PD與Dolphin驗證系統(tǒng)在乳腺癌調(diào)強放療計劃劑量驗證中的應(yīng)用

李 克 張戰(zhàn)民 邱凌平 闕與清

隨著放療技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展,乳腺癌放療計劃的難度和復(fù)雜性逐步提升,其計劃執(zhí)行過程的可靠性受機架旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性、旋轉(zhuǎn)速度、劑量率穩(wěn)定性、多葉光柵葉片到位的精度等多因素影響[1-3]。為保證放療計劃能夠可靠執(zhí)行,治療前的劑量驗證顯得尤為重要,在放療過程中,對患者接受的實際劑量分布與TPS的計劃劑量間的差異進行實時監(jiān)測并及時修正,從而確?；颊邔嶋H接受的劑量與計劃系統(tǒng)計算的劑量一致[4-5]。近年來,三維劑量驗證方法逐漸應(yīng)用于臨床,其中最新的三維劑量驗證設(shè)備包括 Dolphin-COMPASS(IBA Dosimetry,德國)[6],Delta4 Discover (ScandiDos,瑞典)[7]和ArcCHECK-3DVH(Sun Nuclear Corporation,美國)[8]等。有較多研究已經(jīng)證明了Dolphin-COMPASS 系統(tǒng)測量的準確性[9-10],國內(nèi)也報道了一些 Dolphin-COMPASS 系統(tǒng)用于劑量驗證的工作,但都集中在鼻咽癌和肺癌等部位的三維劑量驗證[11-12],而乳腺癌的三維劑量驗證研究較少。在患者治療之前,結(jié)合放射治療加速器的情況,為臨床醫(yī)生提供患者詳細的二維和三維γ通過率及各個器官可能受照劑量值,通過配套軟件分析實際照射下的計劃靶區(qū)和危及器官的劑量體積直方圖(Dose-volume Histogram,DVH)信息和γ值,驗證直線加速器對放療計劃的執(zhí)行能力,有助于放射治療計劃的安全執(zhí)行,具有重要臨床意義。然而,迄今為止,沒有研究報告Dolphin穿透電離室矩陣和非晶硅射野影像系統(tǒng)PD對乳腺癌患者的計劃進行劑量驗證通過率的對比研究,因此,本研究基于現(xiàn)有的三維驗證設(shè)備Dolphin-Compass驗證系統(tǒng)和VitalBeam加速器自帶的非晶硅射野影像系統(tǒng)PD,對乳腺癌調(diào)強放療計劃進行劑量驗證的通過率進行對比研究,并對驗證結(jié)果進行γ和DVH分析?，F(xiàn)報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取醫(yī)院 2020年5月至2021年12月收治的12例左側(cè)乳腺癌調(diào)強放療的女性患者,所有患者都采用Klarity全碳纖維多功能體位固定板結(jié)合頭頸肩部塑形墊進行固定,靶區(qū)與正常器官均由同一放療醫(yī)師勾畫,使用兩個半弧的VMAT治療計劃,患者的放射治療次數(shù)為25～30次不等,靶區(qū)劑量50～60 Gy。

1.2 設(shè)備與軟件

采用VitalBeam型直線加速器(美國Varian公司);治療計劃系統(tǒng)采用的是Eclipse 15.5(美國Varian公司)和Pinnacle 9.10(荷蘭Philips公司);驗證設(shè)備選用加速器自帶的非晶硅射野影像系統(tǒng)PD和第三方劑量驗證設(shè)備Dolphin穿透電離室矩陣加配套的Compass軟件系統(tǒng)(德國IBA公司)。

1.3 劑量驗證方法

PD驗證。先在Eclipse 15.5治療計劃系統(tǒng)上創(chuàng)建PD驗證計劃,再將PD計劃傳輸?shù)郊铀倨?使用加速器自帶的非晶硅射野影像系統(tǒng)PD對驗證計劃進行劑量采集,對驗證計劃與實際測量的吸收劑量進行對比分析,得出整體的γ通過率。

Dolphin驗證。先將包含CT數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)、計劃和劑量的Dicom數(shù)據(jù)包從TPS中導(dǎo)出到Compass驗證系統(tǒng),使用Compass軟件系統(tǒng)自帶的CCC(collapsed cone convolution)算法進行獨立計算,進行TPS計劃的核查;然后將穿透電離室矩陣Dolphin插入直線加速器治療頭并執(zhí)行放射治療計劃,將實測數(shù)據(jù)回傳到Compass系統(tǒng)進行劑量重建計算,得到驗證計劃在CT圖像上的三維劑量分布,將中心點所在冠狀層面導(dǎo)出后,可獲得Compass系統(tǒng)的二維驗證計劃文件,最后對文件分別進行γ和DVH分析。

