調(diào)強(qiáng)放療計劃驗(yàn)證γ 通過率的參考范圍

程燕銘，丘賀金，游鴻強(qiáng)，鄭明志，蔡勇君，林金勇，胡彩容（通信作者）

福建省腫瘤醫(yī)院·福建醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放療科 （福建福州 350014）

隨著放療技術(shù)的快速發(fā)展，調(diào)強(qiáng)放療（intensity-modulated radiation therapy，IMRT）和容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療（volumemodulated arc therapy，VMAT）越來越普遍地被用于腫瘤患者的治療中。相對于傳統(tǒng)的常規(guī)放療，IMRT和VMAT技術(shù)以更高的調(diào)制自由度實(shí)現(xiàn)對治療靶區(qū)的高劑量和高適形度照射，同時又更好地保護(hù)了周邊危及器官（organ at risk，OAR）[1-2]。但是，它們在實(shí)施過程中涉及較多的動態(tài)變化參數(shù)，增加了放療計劃的不確定性，因此，在臨床治療前需對每例患者的放療計劃進(jìn)行劑量驗(yàn)證[3]。目前，國內(nèi)外已有較多關(guān)于不同驗(yàn)證工具、驗(yàn)證軟件和評估方法的應(yīng)用報道[4-5]，且劑量驗(yàn)證也成了每家放療中心必做的常規(guī)質(zhì)控項目，但尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)來反映和評估劑量驗(yàn)證結(jié)果的充分性和可信度。本研究回顧性分析了于我院行調(diào)強(qiáng)放療的2 487例患者的計劃驗(yàn)證結(jié)果，探討相應(yīng)評價標(biāo)準(zhǔn)下，不同病種部位、計劃系統(tǒng)和驗(yàn)證工具的γ通過率的置信度區(qū)間，為開展新的調(diào)強(qiáng)放療中心或使用新調(diào)強(qiáng)設(shè)備時，對其調(diào)強(qiáng)放療系統(tǒng)進(jìn)行臨床劑量驗(yàn)證的總體劑量精度評價提供一種量化的γ通過率參考范圍。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2017年6月至2019年7月于我院行調(diào)強(qiáng)放療的2 487例癌癥（鼻咽癌、喉癌、腦轉(zhuǎn)移癌、乳腺癌、食管癌、肺癌、直腸癌、宮頸癌、前列腺癌等）患者，按照治療病種部位分為頭頸部腫瘤778例、胸部腫瘤830例、腹部腫瘤879例。

1.2 方法

采用Pinnacle V9.2、Oncentra V4.3及Monaco V5.1.1計劃系統(tǒng)進(jìn)行計劃設(shè)計，并采用IMRT 或VMAT 技術(shù)。

計劃驗(yàn)證：采用ArcCheck 和MapCheck2（Sun Nuclear，美國）分別進(jìn)行三維和二維劑量分布的測量，其中，采用ArcCheck 驗(yàn)證的計劃，保持計劃原有的照射野特點(diǎn)（IMRT按照實(shí)際照射野角度執(zhí)行，VMAT 單弧/多?。?；采用MapCheck2驗(yàn)證計劃，將IMRT 計劃的照射野機(jī)架角度統(tǒng)一歸零，首先將患者計劃移植到對應(yīng)的驗(yàn)證模體上，并計算模體上的劑量分布，計算網(wǎng)格設(shè)為2.0 mm，最終導(dǎo)出劑量文件與測量的劑量文件進(jìn)行比對；驗(yàn)證前分別對驗(yàn)證工具進(jìn)行探頭響應(yīng)的一致性校準(zhǔn)，且針對每臺加速器進(jìn)行絕對劑量標(biāo)定并獲取相應(yīng)絕對劑量校準(zhǔn)文件。

驗(yàn)證結(jié)果分析：按照病種部位（頭頸部、胸部和腹部）、計劃系統(tǒng)（Pinnacle、Oncentra 及Monaco）和驗(yàn)證工具（ArcCheck/MapCheck）的不同，將計劃驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行歸類整理，采用絕對劑量的γ 值分析法對患者計劃的劑量分布進(jìn)行分析比對，并錄入數(shù)據(jù)；γ 分析評價標(biāo)準(zhǔn)分別選取3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mm，低劑量區(qū)的閾值設(shè)定為10%。

