利用膠片劑量擬合測(cè)量呼吸門(mén)控時(shí)間延遲

陳黎，李光俊，白龍，全紅，柏森

1.四川大學(xué)華西醫(yī)院放射物理技術(shù)中心，四川成都610041；2.武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430072

前言

在放療中，呼吸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的胸腹部腫瘤運(yùn)動(dòng)會(huì)在治療過(guò)程中產(chǎn)生明顯的幾何和劑量學(xué)不確定性［1］。呼吸門(mén)控技術(shù)是呼吸運(yùn)動(dòng)管理的有效方式，但是存在潛在的誤差，其中重要的誤差來(lái)源就是系統(tǒng)時(shí)間延遲［2-4］。呼吸門(mén)控的時(shí)間延遲會(huì)降低治療效率甚至使靶區(qū)劑量偏移，增加危及器官的劑量。目前測(cè)量呼吸門(mén)控時(shí)間延遲的方法多依賴(lài)于移動(dòng)的模體和膠片的使用［5-6］，將膠片顯色部分的實(shí)際長(zhǎng)度與沒(méi)有門(mén)控延遲時(shí)的理論長(zhǎng)度比較，計(jì)算相應(yīng)的時(shí)間延遲,這種方法依賴(lài)于對(duì)膠片變色部分邊緣的識(shí)別。為了增強(qiáng)膠片顯色部分邊緣的對(duì)比度，需要在多個(gè)呼吸周期內(nèi)進(jìn)行門(mén)控治療，但是在每個(gè)呼吸周期內(nèi)門(mén)控信號(hào)進(jìn)入或離開(kāi)門(mén)控窗時(shí)，系統(tǒng)的延遲時(shí)間可能都不相同，會(huì)造成膠片顯色部分邊緣模糊，除此之外，模體移動(dòng)膠片的速度、光束半影等也會(huì)導(dǎo)致邊緣模糊，存在一定的測(cè)量誤差。因此,本研究提出一種基于膠片劑量分析的方法，不依賴(lài)于對(duì)膠片顯色部分邊緣的識(shí)別，可以更準(zhǔn)確地測(cè)量門(mén)控時(shí)間延遲。

1 材料與方法

1.1 儀器和設(shè)備

本研究所用的儀器和設(shè)備是Catalyst 系統(tǒng)與呼吸運(yùn)動(dòng)模體。Catalyst系統(tǒng)是一種基于光學(xué)表面技術(shù)的體外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（圖1a），基于可見(jiàn)光對(duì)體表進(jìn)行3D連續(xù)成像，從而在放療期間進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)［7］，通過(guò)連鎖裝置控制盒（Beam Interlock）與加速器連接用于呼吸門(mén)控或?qū)崟r(shí)追蹤放療。系統(tǒng)在x、y、z 方向的最大掃描范圍分別為800、1 300、700 mm，呼吸信號(hào)的采集頻率優(yōu)于15 Hz，研究表明體表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)患者的呼吸運(yùn)動(dòng)有較高的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)精度［8-9］。QUASAR 呼吸運(yùn)動(dòng)模體［10］可以通過(guò)電腦來(lái)控制位移平臺(tái)在頭腳方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)胸壁平臺(tái)在前后方向模擬胸部呼吸運(yùn)動(dòng)（圖1b）。通過(guò)Catalyst 系統(tǒng)對(duì)胸壁平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)基于振幅的呼吸門(mén)控治療，門(mén)控窗的范圍需要手動(dòng)設(shè)置。在Catalyst 系統(tǒng)窗口中選擇合適的掃描范圍，調(diào)整攝像機(jī)掃描參數(shù)獲得符合臨床要求的圖像，呼吸運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的半徑為10 mm（圖1c），當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入門(mén)控窗時(shí)，觸發(fā)信號(hào)會(huì)自動(dòng)發(fā)送到加速器使其開(kāi)始出束。

圖1 儀器和設(shè)備Fig.1 Instruments and equipments

1.2 門(mén)控延遲時(shí)間的測(cè)試

將EBT3（International Specialty Products,Wayne,NJ,USA）膠片固定在模體的移動(dòng)平臺(tái)上并置于加速器等中心處，膠片前后各加一塊2 cm 厚的等效水材料用于劑量建成和提供背向散射。在Varian Edge 加速器上設(shè)置大小為2 cm×2 cm 的射野，6 MV 能量500 MU，劑量率為600 MU/min，控制模體的移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)膠片做周期為6 s 的勻加速運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終保持射野在膠片上，同時(shí)通過(guò)Catalyst 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)胸壁平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)作為門(mén)控信號(hào)。膠片的運(yùn)動(dòng)與移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)一致，其運(yùn)動(dòng)公式為：

