Machine Performance Check束流均勻性改變對Portal Dosimetry計(jì)劃劑量驗(yàn)證的影響

姚凱寧，王若曦，吳昊，弓健，劉卓倫，張健，馮仲蘇，杜乙

北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院暨北京市腫瘤防治研究所放療科/惡性腫瘤發(fā)病機(jī)制及轉(zhuǎn)化研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100142

前言

隨著調(diào)強(qiáng)技術(shù)以及多葉光柵（Multileaf Collimator,MLC）等先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用，放射治療的精準(zhǔn)性不斷提高，但同時(shí)治療計(jì)劃的復(fù)雜性也隨之增加，因此治療計(jì)劃的劑量驗(yàn)證尤為重要［1-2］。已有文獻(xiàn)證明電離室、膠片、電離室/半導(dǎo)體矩陣等工具可用于計(jì)劃劑量驗(yàn)證［3-6］，但是存在測量效率低，受患者數(shù)量限制的問題，而Portal Dosimetry（PD）劑量驗(yàn)證方式由于其準(zhǔn)確性高、操作方便等特點(diǎn)，目前在臨床中的應(yīng)用較為廣泛［7-9］。PD 計(jì)劃劑量驗(yàn)證依賴于加速器機(jī)載電子影像系統(tǒng)（Electronic Portal Imaging Device,EPID）。

同樣以EPID作為探測器監(jiān)測加速器性能的還有MPC（Machine Performance Check）系統(tǒng)［10-11］。MPC是瓦里安TrueBeam 系列加速器內(nèi)置的參數(shù)檢測程序，可利用EPID 質(zhì)控加速器的劑量輸出一致性（Beam Output Change）和束流均勻性（Beam Uniformity Change）［12］。束流均勻性可以提示探測器、濾波系統(tǒng)（Filter System）和束流偏轉(zhuǎn)的改變。統(tǒng)計(jì)本中心的MPC 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，加速器出現(xiàn)了MPC 束流均勻性偏差異常增大的現(xiàn)象，分析原因大致有兩種：一是束流改變（包括絕對劑量、束流對稱性和測量深度改變）；二是設(shè)備老化（即EPID 探測器間一致性變差）。我們通過利用三維水箱測量加速器束流，排除了束流改變的可能，說明引起MPC 束流均勻性變化的原因是設(shè)備老化。

由上述可知：PD 計(jì)劃驗(yàn)證和MPC 均以EPID 作為探測器，并且MPC 束流均勻性改變提示探測器間的一致性變差。本研究以PD 驗(yàn)證計(jì)劃的結(jié)果為指標(biāo)，探究MPC 束流均勻性變化對PD 計(jì)劃驗(yàn)證的影響，為臨床MPC均勻性的閾值設(shè)定和EPID 的校準(zhǔn)頻率提供參考，充分發(fā)揮MPC 的監(jiān)測作用，保證PD 計(jì)劃劑量驗(yàn)證的準(zhǔn)確性。本研究還將列出本中心EDGE 加速器一年間MPC 束流均勻性的結(jié)果作為參考。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備選擇

MPC 是瓦里安TrueBeam 系列加速器獨(dú)有的，本研究選擇EDGE 加速器作為數(shù)據(jù)采集的機(jī)器，該加速器配置的EPID 型號為aSi1200，影像板尺寸為43 cm×43 cm，像素?cái)?shù)量為1 280×1 280，分辨率可達(dá)到0.34 mm，允許最大劑量率為2 400 MU/min，因此支持非均整（Flattening Filter Free, FFF）束流的測量和計(jì)劃驗(yàn)證［13］。MPC 束流均勻性的計(jì)算公式如下［14］：

其中，x和y代表加速器的鉛門位置，X和Y代表鉛門大?。榱藴p少鎢門位置的影響，MPC 僅測量射野13.3 cm×13.3 cm 的區(qū)域）。束流均勻性代表射野中間80%區(qū)域內(nèi)輸出劑量的最大差值，是與基線對比的相對值，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)閾值設(shè)置為2%［15］。

