三種劑量驗證系統(tǒng)在直腸癌容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療計劃中的驗證結(jié)果比較

江柳清（通信作者）

1 福建醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院 （福建福州 350001）；2 福建省腫瘤智能影像與精準(zhǔn)放療重點實驗室 （福建福州 350001）；3 福建省消化、血液系統(tǒng)與乳腺惡性腫瘤放射與治療臨床醫(yī)學(xué)研究中心 （福建福州 350001）

結(jié)直腸癌是我國常見惡性腫瘤，放射治療是治療直腸癌的主要手段。有研究表明，術(shù)前或術(shù)后同步放化療結(jié)合全系膜切除術(shù)是Ⅱ/Ⅲ期直腸癌標(biāo)準(zhǔn)的治療方案[1-3]。容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療（volumetric modulated arc therapy，VMAT）作為新型的直腸癌放射治療技術(shù)，不僅能減少周圍膀胱和小腸等危及器官的劑量，提高靶區(qū)劑量的均勻性和適形性，還能減少治療時間，提高治療效率[4]。由于VMAT 計劃的劑量率、機(jī)架旋轉(zhuǎn)角度和速度及多葉準(zhǔn)直器葉片位置在出束過程中不斷變化，為保證患者劑量投照的準(zhǔn)確性和治療的安全性，必須在放射治療前對治療計劃進(jìn)行劑量驗證[5-6]。

Delta4 三維半導(dǎo)體矩陣作為主流的VMAT 三維劑量驗證系統(tǒng)，具有良好的劑量響應(yīng)、劑量率響應(yīng)和角度響應(yīng)特性[7-8]；但需要將治療計劃移植到模體上進(jìn)行劑量計算和驗證，增加了模體擺位和連接線路的時間，且可能會引入擺位誤差[9]。電子射野影像系統(tǒng)（electronic portal imaging device，EPID）是加速器自帶的位置驗證和劑量驗證系統(tǒng)，具有良好的劑量線性響應(yīng)、測量重復(fù)性和穩(wěn)定性，空間分辨率高，且擺位方便[10-12]。EDose 系統(tǒng)和Portal Dosimetry 系統(tǒng)（PD 系統(tǒng)）是基于EPID 研發(fā)的劑量驗證系統(tǒng)，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于IMRT和VMAT 的劑量驗證中[13-16]。與Delta4 相比，EDose 系統(tǒng)和PD 系統(tǒng)擺位簡單，使用方便，驗證效率高。Delta4、EDose 和PD 三者系統(tǒng)性能和精度的差別可能會影響直腸癌VMAT 的劑量驗證結(jié)果。因此，本研究采用γ 分析方法，比較Delta4、EDose 和PD 3 種劑量驗證系統(tǒng)在直腸VMAT 計劃劑量驗證中的γ 通過率差異，旨在為臨床劑量驗證選擇合適的驗證系統(tǒng)和評價標(biāo)準(zhǔn)提供數(shù)據(jù)支持，現(xiàn)報道如下。

1 材料與方法

1.1 患者資料與治療計劃設(shè)計

回顧性選取2022 年10 月至2023 年2 月在福建醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院接受放射治療的45 例直腸癌患者，其中男31 例，女14 例；年齡32～80 歲，平均（60.00±11.00）歲；計劃靶區(qū)體積490.36～1 361.70 cm3，平均（743.34±170.93）cm3。所有患者的VMAT 治療計劃在Varian Eclipse（V15.6）系統(tǒng)設(shè)計，采用179°～181°順時針和181°～179°逆時針兩個全弧照射；采用6 MV 光子線模式，各向異性解析算法（anisotropic analytical algorithm，AAA），計算網(wǎng)格2.5 mm × 2.5 mm，劑量率600 MU/min。其中23 例患者接受短程放療，計劃靶體積（planning target volume-clinical target volume，PTV-CTV）劑量為2 500 cGy/5 次，22 例患者接受長程放療，計劃大體腫瘤靶體積（planning target volume-gross target volume，PTV-GTV）5 000 cGy/25 次，PTVCTV 劑量為 4 500 cGy/25 次。

