基于EPID宮頸癌IMRT驗(yàn)證的不同Gamma通過(guò)率參數(shù)影響分析

鄭旭亮，邢曉汾，崔桐，張軍，彭金鑫

山西省腫瘤醫(yī)院放療技術(shù)室，山西太原030013

前言

國(guó)內(nèi)放療患者的常規(guī)劑量驗(yàn)證方式是將患者的治療計(jì)劃移植到水模體或組織等效模體,采集數(shù)據(jù)，并與相應(yīng)計(jì)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。臨床上有多種劑量驗(yàn)證方法，如使用指形電離室測(cè)量點(diǎn)劑量，膠片［1-4］、二維電離室矩陣（MatriXX）、二維半導(dǎo)體矩陣（MapCHECK）［5-6］測(cè)量平面劑量，Compass、Delt4、非晶硅電子射野影像系統(tǒng)（Electronic Portal Imaging Device,EPID）［7］測(cè)量三維劑量。近年來(lái)，不管是使用二維電離室矩陣或EPID等驗(yàn)證工具，多采用3%/3 mm標(biāo)準(zhǔn)Gamma 分析評(píng)估放療驗(yàn)證計(jì)劃的通過(guò)率，通過(guò)率滿足計(jì)劃驗(yàn)證要求即可實(shí)行放療［8-9］。經(jīng)過(guò)相關(guān)應(yīng)用測(cè)試，EPID可有效應(yīng)用于臨床劑量驗(yàn)證，具有較好的臨床應(yīng)用價(jià)值［10-11］。本研究使用Varian EPID 作為驗(yàn)證工具，分析Portal Dosimetry（PD）軟件不同參數(shù)下宮頸癌計(jì)劃的EPID Gamma通過(guò)率，為今后的臨床及計(jì)劃驗(yàn)證工作制定相應(yīng)的Gamma通過(guò)率標(biāo)準(zhǔn)與限值。

1 材料與方法

1.1 一般資料

隨機(jī)選取山西省腫瘤醫(yī)院放療技術(shù)室80 例宮頸癌術(shù)后放療患者，中位年齡42歲，病理分期均為中晚期，其中T2期29例、T3期36例、T4期15例。80例患者隨機(jī)平均分到兩臺(tái)同型號(hào)加速器上進(jìn)行治療。

1.2 材料和設(shè)備

CT定位使用荷蘭Philips Brilliance Big Bore；治療計(jì)劃系統(tǒng)為美國(guó)Varian Eclipes 13.5；加速器選用Varian Unique-1、Varian Unique-2，X射線能量6 MV；圖像采集設(shè)備為aS1000型EPID，有效探測(cè)范圍（30×40）cm2，像素768×1 024，像素大小0.39 mm×0.39 mm；分析軟件為Eclipes軟件模塊PD系統(tǒng)。

1.3 CT掃描及IMRT計(jì)劃制訂

患者取仰臥位，腹部熱塑型體模固定，行CT 掃描（層厚3 mm），圖像以DICOM 格式通過(guò)Varian網(wǎng)絡(luò)傳入Eclipse 計(jì)劃系統(tǒng)。由同一主任醫(yī)師勾畫靶區(qū)與危及器官，隨后固定一位資深物理師應(yīng)用各向異性分析算法制訂宮頸癌術(shù)后放療7 野三維適形調(diào)強(qiáng)（Intensity-Modulated Radiotherapy, IMRT）計(jì)劃，角度取0°、52°、104°、156°、208°、256°、308°，放療劑量46 Gy，單次劑量2 Gy，劑量率600 MU/min。

1.4 使用EPID進(jìn)行IMRT驗(yàn)證及圖像采集

使用Eclipse 13.5 計(jì)劃系統(tǒng)創(chuàng)建患者PD 驗(yàn)證計(jì)劃，設(shè)置源到EPID 探測(cè)器距離SID=100 cm、機(jī)架角度（Gan）和準(zhǔn)直器角度同治療計(jì)劃一致。通過(guò)劑量預(yù)測(cè)軟件（Portal Dose Image Prediction,PDIP）獲得預(yù)測(cè)劑量圖像。