1.2 EPID校準(zhǔn)

EPID 的校準(zhǔn)包含暗野（Dark Field）校準(zhǔn)、泛野（Flood Field）校準(zhǔn)以及絕對劑量校準(zhǔn)［16］。校準(zhǔn)時(shí)首先進(jìn)行暗野校準(zhǔn)，旨在消除暗電流對探測器電路的影響，對于所有能量，暗野校準(zhǔn)是統(tǒng)一的。泛野校準(zhǔn)在暗野校準(zhǔn)后進(jìn)行，利用暗野校準(zhǔn)的結(jié)果，多次出束采集探測器的結(jié)果同時(shí)得到一條校準(zhǔn)曲線，根據(jù)壞點(diǎn)個(gè)數(shù)決定是否接受該曲線，目的是調(diào)整探測器的響應(yīng)一致，不同能量需要分開校準(zhǔn)。絕對劑量校準(zhǔn)在前兩個(gè)校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，主要是將EPID 的劑量（Calibration Unit, CU）與加速器的劑量（Monitor Unit,MU）對應(yīng)起來，TrueBeam加速器是1 CU=100 MU的對應(yīng)關(guān)系，不同能量需要分開校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后EPID采集圖像的計(jì)算公式如下［17］：

其中，I(a,b)為EPID 采集的二維圖像，Iraw(a,b)為EPID 采集的原始圖像，DF(a,b) 為暗野圖像，F(xiàn)F(a,b)為泛野圖像，F(xiàn)Fmean為泛野圖像的平均值。

1.3 病例選擇

隨機(jī)選取2020年12月～2021年2月期間在瓦里安EDGE加速器上首次治療的患者26例以及10 cm×10 cm的方野計(jì)劃1例（能量分別為6 MV、10 MV、6 FFF MV、10 FFF MV），所有計(jì)劃均在瓦里安Eclipse15.6 版本上完成，治療部位包括頭部、頸部、胸部和盆部等，計(jì)劃類型均為調(diào)強(qiáng)計(jì)劃（容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)或固定野調(diào)強(qiáng)），射野個(gè)數(shù)為2～4 個(gè)。計(jì)劃設(shè)計(jì)完成并經(jīng)醫(yī)生確認(rèn)后，物理師制定PD驗(yàn)證計(jì)劃。

1.4 試驗(yàn)方法

每個(gè)臨床計(jì)劃治療前需完成計(jì)劃劑量驗(yàn)證，即在無患者的情況下，在EDGE 加速器上執(zhí)行驗(yàn)證計(jì)劃，同時(shí)通過EPID 進(jìn)行全程的劑量測量［18-19］，并在計(jì)劃系統(tǒng)的Portal Dosimetry 模塊中分析實(shí)測圖像與預(yù)測圖像的γ 通過率［20］，γ 分析標(biāo)準(zhǔn)為3 mm/3%和2 mm/2%，劑量閾值為10%。在MPC 均勻性已經(jīng)超出閾值的情況下，本研究中所有患者均執(zhí)行兩次驗(yàn)證計(jì)劃，第一次是在EPID 校準(zhǔn)之前，第二次是在EPID 校準(zhǔn)之后，對比兩次測量的圖像劑量以及γ 通過率。通過分析EPID 校準(zhǔn)前后圖像和γ 分析的差異，探究MPC 的束流均勻性改變對PD 計(jì)劃驗(yàn)證的影響。

1.5 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 25.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，采用相關(guān)樣本非參數(shù)檢驗(yàn)，P<0.05表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。數(shù)據(jù)圖表采用SigmaPlot 10.0 軟件完成。

