性小于1.00%等。另一方面，同一套計(jì)劃系統(tǒng)Eclipse13.6也保證了算法與建模的一致性，保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，治療計(jì)劃便符合預(yù)期結(jié)果。Seonghee 等［14］同樣對(duì)束流匹配的60 例不同部位的治療計(jì)劃進(jìn)行比較，得到的結(jié)果是PTV 和危及器官劑量差異都在1.00%以內(nèi)。Krishnappan 等［15］對(duì)6 個(gè)未做束流匹配但同一生產(chǎn)廠商的加速器進(jìn)行計(jì)劃比較發(fā)現(xiàn)，選取的病例使用3D-CRT、IMRT 和容積旋轉(zhuǎn)弧形治療的計(jì)劃最大劑量偏差為2.60%，平均偏差小于1.90%，并且劑量偏差與使用技術(shù)類型沒有相關(guān)性。

圖2數(shù)據(jù)表明，兩臺(tái)治療機(jī)在執(zhí)行所有計(jì)劃方面均能準(zhǔn)確地傳遞MU 和調(diào)制參數(shù)，iX 和TR 的點(diǎn)劑量偏差均值都小于3.00%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），兩臺(tái)治療機(jī)對(duì)計(jì)劃的執(zhí)行略有不同，但差異在可接受范圍內(nèi)。iX 實(shí)際測(cè)量劑量比TPS 計(jì)算偏高，TR 實(shí)際測(cè)量劑量比TPS計(jì)算偏低。原因可能來自兩方面，一是治療機(jī)本身方形射野輸出劑量準(zhǔn)確，執(zhí)行計(jì)劃時(shí)劑量率、MLC 等調(diào)制參數(shù)共同配合下劑量傳遞引入誤差；二是受溫度、濕度、氣壓等因素影響的驗(yàn)證工具的精度及擺位誤差。Amin等［20］在研究用于測(cè)量束流匹配加速器輸出劑量的電離室系統(tǒng)穩(wěn)定性和一致性中發(fā)現(xiàn)，不確定的來源主要來自于測(cè)量擺位、刻度測(cè)量和實(shí)際測(cè)量之間的溫度差異，這些因素綜合產(chǎn)生了0.6%的測(cè)量不確定度。Ashokkumar 等［9］對(duì)3 臺(tái)束流匹配的加速器進(jìn)行了劑量學(xué)研究，驗(yàn)證結(jié)果在±3%的容差值以內(nèi)。

在相對(duì)劑量驗(yàn)證方面，本研究采用比較嚴(yán)格的3 mm/2%的γ 分析標(biāo)準(zhǔn)，圖3和圖4的數(shù)據(jù)表明，MatriXX和PV驗(yàn)證通過率結(jié)果平均值分別在97%和96%以上，iX最小值95.40%，TR最小值95.90%，這和國外一些研究得到了一致的結(jié)果［8-9,14］，結(jié)果經(jīng)過t檢驗(yàn)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），說明交換執(zhí)行計(jì)劃確實(shí)存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的差異，造成這種差異的原因有很多，比如兩臺(tái)治療機(jī)的MLC運(yùn)動(dòng)精度、劑量率控制等。Oliver 等［21］報(bào)道，由于1 mm 的隨機(jī)MLC 到位誤差，劑量傳遞的最大變化約為1.21%。最終測(cè)量結(jié)果是很多因素綜合產(chǎn)生的，但差異甚微，可以接受。兩種獨(dú)立的驗(yàn)證方式均有力地證明了束流匹配的可靠性與可行性。分析中發(fā)現(xiàn)PV 通過率偏低，并且比MatriXX 通過率低，這與MLC 葉片間隙漏射線比葉片透射線多關(guān)系密切，對(duì)于所有射野機(jī)頭角度都為0°的計(jì)劃，每個(gè)射野MLC葉片間隙漏射線疊加，PV平板分辨率很高，能響靈敏，因此通過率低的區(qū)域出現(xiàn)在MLC葉片間隙處。如果每個(gè)計(jì)劃中的每個(gè)射野機(jī)頭角度不同，則可減弱MLC 葉片間隙漏射線對(duì)通過率的影響。Seonghee 等［14］利用EPID 對(duì)束流匹配的60 例不同部位的治療計(jì)劃進(jìn)行驗(yàn)證，2%/2 mm和2%/3 mm標(biāo)準(zhǔn)下的γ通過率分別高于93%和97%。全面的束流特性、計(jì)劃差異和預(yù)治療驗(yàn)證結(jié)果均在可接受的臨床范圍內(nèi)，和TPS 計(jì)算展示了很好的一致性。

兩臺(tái)經(jīng)過束流匹配的治療機(jī)之間交換執(zhí)行頭頸、胸部和腹盆計(jì)劃的劑量學(xué)分析在臨床可接受的范圍內(nèi)。這些結(jié)果為在繁忙的臨床環(huán)境中通過與束流匹配的治療機(jī)交換治療患者提供了重要的質(zhì)控保證，而無需重新設(shè)計(jì)計(jì)劃。雖然兩臺(tái)匹配束流的加速器交叉執(zhí)行計(jì)劃可行可靠，但每臺(tái)治療機(jī)有獨(dú)立的束流數(shù)據(jù)，日常治療時(shí)計(jì)劃必須在對(duì)應(yīng)的治療機(jī)上執(zhí)行，以免不可預(yù)料的錯(cuò)誤發(fā)生。只有在治療機(jī)故障等萬不得已的時(shí)刻，才采取交叉治療的方案，治療前必須做錐形束計(jì)算機(jī)斷層掃描，并與計(jì)劃CT 進(jìn)行比較，以匹配最佳治療區(qū)域。另外，交叉實(shí)施之前，必須確保計(jì)劃匹配的驗(yàn)證［16］。