執(zhí)行驗(yàn)證計(jì)劃前，對(duì)加速器輸出量進(jìn)行校準(zhǔn)，測(cè)試機(jī)架、多葉準(zhǔn)直器到位精度，EPID位置以及成像精度，保證行本實(shí)驗(yàn)的兩臺(tái)加速器相關(guān)參數(shù)基本一致。在加速器上執(zhí)行PD驗(yàn)證計(jì)劃時(shí)，EPID需伸展到位且射束方向無(wú)遮擋，照射獲得每個(gè)射野驗(yàn)證圖像，數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳到Eclipse PD系統(tǒng)并保存。

1.5 PD驗(yàn)證計(jì)劃的Gamma通過(guò)率

通過(guò)PD 系統(tǒng)，對(duì)比各角度驗(yàn)證圖像與預(yù)測(cè)圖像劑量分布差異，并取所有角度的Gamma 通過(guò)率和的平均值為該驗(yàn)證計(jì)劃的整體Gamma 通過(guò)率，分析驗(yàn)證結(jié)果。參數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)劑量差異、距離符合度）設(shè)置為1%/1 mm、2%/2 mm、3%/3 mm，劑量閾值設(shè)置為10%。 分析條件包括Global Gamma Evaluation（PD_Global）和Local Gamma Evaluation（PD_Local）。PD_Global 和PD_Local 為Varian PD 軟件的相關(guān)選項(xiàng)，通常情況下，較為常用的是PD_Global。Global簡(jiǎn)單表述即為兩點(diǎn)間差值與處方劑量的比值；Local 則為兩點(diǎn)間差值與該點(diǎn)劑量的比值，因此高劑量區(qū)兩點(diǎn)差值越大比值越低，或者劑量越低的區(qū)域比值越低，所以PD_Local 在射線邊緣、低劑量區(qū)、子野銜接處、葉片縫隙等位置有更高的敏感性。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

所采集數(shù)據(jù)利用SPSS19.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。PD驗(yàn)證計(jì)劃各角度Gamma 通過(guò)率比較使用單因素方差分析與配對(duì)t檢驗(yàn)。Unique-1、2各角度Gamma通過(guò)率比較使用多因素方差分析。加速器間整體Gamma通過(guò)率比較使用配對(duì)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 PD驗(yàn)證計(jì)劃的Gamma通過(guò)率

EPID 采集各角度劑量圖像560 例，獲得不同設(shè)置參數(shù)的數(shù)據(jù)3 360 個(gè)。使用PD 軟件分析各角度照射野平面劑量分布時(shí)，選取PD_Global、PD_Local 的Gamma 評(píng)估參數(shù)，分別為PD_Global/PD_Local（3%/3 mm、2%/2 mm、1%/1 mm）。EPID 驗(yàn)證計(jì)劃各角度Gamma通過(guò)率見表1、表2。

表1 Varian Unique-1 EPID驗(yàn)證計(jì)劃各角度Gamma通過(guò)率（%）Tab.1 Gamma passing rate of each gantry angle of Varian Unique-1 EPID verification plan(%)

表2 Varian Unique-2 EPID驗(yàn)證計(jì)劃各角度Gamma通過(guò)率（%）Tab.2 Gamma passing rates of each gantry angle of Varian Unique-2 EPID verification plan(%)

2.2 PD驗(yàn)證計(jì)劃各角度Gamma通過(guò)率的分析

經(jīng)單因素方差分析，比較同一臺(tái)加速器各角度之間Gamma通過(guò)率。選擇PD_Global 3%/3 mm，各角度之間對(duì)比差異不顯著，Unique-1（F=1.214,P=0.300）、Unique-2（F=0.784,P=0.584）；在選擇其他參數(shù)時(shí)，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表3）。

表3 不同參數(shù)設(shè)置下各角度間Gamma通過(guò)率分析Tab.3 Analysis of Gamma passing rates between angles under different parameter settings