2 結(jié)果

2.1 本中心MPC束流均勻性結(jié)果

2020年1月～12月EDGE 加速器MPC 均勻性結(jié)果如圖1所示，可以看出束流均勻性有系統(tǒng)性升高現(xiàn)象。但自2020年5月以來，升高趨勢明顯并且速度加快（升高周期約為6～8周），當(dāng)超過設(shè)定閾值2%時(shí)，物理師便在束流無誤的情況下重新設(shè)定MPC基線以保證MPC 可以正常工作。另外從圖1 中還可以看出，F(xiàn)FF 束流均勻性的變化較常規(guī)束流大，這可能與FFF束劑量隨射束角度轉(zhuǎn)向的變化較大有關(guān)［12］。

圖1 2020年1月～12月MPC束流均勻性的變化Figure 1 Changes in MPC beam uniformity from January to December in 2020

2.2 EPID校準(zhǔn)前后圖像劑量對比

2.2.1 方野計(jì)劃的結(jié)果 4 個(gè)方野計(jì)劃能量分別為6 MV、6 FFF MV、10 MV 和10 FFF MV，EPID 圖像校準(zhǔn)前后的劑量見圖2（每個(gè)能量分別包含inplane和crossplan 兩個(gè)方向，比較的均為圖像中心的Profile），可以看出校準(zhǔn)后EPID 測量的劑量在影像板中心附近高于校準(zhǔn)前。定量分析校準(zhǔn)前后的劑量差異（圖3），發(fā)現(xiàn)各能量在影像板中心附近的劑量差異均為1%～2%，說明EPID 校準(zhǔn)對其劑量測量有一定的影響。

圖2 EPID校準(zhǔn)前后方野計(jì)劃的結(jié)果Figure 2 Comparison of square field plans before and after EPID calibration

圖3 EPID校準(zhǔn)前后方野計(jì)劃劑量差異Figure 3 Dose differences of square field plans before and after EPID calibration

2.2.2 臨床計(jì)劃的結(jié)果 26例臨床病例的分析結(jié)果和方野較為一致，此處僅展示1 個(gè)病例的結(jié)果（圖4）。該病例所選用能量為6 FFF MV，3 個(gè)射野在影像板中心處的測量結(jié)果均勻性：EPID 校準(zhǔn)后影像板中線附近的測量劑量高于校準(zhǔn)前。定量分析結(jié)果如圖5所示，射野1 和2 的劑量差異大于10%，射野3 的劑量差異稍小但也有5%。上述結(jié)果表明EPID 校準(zhǔn)對治療前計(jì)劃劑量驗(yàn)證的結(jié)果影響較大。

圖4 EPID校準(zhǔn)前后單個(gè)臨床計(jì)劃結(jié)果Figure 4 Comparison of one clinical plan before and after EPID calibration

圖5 EPID校準(zhǔn)前后單個(gè)臨床計(jì)劃劑量差異Figure 5 Dose difference of one clinical plan before and after EPID calibration

2.3 臨床計(jì)劃的γ通過率

按每個(gè)臨床病例的射野數(shù)，分別統(tǒng)計(jì)26 例患者的射野1～4，結(jié)果如表1 所示，在3 mm/3%標(biāo)準(zhǔn)下，除射野4外，其余3個(gè)射野EPID校準(zhǔn)后的γ通過率略大于校準(zhǔn)前，且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。在2 mm/2%標(biāo)準(zhǔn)下，射野1、2、3校準(zhǔn)前后差異繼續(xù)增大（P<0.05），射野4 無差異。圖6 為EPID 校準(zhǔn)前后γ 通過率分布圖，以上結(jié)果表明EPID 的校準(zhǔn)對驗(yàn)證計(jì)劃γ 通過率有影響，校準(zhǔn)后的通過率有所提高。

圖6 EPID校準(zhǔn)前后臨床病例的γ通過率分布情況Figure 6 Gamma passing rates in clinical cases before and after EPID calibration

表1 EPID校準(zhǔn)前后臨床驗(yàn)證計(jì)劃γ通過率（± s,%）Table 1 Gamma passing rates of clinical verification plans before and after EPID calibration(Mean±SD,%)

