呼吸門控放射治療中時(shí)間延遲的測(cè)量方法

吳泇俁，嵇衛(wèi)星，張建英

復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院 放療科，上海 200030

引言

隨著調(diào)強(qiáng)放射治療、立體定向放射治療等技術(shù)的發(fā)展，放射治療進(jìn)入了“精準(zhǔn)放療”的時(shí)代[1]。精準(zhǔn)放療可使靶區(qū)內(nèi)劑量更高、分布更均勻，以獲得更大的治療增益比[2]。在放射治療過程中，呼吸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的腫瘤位移會(huì)對(duì)實(shí)際治療劑量的分布造成影響；尤其隨著高劑量率照射技術(shù)的廣泛應(yīng)用，呼吸運(yùn)動(dòng)的影響不可忽視[3-6]。研究表明，呼吸運(yùn)動(dòng)曲線的峰-峰值為20～30 mm，胸及腹部放療受呼吸運(yùn)動(dòng)的影響較明顯[7]。根據(jù)AAPM TG-76號(hào)報(bào)告的建議，對(duì)腫瘤運(yùn)動(dòng)幅度較大患者的呼吸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行管理十分必要[8-9]。臨床上常見的有屏氣技術(shù)、呼吸門控技術(shù)、動(dòng)態(tài)腫瘤跟蹤技術(shù)等呼吸運(yùn)動(dòng)管理技術(shù)[10-12]。在呼吸門控放射治療中，患者全程自由呼吸[13]，技術(shù)人員設(shè)置門控窗即每個(gè)呼吸周期中進(jìn)行照射的范圍，在治療中對(duì)患者呼吸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，反復(fù)在門控窗對(duì)應(yīng)的固定時(shí)相或振幅范圍內(nèi)進(jìn)行照射[14-15]。呼吸運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)可使用立體X線成像技術(shù)對(duì)體內(nèi)腫瘤標(biāo)記物進(jìn)行定位追蹤，也可對(duì)體外的標(biāo)記物進(jìn)行定位作為體內(nèi)腫瘤運(yùn)動(dòng)的替代[8,16-20]。

如圖1所示，在呼吸門控放射治療中，獲取呼吸信號(hào)、產(chǎn)生控制信號(hào)、加速器接收且對(duì)控制信號(hào)響應(yīng)并打開/關(guān)閉射束等環(huán)節(jié)均可能存在時(shí)間延遲；各環(huán)節(jié)時(shí)間延遲的總和被稱為呼吸門控系統(tǒng)時(shí)間延遲[21]。若推遲打開射束或提前關(guān)閉射束可能導(dǎo)致治療效率低下，若提前打開射束或推遲關(guān)閉射束則可能導(dǎo)致“靶區(qū)丟失”而增加風(fēng)險(xiǎn)[17]。AAPM TG-142號(hào)報(bào)告建議年檢中應(yīng)對(duì)呼吸門控系統(tǒng)的時(shí)間延遲進(jìn)行檢測(cè)，為保證空間位置的不確定性在±2 mm內(nèi)，所以在腫瘤以不大于20 mm/s的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)間延遲應(yīng)不大于100 ms[22]。AAPM TG-198號(hào)報(bào)告對(duì)在加速器上執(zhí)行測(cè)量給出建議，利用運(yùn)動(dòng)模體模擬運(yùn)動(dòng)、通過膠片或電子射野影像裝置（Electronic Portal Imaging Device，EPID）等可測(cè)量時(shí)間延遲[23]。目前，有不少研究對(duì)不同型號(hào)的直線加速器以及呼吸門控系統(tǒng)的時(shí)間延遲進(jìn)行測(cè)量，為能夠選擇一種快速且準(zhǔn)確的測(cè)量方式用于呼吸門控系統(tǒng)的日常質(zhì)控，本文對(duì)文獻(xiàn)中時(shí)間延遲的測(cè)量方法進(jìn)行了整理總結(jié)。

圖1 呼吸門控系統(tǒng)的時(shí)間延遲示意圖

1 常用的測(cè)量方法

放射治療中常見的商用呼吸門控系統(tǒng)有RPM系統(tǒng)（Real-Time Position Management，Varian Medical Systems，美國）、Catalyst系統(tǒng)（C-RAD AB，瑞典）、SyncTraX系統(tǒng)（Shimadzu，日本）等，與不同型號(hào)醫(yī)用直線加速器組合用于呼吸門控放療。在對(duì)組合系統(tǒng)的時(shí)間延遲進(jìn)行測(cè)量時(shí)，常用工具有運(yùn)動(dòng)模體和膠片、EPID、電離室、示波器等。