經(jīng)配對(duì)t檢驗(yàn)，參數(shù)為PD_Global（2%/2 mm、1%/1 mm）時(shí)比較同一臺(tái)加速器各角度的Gamma 通過(guò)率。當(dāng)Gan=0°時(shí)，Gamma 通過(guò)率最高，與其他角度差異顯著（P＜0.05）；當(dāng)Gan=104°或256°時(shí)，Gamma通過(guò)率較低，且與其他角度差異顯著（P＜0.05），但Gan=104°與Gan=256°相互間差異不顯著（P＞0.05）；當(dāng)Gan=52°、156°、208°、308°時(shí)，它們相互間差異不顯著（P＞0.05）。設(shè)置條件為PD_Local（3%/3 mm、2%/2 mm、1%/1 mm）比較同一臺(tái)加速器各角度：當(dāng)Gan=0°時(shí)Gamma 通過(guò)率低，與其他角度差異顯著（P＜0.05），剩余角度之間差異不顯著（P＞0.05）。Gan=0°時(shí)的驗(yàn)證圖像、PD_Global 3%/3 mm 和PD_Local 3%/3 mm 下的Gamma通過(guò)率圖像示例見圖1、圖2。

圖1 驗(yàn)證圖像及EPID采集圖像Fig.1 Verification image and image obtained by EPID

圖2 PD_Global 3%/3 mm和PD_Local 3%/3 mm下的Gamma通過(guò)率圖像Fig.2 Gamma passing rate images under PD_Global 3%/3 mm and PD_Local 3%/3 mm

將同一參數(shù)下Gamma通過(guò)率數(shù)據(jù)整合，經(jīng)多因素方差分析，兩臺(tái)加速器的Gamma通過(guò)率差異顯著（P＜0.05），任意相同角度之間比較，只有PD_Global 3%/3 mm參數(shù)下Gamma通過(guò)率差異不顯著（P=0.080）（表4）。

表4 相同參數(shù)設(shè)置下同角度Gamma通過(guò)率分析Tab.4 Analysis of Gamma passing rate at the same angle and the same parameter setting

2.3 兩臺(tái)加速器間PD整體Gamma通過(guò)率的分析

經(jīng)配對(duì)t檢驗(yàn)，PD 驗(yàn)證計(jì)劃設(shè)置條件為PD_Global 1%/1 mm、PD_Local 1%/1 mm時(shí)，Unique-2的Gamma 通過(guò)率高于Unique-1（P＜0.05），差異顯著具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表5）。

表5 兩臺(tái)加速器間整體Gamma通過(guò)率的分析Tab.5 Analysis of the overall Gamma passing rates between two accelerators

3 討論

IMRT 技術(shù)使靶區(qū)得到較高、較均勻的輻射劑量，并使周圍正常組織和器官避免受到不必要的照射，IMRT 實(shí)施劑量準(zhǔn)確與否關(guān)系到治療的最終效果，為保證治療的安全可靠，必須進(jìn)行準(zhǔn)確的劑量學(xué)驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)外對(duì)劑量驗(yàn)證方法已經(jīng)有許多研究，二維電離室矩陣與EPID應(yīng)用較為廣泛［12-14］。