1.2 治療設(shè)備與驗證系統(tǒng)

所有病例均在Eclipse 系統(tǒng)上創(chuàng)建驗證計劃，在Varian 公司生產(chǎn)的Trilogy 直線加速器上實施治療和驗證。本研究使用的驗證系統(tǒng)包括Delta4 系統(tǒng)、EDose 系統(tǒng)和PD 系統(tǒng)，具體內(nèi)容如下：

1.2.1 Delta4 系統(tǒng)

該系統(tǒng)是由瑞典ScandiDos 公司開發(fā)的三維劑量驗證系統(tǒng)，由Delta4 模體和劑量分析軟件組成。Delta4 模體由兩個正交的半導(dǎo)體陣列平板嵌在一個直徑22 cm、長40 cm 的圓柱形聚甲基丙烯酸甲酯模體中，該半導(dǎo)體陣列平板面積為20 cm×20 cm，內(nèi)共有1 069 個尺寸為0.78 mm2的p-Si 型半導(dǎo)體探頭。中心6 cm×6 cm 區(qū)域內(nèi)的半導(dǎo)體探頭間距為0.5 cm，其余區(qū)域為1 cm。劑量響應(yīng)最小為1 mGy。

1.2.2 EDose 系統(tǒng)

該系統(tǒng)是由廣州瑞多思公司開發(fā)的用于治療前和在體的劑量驗證系統(tǒng)，由非晶硅aS1000 EPID、EDose 5.0 軟件組成，有效的探測面積40 cm×30 cm，共768×1 024個有效像素點，相鄰像素點間距0.39 mm。

1.2.3 Portal Dosimetry 系統(tǒng)

該系統(tǒng)是Varian Trilogy 直線加速器配備的劑量驗證系統(tǒng)，包括非晶硅aS1000 EPID 探測器和內(nèi)置于Eclipse15.6 系統(tǒng)的PD 軟件模塊，有效的探測面積、像素點及相鄰像素點間距均同EDose 系統(tǒng)，根據(jù)EPID 獲取的圖像采用射野劑量圖像預(yù)測算法（portal dose image prediction，PDIP）計算劑量預(yù)測分布圖。

1.3 劑量驗證方法

1.3.1 Delta4 系統(tǒng)方法

將完成的VMAT 治療計劃移植到Delta4 的CT模體上，由于Delta4 模體是放在治療床板上執(zhí)行驗證，床板會對劑量產(chǎn)生影響，所以為計劃添加虛擬床板。采用AAA 算法進(jìn)行劑量計算，創(chuàng)建驗證計劃。然后將驗證計劃的計劃文件（RT plan）、劑量文件（RT dose）通過網(wǎng)絡(luò)傳輸并導(dǎo)入到Delta4 軟件中。測量前對Delta4 進(jìn)行參考點校準(zhǔn)、絕對劑量校準(zhǔn)、相對劑量校準(zhǔn)和方向性校準(zhǔn)，將Delta4 模體置于加速器治療床上，利用激光燈和十字線進(jìn)行準(zhǔn)確擺位，并連接加速器和Delta4 的信號線及電腦網(wǎng)線。驗證計劃前在加速器上先執(zhí)行射野10 cm×10 cm，機(jī)架角度為0°、90°、180°和270°，每個射野跳數(shù)為100 的盒式計劃，得到每日校準(zhǔn)因子，校正當(dāng)日加速器絕對劑量輸出不穩(wěn)定的誤差，然后再執(zhí)行驗證計劃，測量結(jié)果采用配套的Delta4 劑量分析軟件進(jìn)行分析。

1.3.2 EDose 系統(tǒng)方法

打開EDose 服務(wù)器，在Eclipse 計劃系統(tǒng)中將患者的CT 圖像、結(jié)構(gòu)文件（RT structure），計劃劑量文件（RT dose）、計劃文件（RT plan）傳輸至服務(wù)器上。伸出EPID 至離源距離100 cm 處，測量前對EPID 進(jìn)行暗野、泛野及絕對劑量校準(zhǔn)。打開EDose 軟件執(zhí)行驗證計劃，采集EPID 射野劑量圖像并保存至服務(wù)器上。在Edose 客戶端上打開患者驗證計劃，計算三維劑量，并與計劃系統(tǒng)的劑量進(jìn)行對比分析。