置信限（confidence limit，CL）的計算：本研究將采用AAPM TG-119號報告[6]提出的CL 定義量化放療計劃驗(yàn)證γ 通過率的可信度，其表達(dá)如下， CL=（100-mean）+1.96σ，其中，mean 為計劃驗(yàn)證γ 通過率的平均值，σ 為標(biāo)準(zhǔn)差；當(dāng)驗(yàn)證的劑量分布與計劃系統(tǒng)計算的劑量分布進(jìn)行比較時，一般都有差異，在95%的置信水平下，如果偏差小于CL 值，則認(rèn)為該差異可以被接受，即驗(yàn)證通過，反之驗(yàn)證失敗。

1.3 統(tǒng)計學(xué)處理

建立Excel 數(shù)據(jù)庫，采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計量資料以±s 表示，采用F 檢驗(yàn)，對3%/3 mm、3%/2 mm 和2%/2 mm 評價標(biāo)準(zhǔn)下的γ 通過率進(jìn)行析因分析，檢驗(yàn)各因素對γ 通過率的影響情況，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 γ 通過率的基本統(tǒng)計量分析及析因分析結(jié)果

2 487例調(diào)強(qiáng)放療計劃的3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mm評價標(biāo)準(zhǔn)的總體平均γ通過率分別為（98.1±1.8）%、（96.2±3.0）%和（92.1±5.4）%。按照病種部位、計劃系統(tǒng)和驗(yàn)證工具的不同進(jìn)行分類比較，相應(yīng)3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mm評價標(biāo)準(zhǔn)下，絕對劑量的平均γ通過率結(jié)果見表1。經(jīng)3×3×2析因分析統(tǒng)計，病種部位（因素A）、計劃系統(tǒng)（因素B）和驗(yàn)證工具（因素C）三因素的析因分析結(jié)果見表2。不同病種部位間的3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mm γ通過率差異有統(tǒng)計學(xué)意義，胸部＞頭頸部＞腹部（F=29.97、20.09、29.66，P＜0.01）；不同計劃系統(tǒng)間的3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mm γ通過率差異有統(tǒng)計學(xué)意義，Monaco＞Oncentra＞Pinnacle（F=33.36、22.69、35.94，P＜0.01）；不同驗(yàn)證工具間的3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mm γ通過率差異有統(tǒng)計學(xué)意義，MapCheck＞ArcCheck（F=7.34、16.76、25.32，P＜0.01）。此外，病種部位與計劃系統(tǒng)、病種部位與驗(yàn)證工具、計劃系統(tǒng)與驗(yàn)證工具對γ 通過率的影響均有交互作用（P＜0.01）。

表1 γ 通過率的基本統(tǒng)計量描述

表2 γ 通過率的3×3×2析因分析結(jié)果

2.2 γ 通過率CL 的確定

根據(jù)CL的計算公式，對本研究入組病例的γ通過率進(jìn)行歸納分析。對于頭頸部、胸部和腹部腫瘤，在不考慮計劃系統(tǒng)和驗(yàn)證工具的情況下，其3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的計劃驗(yàn)證γ通過率的平均CL值分別為（5.7、9.4、16.2）、（5.1、9.6、19.3）、（5.5、9.9、20.4），表示在95%的置信水平下，3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的計劃驗(yàn)證γ通過率應(yīng)分別大于（94.3%、90.6%、83.8%）、（94.8%、89.9%、79.6%）、（94.5%、90.1%、79.6%）；對于Pinnacle、Oncentra和Monaco計劃系統(tǒng)，在不考慮病種部位和驗(yàn)證工具的情況下，其3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的γ通過率的平均CL值分別為（7.2、12.1、23.0）、（4.6、9.4、18.4）、（4.4、7.4、14.5），表示在95%的置信水平下，3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的計劃驗(yàn)證γ通過率應(yīng)分別大于（92.8%、87.9%、77.0%）、（95.4%、90.6%、81.6%）、（95.6%、92.5%、85.4%）；對于ArcCheck和MapCheck驗(yàn)證工具，在不考慮病種部位和計劃系統(tǒng)的情況下，其3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的γ通過率的平均CL值分別為（5.0、9.6、18.9）、（5.8、9.6、18.3），表示在95%的置信水平下，3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的計劃驗(yàn)證γ通過率應(yīng)分別大于（95.0%、90.4%、81.1%）、（94.0%、90.1%、81.2%）。與不同病種部位、不同計劃系統(tǒng)和不同驗(yàn)證工具相對應(yīng)的CL值見表3。