EPID能夠檢測(cè)大多數(shù)多葉準(zhǔn)直器和較大的準(zhǔn)直器誤差，并且對(duì)誤差的敏感度取決于Gamma容差限值［15］。本研究表明使用EPID驗(yàn)證，選擇PD_Global 3%/3 mm參數(shù)Gamma 通過(guò)率最高，Unique-1、2 分別為96.91%±2.27%、98.62%±1.29%。多個(gè)實(shí)驗(yàn)表明EPID于各角度的Gamma通過(guò)率測(cè)量都可以達(dá)到平均95%以上或者更高［16-18］。在講究效率的常規(guī)驗(yàn)證工作中，PD_Global 3%/3 mm條件下測(cè)得數(shù)據(jù)已經(jīng)能夠滿足要求，繼而快速執(zhí)行放療。但是通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，PD_Global 3%/3 mm參數(shù)下各角度之間Gamma通過(guò)率沒(méi)有顯著差異。而參數(shù)設(shè)置為PD_Global（1%/1 mm、2%/2 mm）時(shí)，其中Gan=0°的Gamma 通過(guò)率最高，Gan=104°、256°時(shí)Gamma通過(guò)率相對(duì)較低。重力對(duì)多葉準(zhǔn)直器到位精度確有影響［19-20］，但是否體現(xiàn)在相對(duì)嚴(yán)格的Gamma通過(guò)率中還需進(jìn)一步檢驗(yàn)，能否通過(guò)調(diào)整小機(jī)頭角度使得多葉準(zhǔn)直器運(yùn)動(dòng)方向和機(jī)架角度垂直以此提高Gamma通過(guò)率是我們下一步工作的方向?？紤]到驗(yàn)證有兩方面需求，一是保證患者治療精確可靠，二是發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證工作中的問(wèn)題，改進(jìn)方法。綜合上述兩種情況，筆者認(rèn)為引進(jìn)更嚴(yán)格的參數(shù)，建立更適合的限值條件，是下一步驗(yàn)證工作的重點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置為PD_Global/PD_Local（1%/1 mm、2%/2 mm）時(shí)，Unique-1、2相同角度之間的Gamma通過(guò)率有差異；參數(shù)為PD_Global/PD_Local 1%/1 mm時(shí)，Unique-2的Gamma通過(guò)率高于Unique-1且具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，在前期對(duì)加速器、EPID進(jìn)行相關(guān)質(zhì)控以及調(diào)試使得兩臺(tái)加速器相關(guān)參數(shù)指標(biāo)良好的前提下，Unique-2的狀態(tài)穩(wěn)定性更加優(yōu)秀。加速器的性能狀態(tài)在倡導(dǎo)精確放療的背景下是不容忽視的，相同計(jì)劃在一臺(tái)性能相對(duì)較差的設(shè)備上對(duì)患者實(shí)施治療所產(chǎn)生的長(zhǎng)遠(yuǎn)影響是不能完全評(píng)估的，需要更加嚴(yán)格地進(jìn)行設(shè)備的質(zhì)控。

從臨床角度來(lái)看，PD_Global/PD_Local Gamma Evaluation的區(qū)別在于關(guān)注的區(qū)域不同，PD_Global更關(guān)心高劑量區(qū)，PD_Local則把關(guān)注點(diǎn)放在了低劑量區(qū)。本研究選取宮頸癌7野均分計(jì)劃，在Gan=0°劑量平面內(nèi)的低劑量區(qū)域更多，Gamma 通過(guò)率最差。因此PD_Local的Gamma通過(guò)率取決于射野內(nèi)低劑量區(qū)域的面積，并且PD_Local較PD_Global更加嚴(yán)格，Gamma通過(guò)率在同一參數(shù)條件下低很多。在臨床實(shí)踐中，醫(yī)師可能會(huì)更關(guān)注高劑量區(qū)域或者50%最大點(diǎn)劑量范圍內(nèi)的誤差，往往忽略低劑量區(qū)。在本研究病例中，低劑量區(qū)域通常包括小腸、膀胱等正常組織，當(dāng)需要評(píng)估該區(qū)域是否具有臨床意義時(shí)，應(yīng)考慮將PD_Local Gamma Ecaluation納入驗(yàn)證流程。在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尿?yàn)證工作中，需要將射野范圍內(nèi)的所有區(qū)域都進(jìn)行相關(guān)評(píng)價(jià)，并且通過(guò)大量數(shù)據(jù)累積得出可靠的PD_LocalGamma通過(guò)率限值。

綜上所述，在EPID應(yīng)用越來(lái)越廣泛的同時(shí)，需要增加對(duì)射野影像裝置、機(jī)架角位移、多葉準(zhǔn)直器到位精度等設(shè)備參數(shù)的檢測(cè)頻率，并且通過(guò)大量數(shù)據(jù)的累積與臨床相結(jié)合，針對(duì)不同部位的腫瘤加入相關(guān)的分析條件，制定更嚴(yán)格的Gamma通過(guò)率標(biāo)準(zhǔn)與限值，促使放療更加精確。