1.1 基于空間位移的測(cè)量方法

Jin等[24]提出通過比較EPID和呼吸運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別記錄的標(biāo)記物運(yùn)動(dòng)曲線在時(shí)間上的差獲得時(shí)間延遲。測(cè)量時(shí)，使用6%的門控窗大小，相較于呼吸運(yùn)動(dòng)的速度認(rèn)為EPID采集的為標(biāo)記物的瞬時(shí)位置。在不同門控水平、相同門控窗大小的條件下，測(cè)量多組標(biāo)記物位置和對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，繪制成時(shí)間-位移圖像，將其與紅外相機(jī)記錄的標(biāo)記物運(yùn)動(dòng)曲線匹配并計(jì)算在時(shí)間軸上的相對(duì)距離可得到系統(tǒng)的時(shí)間延遲。

Woods等[21]的方法也使用EPID記錄運(yùn)動(dòng)標(biāo)記物的位置，但計(jì)算時(shí)間延遲的方法不同，其測(cè)量中，將一個(gè)靜止?fàn)顟B(tài)位于等中心點(diǎn)的標(biāo)記物放置在速度可調(diào)節(jié)的運(yùn)動(dòng)模體上，記錄同一門控水平、不同速度下標(biāo)記物的位置并計(jì)算與等中心位置之間的位移。速度-位移曲線可以用公式(1)表示。

其中，y表示位移，v表示速度，τ則表示時(shí)間延遲，b是修正項(xiàng)。對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，線性方程的斜率即為時(shí)間延遲。這種方法通過多次測(cè)量不同運(yùn)動(dòng)速度下的位移進(jìn)行擬合，且每一次改變速度時(shí)保持門控窗和門控水平相同，能夠提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

Smith等[25]提出了一種測(cè)量呼吸運(yùn)動(dòng)周期的不同階段膠片曝光長度并與理論運(yùn)動(dòng)位移對(duì)比計(jì)算時(shí)間延遲的方法。如圖2所示，將運(yùn)動(dòng)周期分為4個(gè)部分，即AB、BC、CD、DE。利用呼吸門控使膠片在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的4個(gè)部分分別曝光。膠片上每一段曝光部分的長度理論上應(yīng)為運(yùn)動(dòng)振幅的一半，因存在時(shí)間延遲，實(shí)際長度或短或長。在已知運(yùn)動(dòng)模體的速度時(shí)，通過長度的差值即能夠計(jì)算時(shí)間延遲。認(rèn)為A、C和E為較穩(wěn)定的點(diǎn)，不會(huì)隨著時(shí)間延遲的變化而移動(dòng)，而B點(diǎn)和D點(diǎn)為能夠觀測(cè)到時(shí)間延遲的點(diǎn)，因此由AB段和DE段膠片曝光部分長度與理想長度差異計(jì)算出的是關(guān)閉射束時(shí)的時(shí)間延遲，而BC段和CD段對(duì)應(yīng)的是打開射束時(shí)的時(shí)間延遲。

圖2 呼吸運(yùn)動(dòng)曲線的分段示意圖

Chugh等[26]也使用了相同的方法，在測(cè)量中對(duì)運(yùn)動(dòng)周期中的AB段、BC段分別進(jìn)行了曝光以測(cè)量關(guān)閉射束和打開射束的時(shí)間延遲。Freislederer等[27]也使用類似的方法在50 %門控水平下測(cè)量了系統(tǒng)的時(shí)間延遲。

Chang等[28]提出了一種使用膠片進(jìn)行單次曝光即可測(cè)量呼吸門控時(shí)間延遲的方法。原理如下：運(yùn)動(dòng)模體以周期為T的正弦函數(shù)運(yùn)動(dòng)，呼吸門控設(shè)置有固定門控窗，表示為θ1和θ2，其對(duì)應(yīng)的距離L0為理論膠片曝光部分的長度；因時(shí)間延遲導(dǎo)致的相對(duì)門控窗的偏移可以分別用角度α和β表示，實(shí)際開、關(guān)射束位置對(duì)應(yīng)的距離為膠片曝光部分的長度Lm。正弦函數(shù)在固定周期內(nèi)有恒定的角速度，則膠片理論曝光長度（L0）與實(shí)際長度（Lm）之間的關(guān)系與開、關(guān)射束的時(shí)間延遲Tbeam-on、Tbeam-off可表示為式(2)～(4)。