3 討論

相對于傳統(tǒng)的常規(guī)放療，IMRT 和VMAT 技術(shù)實(shí)施過程中涉及較多的動態(tài)變化參數(shù)，增加了放療計劃的不確定性，因此，臨床對IMRT 和VMAT 放療過程中的質(zhì)量保證工作提出了更高的要求。2008年，美國的放射物理中心（Radiological Physics Center，RPC）報道，在一項IMRT 認(rèn)證過程中，用頭頸部模體測試了250例的IMRT 計劃，發(fā)現(xiàn)71例（28%）計劃的劑量偏差大于7%，可見為保證治療計劃的劑量分布被精確地投照到患者體內(nèi)，在患者治療前必須對臨床治療計劃進(jìn)行嚴(yán)格的劑量驗(yàn)證[7]。近年來，有國內(nèi)外學(xué)者的研究表明，IMRT 和VMAT 劑量驗(yàn)證γ 通過率受治療部位、射野強(qiáng)度調(diào)制復(fù)雜程度、劑量計算精度、設(shè)備的機(jī)械精度以及測量的不確定性等因素影響。雖然劑量驗(yàn)證并不能分別檢測出上述因素的影響程度，但是可以檢測出IMRT 和VMAT 計劃的總體精度是否符合要求[8-9]。

表3 3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm 標(biāo)準(zhǔn)下放療計劃的CL

本研究結(jié)果顯示，在不考慮病種部位、計劃系統(tǒng)和驗(yàn)證工具的情況下，2 487例調(diào)強(qiáng)放療計劃的3%/3 mm、3%/2 mm 和2%/2 mm 評價標(biāo)準(zhǔn)的總體平均γ 通過率分別大于98%、96%和90%，與楊瑞杰等[9]報道的2 010 例調(diào)強(qiáng)放療患者的3%/3 mm 評價標(biāo)準(zhǔn)的平均γ 通過率（97.9±3.4）%很接近。李成強(qiáng)等[5]分析了211例采用ArcCheck 驗(yàn)證的VMAT 計劃，鼻咽癌、宮頸癌和直腸癌，3%/3 mm 的平均γ 通過率分別為93.5%、95.7%和97.5%。本研究結(jié)果顯示，腹部腫瘤的平均γ 通過率略低于頭頸部和胸部腫瘤，分析其原因主要是由于部分婦科腫瘤的靶區(qū)范圍較大，超出了驗(yàn)證工具的有效測量面積，導(dǎo)致頭腳方向的劑量探測點(diǎn)位于高劑量梯度區(qū)、劑量跌落區(qū)及射野邊緣。從本研究結(jié)果來看，γ 通過率還會受所使用的計劃系統(tǒng)品牌的影響，計劃系統(tǒng)的核心部分為算法。Monaco 采用的是蒙特卡羅算法，直接模擬光子與人體組織的相互作用，然后直接計算次級電子在介質(zhì)中的吸收劑量，目前該算法被認(rèn)為是放療劑量計算精度最高的算法，尤其在不均勻介質(zhì)中、建成區(qū)和無法達(dá)到電子平衡的區(qū)域，如小野[10]。Oncentra 和Pinnacle 采用的均是筒串卷積算法，這種算法利用跟蹤入射線在物質(zhì)中的徑跡來獲取劑量計算矩陣中的所有點(diǎn)的總比釋動能，進(jìn)而根據(jù)物質(zhì)的化學(xué)組成和射線經(jīng)過的物質(zhì)密度的變化，收集和沉積被射線穿過的每個體素所獲得的能量或者劑量。然而，表面上Oncentra 與Pinncale 系統(tǒng)采用的算法相近，屬于并行發(fā)展的兩種模型，有許多共同點(diǎn)，但是在點(diǎn)劑量核函數(shù)的處理上有些不同，不再將射線分為原射線和散射線，計算的劑量是水中的吸收劑量，此方面與Monaco 一樣，計算的是在介質(zhì)中的劑量。它們之間通過率的差別很可能由于Monaco 和Oncentra 相對于Pinnacle，是直接計算介質(zhì)中的吸收劑量，Knoos 等[11]的研究表明，這種處理對于骨性結(jié)構(gòu)較多的組織，由于不同的碰撞阻止本領(lǐng)引起的這兩種劑量算法的最大劑量偏差將達(dá)到6%。對于驗(yàn)證工具的選擇，ArcCheck 和MapCheck 兩種驗(yàn)證工具，前者的平均γ 通過率低于后者（P＜0.01），這是由于使用ArcCheck 驗(yàn)證時采用實(shí)際的機(jī)架角度，真實(shí)模擬了機(jī)架在旋轉(zhuǎn)過程中可能帶來機(jī)架到位精度的影響，以及多葉準(zhǔn)直器可能由于重力作用而產(chǎn)生的位置偏差或到位精度的影響。而使用MapCheck 驗(yàn)證時，傳統(tǒng)的做法是將射野的機(jī)架角度歸零，這種方式在驗(yàn)證中很可能會掩蓋或者缺失一些執(zhí)行誤差，以致分析結(jié)果不能真實(shí)地反映實(shí)際情況，導(dǎo)致較高的γ 通過率[12]。此外，本研究析因分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，病種部位、計劃系統(tǒng)和驗(yàn)證工具不僅是造成驗(yàn)證γ 通過率差異的獨(dú)立影響因素，而且它們之間還有交互作用，共同作用于γ 通過率。