其中，a、b是系數(shù)，T是運(yùn)動(dòng)周期。根據(jù)Catalyst 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的呼吸運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)，擬合的運(yùn)動(dòng)公式為：

其中，Min 和Max 分別是Catalyst 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的呼吸運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)的最大值和最小值。實(shí)驗(yàn)中以運(yùn)動(dòng)幅度的60%設(shè)置門(mén)控窗，設(shè)置門(mén)控窗口的范圍為55.4～60.0 mm，呼吸信號(hào)則在吸氣階段第1.1 s進(jìn)入門(mén)控窗。

圖2為加速器門(mén)控延遲的示意圖，由于時(shí)間延遲的存在，當(dāng)呼吸信號(hào)進(jìn)入（離開(kāi)）門(mén)控窗時(shí)，加速器開(kāi)始（停止）出束的時(shí)間有所延遲。其中，ton和toff分別代表在一個(gè)呼吸周期內(nèi)門(mén)控治療實(shí)際開(kāi)始出束與停止出束的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)模體帶動(dòng)膠片穿過(guò)方形射野，由于膠片的運(yùn)動(dòng)使得在膠片上形成一個(gè)2 cm 寬，長(zhǎng)度大于2 cm 的黑色區(qū)域，比較膠片的實(shí)際劑量曲線(xiàn)與擬合劑量曲線(xiàn)，從而計(jì)算出呼吸門(mén)控的時(shí)間延遲。為減少實(shí)驗(yàn)誤差，重復(fù)測(cè)量10次。

圖2 呼吸門(mén)控時(shí)間延遲Fig.2 Time delay in respiratory gating

1.3 劑量疊加法

膠片照射完成后在黑暗條件下保存24 h，然后按照標(biāo)記射野方向使用膠片掃描儀（Epson 110000 XL）以150dpi 的分辨率掃描并保存圖片。利用FilmQAPro 軟件（ISP Advanced Materials, New Jersey, USA）對(duì)自顯影EBT3 膠片進(jìn)行劑量曲線(xiàn)校準(zhǔn)［11-13］，建立灰度-劑量刻度曲線(xiàn)。將掃描得到的圖片導(dǎo)入軟件中并轉(zhuǎn)化為劑量圖，以20 個(gè)像素的寬度沿膠片運(yùn)動(dòng)的方向從劑量圖中提取劑量曲線(xiàn)，并以表格的形式導(dǎo)入Matlab軟件。

利用Matlab 軟件實(shí)現(xiàn)膠片劑量疊加，其基本原理是采用數(shù)學(xué)方法模擬加速器的脈沖出束過(guò)程，建立以加速器開(kāi)始出束時(shí)間ton與停止出束時(shí)間toff為變量的函數(shù)，對(duì)于指定的ton和toff可以形成特定的理論劑量分布曲線(xiàn)。通過(guò)將不同的ton與toff組合，計(jì)算膠片相應(yīng)的理論劑量曲線(xiàn)并與實(shí)際劑量曲線(xiàn)比較，計(jì)算相應(yīng)的門(mén)控延遲時(shí)間。

圖3展示了劑量擬合的具體方法。首先，通過(guò)非呼吸門(mén)控治療下膠片靜止?fàn)顟B(tài)的劑量曲線(xiàn)f1(x)、門(mén)控治療中呼吸循環(huán)次數(shù)k以及加速器的脈沖時(shí)間間隔Δt得到加速器一次脈沖出束時(shí)形成的脈沖劑量曲線(xiàn)f2(x)，其中：

圖3 膠片劑量擬合原理Fig.3 Film dose fitting principle

然后，根據(jù)膠片運(yùn)動(dòng)的位移公式（1）以及相應(yīng)的脈沖時(shí)間間隔Δt計(jì)算出每次脈沖出束時(shí)膠片的位置：

其中，［(toff-ton)/Δt］表示不大于(toff-ton)/Δt的整數(shù)。

最后，通過(guò)將加速器每次脈沖出束形成的劑量曲線(xiàn)平移相應(yīng)的距離得到劑量曲線(xiàn)在膠片上的位置分布，將相同位置處的劑量進(jìn)行累加，見(jiàn)式（5），得到在一個(gè)呼吸周期內(nèi)形成的累積劑量曲線(xiàn)。

由于膠片做周期運(yùn)動(dòng)，在各呼吸周期內(nèi)，劑量在膠片上的分布相同，將所有呼吸周期形成的劑量曲線(xiàn)疊加可以得到總的劑量曲線(xiàn)。