1.3.3 Portal Dosimetry 系統(tǒng)方法

在Eclipse 系統(tǒng)上基于患者的治療計劃創(chuàng)建PD驗證計劃，設(shè)置源至EPID 的距離（source-imager distance，SID）為100 cm，通過PDIP 算法計算劑量預(yù)測分布圖，并在計劃排程中為每個照射野添加Integrated Image。測量前對EPID 進(jìn)行暗野、泛野及絕對劑量校準(zhǔn)，將EPID 置于SID 為100 cm 的位置并實施照射，獲取的劑量驗證圖像自動保存，在TPS 的PD 模塊中合成射野劑量圖像并與Eclipse 計算的射野劑量預(yù)測圖像自動配準(zhǔn)，然后進(jìn)行γ 分析。

1.4 劑量對比分析

采用γ 分析方法比較計劃系統(tǒng)計算的劑量與3 種系統(tǒng)實際測量得到的劑量之間的差別，設(shè)置劑量閾值為10%，選擇絕對劑量模式，采用4 種γ 評價標(biāo)準(zhǔn)（3%/3 mm、3%/2 mm、2%/3 mm、2%/2 mm）進(jìn)行γ 分析。

1.5 統(tǒng)計學(xué)處理

采用SPSS 27.0 統(tǒng)計學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Shapiro-Wilk 檢驗分析各組的γ 通過率是否符合正態(tài)分布。若數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布所以采用中位數(shù)和四分位數(shù)間距M（Q1，Q3）表示。利用Kruskal-Wallis 檢驗比較三種驗證系統(tǒng)在不同評價標(biāo)準(zhǔn)下的γ 通過率，三者γ 通過率比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義時，進(jìn)一步采用兩兩比較的Bonferroni 校正法檢驗兩種系統(tǒng)之間的γ 通過率差異，以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

45 例直腸癌患者的VMAT 計劃采用Delta4、EDose 和PD 系統(tǒng)驗證的γ 通過率結(jié)果如圖1 所示，隨著γ 評價標(biāo)準(zhǔn)逐漸嚴(yán)格，3 種劑量驗證系統(tǒng)的平均γ 通過率逐漸下降，方差逐漸變大。在3%/3 mm、3%/2 mm、2%/3 mm 的評價標(biāo)準(zhǔn)下，3 種驗證設(shè)備的平均γ 通過率均＞95%，均滿足臨床要求，其中在3%/3 mm 的評價標(biāo)準(zhǔn)下，3 種驗證設(shè)備的平均通過率均＞98%。在2%/2 mm 評價標(biāo)準(zhǔn)下，Delta4 系統(tǒng)的平均γ 通過率＞95%，EDose 及PD 系統(tǒng)的平均γ 通過率均＞90%。

圖1 4 種評價標(biāo)準(zhǔn)下Delta4、EDose 和PD 系統(tǒng)的γ 通過率比較

3 種驗證設(shè)備在4 種評價標(biāo)準(zhǔn)下的γ 通過率比較結(jié)果如表1 所示，在3%/3 mm 的評價標(biāo)準(zhǔn)下，Delta4、EDose 及PD 系統(tǒng)的平均通過率分別為99.90%，98.34%和98.60%。在3%/3 mm、3%/2 mm、2%/3 mm、2%/2 mm 的評價標(biāo)準(zhǔn)下，3 種驗證系統(tǒng)的γ 通過率比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。通過進(jìn)一步兩兩比較發(fā)現(xiàn)，Delta4 系統(tǒng)的γ 通過率高于EDose 系統(tǒng)和PD 系統(tǒng)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；EDose 系統(tǒng)和PD 系統(tǒng)的γ 通過率比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

表1 Delta4、EDose 和PD 在不同評價標(biāo)準(zhǔn)下的γ 通過率比較[M（Q1，Q3），%]