評價標準。差異指標包括γ通過率、靶區(qū)和危及器官相關(guān)劑量參數(shù)。二維劑量驗證:采用γ分析方法,分析的標準為閾值水平(TH)取10%時,劑量偏差在2%、3%以內(nèi),位置偏差2 mm、3 mm以內(nèi)的通過率(γ≤1時,該計算點通過;γ>1時,該點不通過)。三維劑量驗證:靶區(qū)參考指標為D1、Dmean和D99,危及器官主要參考指標為D1和Dmean。Compass軟件中的劑量差異值Diff(%)計算公式為:Diff(%)=|(Dcompass-DTPS)/DTPS|×100%。

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理

應(yīng)用SPSS 24.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行分析,兩組間差異選擇t檢驗,3組及以上差異選擇方差分析,計數(shù)資料進行χ2檢驗,P<0.05認為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

基于PD實測的劑量圖與TPS計算劑量圖的對比見圖 1;基于Compass計算的劑量圖與TPS計算劑量圖的對比見圖2;基于Dolphin實測的劑量圖與TPS計算劑量圖的對比見圖3。

圖2 Compass計算的劑量圖與TPS計算劑量圖的對比

2.1 二維γ通過率的比較

12例乳腺癌患者計劃劑量驗證γ通過率的比較結(jié)果如表1所示。采用PD和Dolphin設(shè)備在TH=10%標準下,劑量偏差3%、位置偏差3 mm的γ平均通過率均在95%以上,符合臨床要求,其中PD的γ平均通過率為(99.77±0.25)%,Compass計算的γ平均通過率為(98.02±0.69),Dolphin實測重建的γ平均通過率為(95.08±1.03)%。采用PD和Dolphin設(shè)備在TH=10%標準下,劑量偏差2%、位置偏差2 mm的γ平均通過率在90%以上,也能夠滿足臨床要求,其中PD的γ平均通過率為(98.91±0.45)%,Compass計算的γ平均通過率為(94.38±0.75),Dolphin實測重建的γ平均通過率為(91.45±1.57)%。PD驗證結(jié)果明顯高于Compass計算和Dolphin實測的驗證結(jié)果,通過χ2檢驗對三者的γ通過率進行分析,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

表1 基于PD和Dolphin驗證系統(tǒng)獲得的12例左側(cè)乳腺癌患者計劃的γ通過率/%

圖1 PD實測的劑量圖與TPS計算劑量圖的對比

2.2 三維DVH的比較

基于Dolphin-Compass驗證系統(tǒng)獲得的12例左側(cè)乳腺癌患者計劃靶區(qū)(PTV)的D1、Dmean和D99的相對偏差和危及器官的D1和Dmean的相對偏差如表2所示。CCD為COMPASS獨立計算與TPS計算結(jié)果的差異;CRD為COMPASS 從Dolphin探測器測量中重建結(jié)果與TPS計算結(jié)果的差異; D1為1%結(jié)構(gòu)體積所接受劑量的百分比差異;Dmean為結(jié)構(gòu)平均值(%)所接受劑量的百分比差異;D99為99% 結(jié)構(gòu)體積所接受劑量的百分比差異。PTV對應(yīng)的D1、Dmean和D99采用Compass計算和Dolphin測量重建均存在差異性,差異值范圍在5%以內(nèi),兩組對比均存在統(tǒng)計學(xué)差異(P<0.05)。對于危及器官,本研究只選擇左肺(患側(cè)肺)和心臟做了D1和Dmean的比較,結(jié)果顯示,只有心臟的Dmean差異較大,存在統(tǒng)計學(xué)差異(P<0.05),其余均無統(tǒng)計學(xué)差異,見表2。