以加速器的實(shí)際開(kāi)始出束時(shí)間（ton）和停止出束時(shí)間（toff）為變量，以1.1 s 到4.9 s 構(gòu)成ton的變量范圍，以4.9 s 到6.0 s 構(gòu)成toff的變量范圍，以10 ms 為時(shí)間間隔構(gòu)建一系列ton和toff，將不同的ton與toff逐一組合計(jì)算理論劑量曲線(xiàn)，并計(jì)算各像素點(diǎn)劑量與實(shí)際劑量曲線(xiàn)中各像素點(diǎn)劑量的累積劑量誤差，使用最小二乘法尋找與實(shí)際劑量分布最接近的理論劑量曲線(xiàn)。通過(guò)將呼吸信號(hào)進(jìn)入和離開(kāi)門(mén)控窗的時(shí)間與計(jì)算得到的最優(yōu)解相結(jié)合，可以得到相應(yīng)的門(mén)控時(shí)間延遲。

2 結(jié)果

2.1 門(mén)控時(shí)間延遲測(cè)量

表1列出了10 次測(cè)量得到的呼吸門(mén)控延遲時(shí)間，結(jié)果表明門(mén)控治療開(kāi)始時(shí)的延遲時(shí)間遠(yuǎn)大于門(mén)控治療停止時(shí)的延遲時(shí)間，其中門(mén)控治療開(kāi)始時(shí)的延遲時(shí)間約為（252±20）ms，門(mén)控治療停止時(shí)的延遲時(shí)間約為（10±7）ms。

表1 呼吸門(mén)控延遲時(shí)間測(cè)量結(jié)果（ms）Tab.1 Measurement results of delay time in respiratory gating(ms)

圖4列出10 次測(cè)量中擬合的劑量曲線(xiàn)和膠片實(shí)際的劑量曲線(xiàn)，從圖中可以看出擬合得到的劑量曲線(xiàn)與膠片的實(shí)際劑量曲線(xiàn)有較高的一致性，半高寬處擬合誤差不超過(guò)5個(gè)像素，擬合精度較高。

圖4 10次測(cè)量中擬合的劑量曲線(xiàn)與實(shí)際的劑量曲線(xiàn)Fig.4 Fitted dose profiles in 10 measurements and the actual dose profiles

2.2 擬合誤差分析

圖5展示了擬合劑量曲線(xiàn)和膠片實(shí)際劑量曲線(xiàn)的誤差分析結(jié)果，分別展示了各像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的劑量誤差（圖5a）和每次測(cè)量中擬合劑量誤差的誤差棒（圖5b）。通過(guò)將每次測(cè)量得到的實(shí)際劑量曲線(xiàn)與擬合的劑量曲線(xiàn)進(jìn)行比較，結(jié)果表明擬合誤差約為（8.4±6.4）cGy。

圖5 擬合劑量曲線(xiàn)與實(shí)際劑量曲線(xiàn)的擬合誤差Fig.5 Fitting errors of the fitted dose profiles compared with the actual dose profiles

3 討論

研究表明部分腫瘤接受的劑量降低7%～15%時(shí)將顯著降低腫瘤的局部控制率［14］。放療中當(dāng)靶區(qū)在分次內(nèi)的運(yùn)動(dòng)超過(guò)5 mm 時(shí)需要進(jìn)行呼吸管理，目前常用的呼吸運(yùn)動(dòng)管理方式主要包括呼吸門(mén)控技術(shù)、屏氣技術(shù)［15］、強(qiáng)制淺呼吸法、呼吸同步技術(shù)［16］。采用呼吸門(mén)控技術(shù)可以減少靶區(qū)的外擴(kuò)邊界，從而降低正常組織接受的劑量，降低并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)AAPM 報(bào)告，當(dāng)腫瘤運(yùn)動(dòng)的速度為2 cm/s 時(shí)，延遲時(shí)間應(yīng)小于100 ms［17］。采用呼吸門(mén)控技術(shù)時(shí)，呼吸信號(hào)進(jìn)入門(mén)控窗口與呼吸信號(hào)離開(kāi)門(mén)控窗口時(shí)，系統(tǒng)的時(shí)間延遲對(duì)放療的影響不同。呼吸信號(hào)進(jìn)入門(mén)控窗時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間延遲會(huì)降低治療效率，呼吸信號(hào)離開(kāi)門(mén)控窗時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間延遲會(huì)導(dǎo)致部分正常組織接受過(guò)高的劑量或部分靶區(qū)漏照，因此在臨床使用前應(yīng)測(cè)試呼吸門(mén)控治療的延遲時(shí)間［6］。