表1 EPID校準(zhǔn)前后臨床驗(yàn)證計(jì)劃γ通過率（± s,%）Table 1 Gamma passing rates of clinical verification plans before and after EPID calibration(Mean±SD,%)

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3 討論

MPC 作為一種多參數(shù)質(zhì)控軟件，能夠進(jìn)行加速器參數(shù)的監(jiān)測以及性能的反映［21-22］。本中心EDGE加速器的MPC結(jié)果顯示束流均勻性偏差出現(xiàn)異常升高，與系統(tǒng)性偏差（一般在0.5%以內(nèi)）不同的是［12，23］，EDGE 加速器的均勻性偏差幅度更大（>3%），并且超出閾值的速度加快。經(jīng)三維水箱精確測量后證明加速器束流不存在問題，即探測器是造成該現(xiàn)象的原因，主要問題可能是EDGE加速器自裝機(jī)以來大分割治療的患者居多，具有射野面積小，照射劑量大等特點(diǎn)，并且每位患者均利用EPID 做治療前的計(jì)劃驗(yàn)證［24-25］，因此導(dǎo)致設(shè)備老化，EPID 影像板中心處的探測器出現(xiàn)過響應(yīng)現(xiàn)象。由于諸多因素的限制，EPID探測器更換較困難，因此需要根據(jù)均勻性的改變來采集MPC基線，以保證該軟件能夠繼續(xù)監(jiān)測加速器。

本研究還探究了MPC均勻性超閾值警告對PD計(jì)劃劑量驗(yàn)證的意義。統(tǒng)計(jì)EPID校準(zhǔn)前后計(jì)劃驗(yàn)證的圖像劑量和γ通過率，結(jié)果表明對于方野計(jì)劃，EPID校準(zhǔn)前后不同能量的劑量差異為1%～2%；對于臨床射野計(jì)劃，由于MLC的應(yīng)用以及計(jì)劃難度的增大，計(jì)劃的復(fù)雜性提高，使校準(zhǔn)前后的劑量差異最大可以達(dá)到10%。值得注意的是，為了排除影像板邊緣的影響，劑量差異只在影像板中心附近統(tǒng)計(jì)。從射野的角度看，不同評判標(biāo)準(zhǔn)下EPID校準(zhǔn)后的γ通過率大于校準(zhǔn)前，除射野4外，其他射野差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。上述結(jié)果表明EPID探測器間一致性的變化對PD計(jì)劃劑量驗(yàn)證結(jié)果的影響較大，提示MPC均勻性閾值為2%是合理的，能夠?qū)D計(jì)劃劑量驗(yàn)證起到預(yù)警和保護(hù)作用，這也與已有文獻(xiàn)對均勻性閾值的定義一致［14-15］，同時(shí)提示EPID應(yīng)在MPC重新采集基線之前校準(zhǔn)。

4 結(jié)論

筆者發(fā)現(xiàn)本中心EPID 出現(xiàn)設(shè)備老化現(xiàn)象，統(tǒng)計(jì)分析MPC 結(jié)果發(fā)現(xiàn)束流均勻性超出閾值的幅度大、速度快，且在FFF 束流中尤為明顯，經(jīng)驗(yàn)證是由于EPID 探測器間的一致性變差引起的。我們利用PD驗(yàn)證計(jì)劃的圖像劑量和γ 通過率探究MPC 均勻性變化對PD 計(jì)劃驗(yàn)證的影響，結(jié)果表明EPID 探測器的一致性改變對PD 計(jì)劃劑量驗(yàn)證有一定影響，提示臨床MPC均勻性閾值為2%時(shí)能夠?qū)D計(jì)劃劑量驗(yàn)證起到預(yù)警作用，EPID 應(yīng)在MPC 重新采集基線之前校準(zhǔn)，從而保證驗(yàn)證計(jì)劃的質(zhì)量，保證患者放療的安全性。