表2 基于三維劑量重建的PTV和OAR劑量體積直方圖偏差

3 討論

本研究選用非晶硅射野影像系統(tǒng)PD 和Dolphin穿透電離室矩陣兩種驗證系統(tǒng)對左側(cè)乳腺癌調(diào)強放療計劃的驗證進行了研究。兩種驗證設(shè)備各有優(yōu)勢,PD作為加速器自帶的非晶硅射野影像系統(tǒng),驗證時不需要將照射野角度歸零,不用考慮擺位誤差和電離室角度等問題,且具有極高的靈敏度和分辨率、重復(fù)性好、成像速度快、具有更高的工作效率、可用于實時監(jiān)測等優(yōu)點,現(xiàn)已經(jīng)廣泛地用于調(diào)強計劃的劑量驗證[13]。Dolphin穿透電離室矩陣是一個帶有1513個平面平行電離室的二維陣列,擁有40 cm×40 cm的全射野輸出測量范圍[14],測量時直接懸掛在加速器的機頭,不需要將計劃移植到模體重新進行計算,只需在機架和小機頭均處于0°狀態(tài)時打開電源即可連接軟件的測量系統(tǒng)。這兩種驗證系統(tǒng)都省去了傳統(tǒng)劑量驗證系統(tǒng)對模體進行擺位和連接各種線攬的煩瑣過程,極大地提高了物理師的工作效率,避免了模體擺位可能產(chǎn)生的誤差,具有更高的工作效率。傳統(tǒng)的二維劑量驗證采用的伽馬分析盡管提供了關(guān)于直線加速器是否按計劃運行的有價值的理解,但單純γ通過率與ROI絕對百分劑量差異之間僅存在弱相關(guān)性,即便獲得的γ通過率較高,在某些較為敏感的解剖結(jié)構(gòu)處仍可能出現(xiàn)較大的 劑量偏差。為了克服這些限制,除了伽馬通過率外,還需要在QA程序中加入劑量體積直方圖(DVH)信息,以提供全面的患者特異性預(yù)處理QA,這將提供洞察實測重建劑量和TPS計劃劑量之間觀察到的差異與目標和周圍正常結(jié)構(gòu)的相關(guān)性[15-16]。

本研究在二維γ通過率的研究中,盡管PD驗證結(jié)果高于Compass計算和Dolphin實測的驗證結(jié)果,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),但是它們在3%/3 mm的γ平均通過率≥95%,在2%/2 mm的γ平均通過率≥90%,均都能滿足VMAT臨床計劃驗證的需求,且在X和Y方向的Profile表現(xiàn)出了比較高的一致性。因此只能認為相對Dolphin來說,PD具有更高的分辨率和測量精度。但是PD是單一平面的劑量驗證,無法判斷患者計劃整體是否與機器照射得到的測量劑量相一致,而且沒有具體的解剖信息,不能清晰看到偏差出現(xiàn)的位置,對臨床的指導(dǎo)意義有限。Dolphin-Compass三維驗證系統(tǒng)可以彌補傳統(tǒng)的二維劑量驗證的不足,并能給出與患者解剖結(jié)構(gòu)相關(guān)的體積劑量誤差、γ通過率、誤差的位置等信息,有利于臨床的評估。

本研究基于Dolphin-Compass的三維劑量驗證對乳腺癌進行治療前的獨立三維劑量驗證工作,將獨立三維劑量計算和三維劑量重建的劑量分布進行了比較,結(jié)果顯示所有結(jié)構(gòu)的γ通過率在2 mm/2%標準中大于90%,而在3 mm/3%標準中則大于95%。由Compass獨立三維劑量計算和Dolphin三維劑量重建獲得的PTV對應(yīng)的D1、Dmean和D99均存在差異性,差異值范圍在5%以內(nèi),這可能是因為相對于Compass獨立三維劑量計算,影響Dolphin三維劑量重建結(jié)果穩(wěn)定性的因素更多,如穿透電離室矩陣的平均受照體積、幾何分辨率和自衰減等不確定性的影響,此外,由于Dolphin穿透電離室矩陣安裝在直線加速器的機頭,因此無法檢測它與機架、準直器和工作臺旋轉(zhuǎn)相關(guān)的誤差。對于擇左肺(患側(cè)肺)和心臟的D1和Dmean的比較,只有心臟的Dmean差異較大,存在統(tǒng)計學(xué)差異,可能是因為相對于患側(cè)肺,心臟受到的平均劑量很小,另外研究中發(fā)現(xiàn)絕大部分患者的心臟差異值較大的點處于探測器邊緣,這與吳仕章等發(fā)現(xiàn)劑量差異與劑量采集最大面積具有相關(guān)性的結(jié)論一致[17]。

綜上所述,借助PD可初步比較TPS計算和測量劑量的分布差異,而Dolphin-Compass驗證系統(tǒng)可進一步提供病人靶區(qū)和危及器官詳細的劑量參數(shù)信息,有助于病人治療計劃的安全實施和放療醫(yī)生的臨床決策。