此外，本研究提出了驗(yàn)證通過率的CL 水平，用來判斷調(diào)強(qiáng)放療計劃的總體劑量精度的可信度。AAPM TG-119號報告通過多中心協(xié)作，不考慮病種部位、計劃系統(tǒng)和驗(yàn)證工具，僅針對點(diǎn)劑量驗(yàn)證、單野劑量測量和復(fù)合野膠片劑量驗(yàn)證分別給出了3%/3 mm 標(biāo)準(zhǔn)下12.0、7.0和12.4的CL 值，本研究參考該報告，從病種部位、計劃系統(tǒng)和驗(yàn)證工具等因素出發(fā)，回顧性梳理了以上因素對應(yīng)的CL 值。由于CL 是一個統(tǒng)計學(xué)概念，所以它在臨床應(yīng)用時要求一定的樣本量，通過γ 通過率的均值和標(biāo)準(zhǔn)差計算出95%置信水平下的CL 值，如果CL 值等于或小于本研究結(jié)果，則說明調(diào)強(qiáng)設(shè)備的總體劑量精度是穩(wěn)定和可靠的，反之則應(yīng)當(dāng)對設(shè)備的每一步調(diào)試工作進(jìn)行檢查，而物理師在這個環(huán)節(jié)中起到了至關(guān)重要的作用。放療計劃與實(shí)際測量之間的計量偏差往往由多種因素共同作用，但主要是治療計劃系統(tǒng)（主要因素，貢獻(xiàn)將近50%）、治療設(shè)備和測量過程3個誤差來源[13]。其中，對于治療計劃系統(tǒng)，加速器原始數(shù)據(jù)的采集、計算模型的建立、軟件操作等都是影響計劃系統(tǒng)劑量計算精度的主要因素。據(jù)研究報道，基于劑量和距離差異的γ 通過率對于多葉準(zhǔn)直器的穿透因子較敏感，如將計劃系統(tǒng)中10 MV X 線的多葉準(zhǔn)直器的穿透因子從3%改為1.5%，調(diào)強(qiáng)計劃的3%/3 mm 平均γ 通過率將從80%增加至93.3%[7]。可見，計劃系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整可以改善調(diào)強(qiáng)計劃的驗(yàn)證通過率。對于治療設(shè)備，加速器的劑量輸出、射野特性（平坦度、對稱性）、多葉準(zhǔn)直器的到位精度或者定位系統(tǒng)等都有可能產(chǎn)生劑量偏差。而在測量過程中的誤差，主要是由于驗(yàn)證工具的精度或者設(shè)計缺陷、人為的擺位誤差、驗(yàn)證方式的選擇等造成劑量分布的偏差[14]。

總之，放療的計劃和實(shí)施不可能完全一樣，所以臨床中判斷調(diào)強(qiáng)計劃的質(zhì)量是相對困難的，而本研究通過回顧性分析單中心的既往驗(yàn)證病例的γ通過率，比較了不同病種部位、計劃系統(tǒng)和驗(yàn)證工具帶來的γ通過率差異及其相互影響情況，并通過大樣本量給出了調(diào)強(qiáng)放療計劃γ通過率在95%置信水平下的CL值，即從另一個角度回答了“對于調(diào)強(qiáng)放療計劃的γ通過率，需要達(dá)到什么范圍才是可以接受和相信的？”，以期為臨床提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和判斷依據(jù)。