3 討論

VMAT 計劃的治療前劑量驗證是放射治療日常質(zhì)控的重要環(huán)節(jié)，主要用于核查計劃系統(tǒng)計算的精確性以及確保計劃實施的準(zhǔn)確性和安全性。本研究劑量驗證是否通過主要采用劑量/距離一致性的γ 分析方法評估。AAPM TG-119 號報告推薦[17]，在評價標(biāo)準(zhǔn)為3%/3 mm，最小劑量閾值為10%的條件下，計劃驗證的γ 通過率＞90%即符合臨床要求，＞95%即為理想的狀態(tài)。而AAPM TG-218 號報告[18]則建議使用3%/2 mm 評價標(biāo)準(zhǔn)，γ 通過率容差限值≥95%，干預(yù)限值≥90%來判定計劃驗證是否通過。本研究采用Delta4、EDose 和PD 3 種劑量驗證系統(tǒng)對同一患者的直腸癌VMAT 計劃進(jìn)行劑量驗證。驗證結(jié)果表明，無論是3%/3 mm，還是3%/2 mm 和2%/3 mm 的評價標(biāo)準(zhǔn)，Delta4、EDose 和PD 3 種驗證系統(tǒng)的平均γ 通過率均＞95%。即使是更嚴(yán)格的2%/2mm 的評價標(biāo)準(zhǔn)，Delta4 系統(tǒng)的平均γ 通過率＞95%，EDose 和PD 系統(tǒng)的平均γ 通過率＞90%，均表明3 種驗證系統(tǒng)在4 種評價標(biāo)準(zhǔn)下的γ 通過率均滿足臨床要求，均可用于VMAT 計劃的劑量驗證。進(jìn)一步兩兩比較3 種驗證系統(tǒng)的γ 通過率發(fā)現(xiàn)，Delta4 系統(tǒng)的γ 通過率高于EDose 系統(tǒng)和PD 系統(tǒng)，EDose 系統(tǒng)的γ 通過率和PD 系統(tǒng)相當(dāng)。本研究以γ 通過率＞95%為判斷標(biāo)準(zhǔn)，Delta4 系統(tǒng)嚴(yán)格的劑量驗證γ 評價標(biāo)準(zhǔn)為2%/2 mm, EDose 和PD 系統(tǒng)嚴(yán)格的劑量驗證γ 評價標(biāo)準(zhǔn)為3%/2 mm 或2%/3 mm。

在γ 評價標(biāo)準(zhǔn)逐漸嚴(yán)格的條件下，3 種驗證系統(tǒng)的γ 通過率逐漸降低，方差逐漸增大，主要是由于系統(tǒng)的敏感性降低導(dǎo)致數(shù)值偏低和數(shù)據(jù)波動變大[18-19]。Delta4 系統(tǒng)的γ 通過率高于EDose 系統(tǒng)和PD 系統(tǒng)，與Huang 等[16]的研究結(jié)果一致。為了保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在測量前對Delta4 進(jìn)行校準(zhǔn)，并考慮到治療床對劑量的影響，將虛擬治療床添加到Delta4 驗證計劃中，并在Delta4 擺位過程中調(diào)節(jié)模體底部到床面的高度與計劃系統(tǒng)中的高度相一致，可能是本研究Delta4 驗證的γ 通過率較高的原因。另外，EPID 和Delta4 測量和擺位的方式不同也是可能的原因之一。EDose 系統(tǒng)和PD 系統(tǒng)驗證是依靠EPID 探測器隨著機(jī)架旋轉(zhuǎn)采集電信號生成EPID 圖像再通過算法轉(zhuǎn)換成劑量分布。因此，EPID 機(jī)械運動的位置誤差會對劑量產(chǎn)生一定的影響[20-23]，而Delta4 模體靜止在治療床上測量，由于其各向同性的特性，可收集任意角度的射線信息。最后EPID 和Delta4 的空間分辨率和靈敏度的差異也是可能的原因之一。影響VMAT 劑量驗證的γ 通過率除了加速器以及計劃系統(tǒng)外，還與驗證系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)和性能有關(guān)，包括能量響應(yīng)、空間采樣點和穩(wěn)定性等[24]。EPID 的有效探測器面積為40 cm×30 cm，像素大小為0.39 mm×0.39 mm；Delta4 的有效探測面積為20 cm×20 cm，半導(dǎo)體尺寸為0.87 mm2，間距為5 mm 和1 cm，對于兩半導(dǎo)體探頭之間的測量點劑量依靠插值計算方式實現(xiàn)。由此可見，EPID 的有效分辨率高于Delta4。本研究中的直腸癌靶區(qū)體積大，EPID 內(nèi)的空間采樣點比Delta4 多，可能較易產(chǎn)生更多不容易通過的點，但驗證結(jié)果相對更加真實準(zhǔn)確。