測(cè)量距離時(shí)，以膠片曝光部分兩端局部最大強(qiáng)度一半處的兩點(diǎn)之間的距離作為Lm，根據(jù)公式(2)～(4)計(jì)算時(shí)間延遲。使用單次曝光的方法獲得呼吸門控的時(shí)間延遲，需假設(shè)Tbeam-on和Tbeam-off的值相同（即α=β）；若Tbeam-on和Tbeam-off不相同，可以設(shè)置不同的門控窗進(jìn)行2次或以上的曝光以獲得α和β的值，使用最小二乘法計(jì)算時(shí)間延遲。

一般情況下，醫(yī)用直線加速器射束打開的時(shí)間延遲大于射束關(guān)閉的時(shí)間延遲[29]。除前兩種方法外，以上其余方法均能夠分別測(cè)量射束打開、關(guān)閉時(shí)的延遲；這些方法需測(cè)量膠片曝光部分的長度，所以對(duì)膠片曝光部分邊緣的清晰度有較高的要求[30]。部分方法在測(cè)量時(shí)需要使用錐筒保證曝光部分為細(xì)長條，錐筒在使用時(shí)會(huì)存在半影，當(dāng)與空間測(cè)量中一定的不確定性對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度變化能夠被檢測(cè)到時(shí)，測(cè)量方法才可行[28]。除半影外，模體運(yùn)動(dòng)的速度等因素也可能導(dǎo)致曝光部分邊緣模糊而引起測(cè)量誤差。

1.2 基于劑量擬合的測(cè)量方法

Chen等[31]提出一種劑量卷積擬合法測(cè)量時(shí)間延遲的方法，利用最小二乘法評(píng)估理論計(jì)算的劑量曲線與實(shí)際膠片測(cè)量的劑量曲線的差異，并且尋找最優(yōu)解以獲取呼吸門控的時(shí)間延遲。實(shí)際測(cè)量時(shí)，在運(yùn)動(dòng)模體上放置膠片，采用方形射野在對(duì)應(yīng)門控窗內(nèi)對(duì)膠片進(jìn)行曝光，使用膠片分析軟件讀取得到實(shí)際劑量曲線。理論計(jì)算模擬了實(shí)際射束使膠片曝光的過程，用公式(5)表示模體的運(yùn)動(dòng)曲線。

其中，a為運(yùn)動(dòng)曲線最大值和最小值之間的差值，T為運(yùn)動(dòng)周期的一半，b為運(yùn)動(dòng)曲線的最大值。依據(jù)測(cè)量得到的靜止?fàn)顟B(tài)下的劑量曲線、呼吸周期的數(shù)量以及加速器脈沖信號(hào)之間的間隔可以獲得加速器每一個(gè)脈沖的劑量曲線f(x)；根據(jù)運(yùn)動(dòng)曲線和脈沖信號(hào)時(shí)間間隔可以獲得每一脈沖從加速器出射時(shí)所處的位置xn，它可以用公式(6)表示。

其中ton表示射束打開的時(shí)間，toff表示射束關(guān)閉的時(shí)間；結(jié)合xn和狄拉克函數(shù)δ(x)則得到g(x)，見式（7）。

將g(x)與f(x)進(jìn)行卷積運(yùn)算，則可以得到整個(gè)呼吸門控照射的劑量曲線。將射束打開和關(guān)閉的時(shí)間看作變量ton’和toff’，在門控水平對(duì)應(yīng)的時(shí)間范圍內(nèi)以Δt為時(shí)間間隔可以獲得多組ton’和toff’；通過最小二乘法尋找它們的最優(yōu)解就代表了實(shí)際的射束打開和關(guān)閉的時(shí)間，與理論時(shí)間相比就可得到射束打開和關(guān)閉的時(shí)間延遲。

這種基于卷積計(jì)量擬合的方式對(duì)膠片對(duì)比度沒有高要求，不依靠對(duì)膠片曝光部分邊緣的識(shí)別，相較于使用膠片測(cè)量運(yùn)動(dòng)距離的方式，其準(zhǔn)確性更高[31]。