Smith 等［18］測(cè)試了RPM 系統(tǒng)引導(dǎo)Varian 加速器進(jìn)行基于振幅和相位的呼吸門(mén)控治療時(shí)的時(shí)間延遲，結(jié)果表明呼吸信號(hào)進(jìn)入門(mén)控窗，加速器開(kāi)始出束時(shí)的時(shí)間延遲約為（120±30）ms，呼吸信號(hào)離開(kāi)門(mén)控窗門(mén)，加速器停止出束時(shí)的時(shí)間延遲約為（110±20）ms。RPM 為紅外系統(tǒng)，需要在患者身上放置反射塊，而本研究中采用的Catalyst 為光學(xué)表面系統(tǒng)，不需要反射塊，可以更好地獲得患者的體表圖像。Freislederer等［5］使用Catalyst系統(tǒng)引導(dǎo)醫(yī)科達(dá)加速器進(jìn)行呼吸門(mén)控延遲時(shí)間的測(cè)試，門(mén)控治療開(kāi)始時(shí)的延遲時(shí)間約為（851±100）ms，門(mén)控治療停止時(shí)的時(shí)間延遲約為（215±69）ms，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的差異。很多因素會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的時(shí)間延遲，包括數(shù)據(jù)的采集、處理，設(shè)備之間通訊的延遲以及硬件對(duì)門(mén)控信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間［6］。呼吸門(mén)控的時(shí)間延遲不僅受加速器參數(shù)的影響［19］，而且受門(mén)控設(shè)備的影響，即使對(duì)于相同類(lèi)型的加速器，使用不同的門(mén)控系統(tǒng)得到的門(mén)控延遲時(shí)間也不同。因此，對(duì)于任何一種新的門(mén)控設(shè)備，都應(yīng)當(dāng)測(cè)試其引導(dǎo)加速器進(jìn)行呼吸門(mén)控治療時(shí)的時(shí)間延遲，為臨床使用提供參考。

膠片單曝光測(cè)量法已被廣泛應(yīng)用于門(mén)控延遲時(shí)間的測(cè)量，目前常用的分析方法依賴(lài)于對(duì)膠片變色部分邊緣的識(shí)別，會(huì)影響測(cè)量精度。Chugh 等［6］使用刻度尺測(cè)量膠片顯色部分條紋的長(zhǎng)度，不確定度為±0.5mm，相應(yīng)的延遲時(shí)間的測(cè)量誤差為16～135 ms。Zheng等［20］根據(jù)強(qiáng)度分析來(lái)確定曝光范圍的長(zhǎng)度，測(cè)量的精確度取決于確定曝光帶兩端的局部最大強(qiáng)度的準(zhǔn)確度，通過(guò)使用4 mm 的圓錐，強(qiáng)度差異的5%約對(duì)應(yīng)于不確定度的0.1 mm，對(duì)延遲時(shí)間造成的誤差約為10～30 ms。本研究中采用的劑量疊加法不依賴(lài)于對(duì)膠片變色部分邊緣的識(shí)別，通過(guò)對(duì)膠片劑量曲線(xiàn)的擬合，延遲時(shí)間的精度為1～10 ms，有較高的時(shí)間分辨率，可以精確地測(cè)量門(mén)控延遲時(shí)間。

膠片劑量擬合法是基于加速器狀態(tài)穩(wěn)定，在每個(gè)呼吸周期內(nèi)的延遲時(shí)間相同且每次脈沖出束的劑量分布完全相同的前提來(lái)擬合劑量曲線(xiàn)。但是在實(shí)際的門(mén)控治療中，雖然加速器設(shè)定的劑量率較小，劑量率從零增加至穩(wěn)定劑量率所需的時(shí)間較短［21］，但是仍會(huì)造成擬合劑量曲線(xiàn)與實(shí)際劑量曲線(xiàn)之間的劑量偏差。除此以外，各個(gè)呼吸周期內(nèi)系統(tǒng)延遲時(shí)間并不完全相同，也會(huì)導(dǎo)致擬合劑量曲線(xiàn)與實(shí)際劑量曲線(xiàn)之間的劑量偏差。其次，已有研究表明，不同的呼吸曲線(xiàn)引導(dǎo)加速器進(jìn)行呼吸門(mén)控時(shí)的延遲時(shí)間可能不同［6］，研究中僅采用規(guī)律的呼吸曲線(xiàn)作為門(mén)控信號(hào)來(lái)測(cè)試加速器的時(shí)間延遲有一定的局限性。但是，膠片劑量擬合法同樣可用于測(cè)試不規(guī)則的呼吸曲線(xiàn)引導(dǎo)加速器進(jìn)行呼吸門(mén)控治療時(shí)的時(shí)間延遲，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

劑量疊加法具有較高的測(cè)量精度，可以用來(lái)精確測(cè)定呼吸門(mén)控治療中的時(shí)間延遲，結(jié)果表明加速器開(kāi)始出束時(shí)的門(mén)控延遲時(shí)間明顯大于100 ms，將顯著增加患者的治療時(shí)間。停止出束時(shí)的延遲時(shí)間遠(yuǎn)小于100 ms，符合AAPM 報(bào)告的標(biāo)準(zhǔn)，不會(huì)造成靶區(qū)劑量不足而正常組織接受較高的劑量。