本研究中EDose 系統(tǒng)和PD 系統(tǒng)的計劃驗證通過率均＞90%,且通過率相近。EDose 系統(tǒng)和PD 系統(tǒng)都是基于EPID 測量的劑量驗證系統(tǒng)，兩者的區(qū)別主要在于算法的不同：PD 系統(tǒng)將EPID 獲取的射野圖像通過PDIP 算法重建二維劑量圖像，并與治療計劃系統(tǒng)預(yù)測劑量圖像進(jìn)行比較；EDose 系統(tǒng)則是將EPID 采集的影像通過反卷積算法得到虛擬圓柱形模體表面的通量，再利用射線追蹤和迭代算法轉(zhuǎn)換為射野通量，然后基于機(jī)器物理模型，利用筒串卷積算法得到三維劑量分布[25-26]，因此，EDose 系統(tǒng)還可以進(jìn)一步分析靶區(qū)和危及器官的劑量與計劃系統(tǒng)的劑量差異。本研究結(jié)果一方面驗證了兩系統(tǒng)建立的物理模型和計算算法的準(zhǔn)確性，另一方面也說明了EDose 和PD 系統(tǒng)在算法和分析過程方面雖然有所不同，但均能很好地應(yīng)用于劑量驗證。

雖然γ 分析是當(dāng)前廣泛使用的劑量驗證評估方法，但是僅通過計劃的γ 通過率比較不足以反映患者體內(nèi)靶區(qū)和危及器官的劑量偏差，未來將考慮基于患者解剖結(jié)構(gòu)的劑量分布、劑量體積直方圖參數(shù)比較不同劑量驗證系統(tǒng)的差異[6，27]。另外，本研究選取的是直腸癌VMAT 計劃，其計劃復(fù)雜度相對于鼻咽癌、乳腺癌等更低，因此下一步考慮納入更多的其他部位的治療計劃進(jìn)行對比分析。

綜上所述，無論是3%/3 mm，還是3%/2 mm 和2%/3 mm 的評價標(biāo)準(zhǔn)，Delta4、EDose 和PD 3 種驗證系統(tǒng)的平均γ 通過率均＞95%。即使在2%/2 mm的評價標(biāo)準(zhǔn)下，3 種劑量驗證設(shè)備的γ 通過率均＞90%，因此Delta4、EDose 和PD 系統(tǒng)均能較好地用于直腸癌患者VMAT 計劃的劑量驗證。在4 種評價標(biāo)準(zhǔn)下（3%/3 mm、3%/2 mm、2%/3 mm、2%/2 mm），Delta4 的驗證γ 通過率優(yōu)于PD 系統(tǒng)和EDose 系統(tǒng)，PD 系統(tǒng)的驗證γ 通過率和EDose 系統(tǒng)相近。由于PD 系統(tǒng)和Edose 系統(tǒng)在保證驗證精度的同時，擺位簡單、使用方便、驗證效率高，在臨床應(yīng)用中可以優(yōu)先考慮，僅對驗證不通過者利用Delta4 復(fù)驗和交叉驗證以確保治療的安全和準(zhǔn)確。Delta4 系統(tǒng)嚴(yán)格的劑量驗證γ 評價標(biāo)準(zhǔn)可以采用2%/2 mm，EDose 和PD 系統(tǒng)嚴(yán)格的劑量驗證γ 評價標(biāo)準(zhǔn)可以采用3%/2 mm 或2%/3 mm。