1.3 基于輻照時(shí)間的測(cè)量方法

Cui等[32]通過測(cè)量實(shí)際出束和關(guān)閉射束的時(shí)間來計(jì)算時(shí)間延遲。測(cè)量中，通過IBA MatriXX 平板探測(cè)器對(duì)加速器出束進(jìn)行探測(cè)，測(cè)量有門控和非門控時(shí)開、關(guān)射束之間的照射時(shí)間。測(cè)量完成后，根據(jù)公式(8)～(9)計(jì)算即可得到結(jié)果。

Evans等[33]在對(duì)占空比進(jìn)行測(cè)量時(shí)采用了與Cui等[32]相似的方法。實(shí)際占空比等于實(shí)際門控輻照時(shí)間與非門控輻照時(shí)間的比值，理論占空比等于門控窗對(duì)應(yīng)的輻照時(shí)間與呼吸周期的比值。測(cè)量時(shí)，使用IVC（Single Pulsemeasurement Ionization Chamber）記錄非門控照射時(shí)間和門控照射時(shí)間，進(jìn)一步計(jì)算即可得到呼吸門控的時(shí)間延遲。

Santos等[34]利用相同的原理，使用模體、馬達(dá)、單片機(jī)、光電二極管等制作了一個(gè)運(yùn)動(dòng)模體，并且基于Matlab編寫了分析軟件。通過導(dǎo)入RPM系統(tǒng)的*.VXP文件，計(jì)算測(cè)量的照射時(shí)間與門控窗對(duì)應(yīng)理論值的差值，減去自制模體自身帶來的時(shí)間延遲即可得到呼吸門控的時(shí)間延遲。

上述方法基于對(duì)照射時(shí)間及非照射時(shí)間的監(jiān)測(cè)完成，它們不會(huì)區(qū)分打開或關(guān)閉射束的時(shí)間延遲，但相比于使用膠片、EPID的方法，其便捷性有所提升。

1.4 基于系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)的測(cè)量方法

Saito等[29]通過比較監(jiān)測(cè)電離室信號(hào)與呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的呼吸信號(hào)來獲取時(shí)間延遲。實(shí)際測(cè)量時(shí)，以呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反饋的呼吸信號(hào)作為原始參考信號(hào)。參考信號(hào)、ResponseTM模塊輸出信號(hào)和電離室輸出信號(hào)都是電壓-時(shí)間的函數(shù)，通過多通道示波器即可以觀察和分析得到時(shí)間延遲。Shiinoki等[35]使用類似方法測(cè)量了非均整模式和均整模式下不同射束能量對(duì)應(yīng)的呼吸門控時(shí)間延遲。Ryan等[36]通過示波器記錄比較運(yùn)動(dòng)模體的信號(hào)與加速器金屬靶的電流信號(hào)得到時(shí)間延遲。

從系統(tǒng)內(nèi)直接獲得信號(hào)的方法能夠輕松觀測(cè)到每一階段的時(shí)間延遲，便于記錄和分析，除此之外，其準(zhǔn)確性也更高。

2 結(jié)論

如表1所示，不同的加速器使用相同的呼吸門控系統(tǒng)、相同的加速器使用不同的呼吸門控系統(tǒng)、相同的加速器及呼吸門控系統(tǒng)使用不同的門控水平及門控窗和劑量率模式等情況都會(huì)對(duì)呼吸門控放射治療中時(shí)間延遲造成影響。對(duì)于醫(yī)用直線加速器，加速器開、關(guān)射束的時(shí)間延遲是影響呼吸門控系統(tǒng)精準(zhǔn)性的主要因素[27]。對(duì)放射治療精準(zhǔn)化的要求使得呼吸門控在臨床中的應(yīng)用越來越多。任何門控設(shè)備在臨床使用前或使用中均需測(cè)試其延遲時(shí)間，以評(píng)估其系統(tǒng)是否適合用于門控放療；同時(shí)，對(duì)測(cè)量方法的規(guī)范也是必不可少的。測(cè)量方法的復(fù)雜程度、測(cè)量的精度以及對(duì)工具硬件的要求各不相同，根據(jù)臨床需求選擇適合的測(cè)量方法可以達(dá)到準(zhǔn)確且快速測(cè)量呼吸門控放療時(shí)間延遲的目的。

表1 呼吸門控時(shí)間延遲的測(cè)量結(jié)果