馬曉春 蔡宏懿 李冬云 郭逸瀟

甘肅省人民醫(yī)院，甘肅 蘭州 730000

容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放療（VMAT）和快速旋轉(zhuǎn)調(diào)強放療（RapidArc）技術(shù)通過變動劑量率、多葉光柵（MLC）葉片的運動、機架速度甚至極小狹長野來優(yōu)化束流強度以更高效滿足臨床靶區(qū)及危及器官的要求，同時有效縮短了整個治療時間［1，2］。此技術(shù)的實現(xiàn)要求更復(fù)雜的治療計劃系統(tǒng)（TPS）算法，其計劃的準(zhǔn)確實施要求機架旋轉(zhuǎn)與劑量率和MLC位置的變化精確同步。因此，為確保治療中處方劑量傳輸?shù)木_保證治療安全，在計劃用于病人治療前需進行3D劑量驗證［3，4］。目前常用的三維驗證系統(tǒng)，如Delta4、Arc Check和COMPASS利用Plan dose perturbation（PDP）法得到修正的3D劑量分布［5-7］，通過用測量值校準(zhǔn)計算值來得到模體內(nèi)的3D劑量分布，而Octavius驗證系統(tǒng)用于三維劑量重建無需TPS的數(shù)據(jù)且消除了角度依賴。本研究采用此系統(tǒng)對我院88例RapidArc計劃進行驗證，通過在不同標(biāo)準(zhǔn)下對測量與計算劑量分布進行比較探討影響3D劑量重建精度和通過率的因素，為RapidArc患者的精準(zhǔn)治療提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 病例選擇 根據(jù)AAPM 119號報告對IMRT測試基準(zhǔn)計劃的選取建議［8］，本研究選取88例不同部位RapidArc計劃，其中24例頭頸部均為鼻咽癌患者，34例胸部均為肺和食管單靶區(qū)，30例盆腔均為多靶區(qū)宮頸癌和直腸癌計劃。所選患者KPS≥70分或ECOG評分為0～1，擬放療部位既往未接受過放療。

1.2 加速器和計劃系統(tǒng) Varian EDGE直線加速器，由60對多葉光柵葉片組成，中心40對葉片寬度為2.5mm，兩端各10對葉片寬度為0.5cm和1cm，葉片最大運動速度為2.5cm/s，6MVX射線，劑量率600MU/min，所有計劃包括兩個或多個非零準(zhǔn)直器角度的圓弧或段弧，同時采用鉛門自動跟隨技術(shù)以更好地減少葉片間的漏射。Eclipse13.6計劃系統(tǒng)，計算網(wǎng)格0.25cm，使用Photon Optimizer優(yōu)化算法（PO-13.6.23），最終劑量計算使用各向異性解析算法（anisotropicanalyticalgorithm，AAA）。

1.3 Octavius驗證系統(tǒng) Octavius驗證系統(tǒng)的基本組成包括：新升級的Octavius 729矩陣、旋轉(zhuǎn)模體、傾角儀、控制單元和Verisoft 7.1劑量分析軟件，729矩陣由729個空氣電離室組成（尺寸：0.5cm×0.5cm×0.5cm），所有電離室等間距排成27cm×27cm矩陣，相鄰兩個電離室中心間距為1cm，模體直徑320mm，長343mm，SSD=84cm，相對電子密度1.016，HU值16，物理密度1.05g/cm3（實際上各個放療中心旋轉(zhuǎn)模體的電子密度是不同的，當(dāng)把CT值設(shè)為16HU時，相應(yīng)的電子密度值和物理密度值存在微小的偏差，我院使用的旋轉(zhuǎn)模體相對電子密度是1.0187，物理密度1.0227g/cm3），分辨率為0.1m Gy，角度范圍±360°，使用絕對劑量測量模式。探測器矩陣通過傾角儀隨加速器機架的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，并始終保持與射線束垂直來進行測量，如圖1所示，為得到最精確的劑量數(shù)據(jù)和劑量與機架角度數(shù)值之間最佳的相關(guān)性，測量過程中Verisoft軟件每隔200ms會進行測量數(shù)據(jù)整合。對于一個兩分鐘的RapidArc計劃，Octavius直接測量超過400 000個劑量點，這些點分布在整個圓柱形模體內(nèi)。

圖1 729矩陣插入圓柱形模體隨機架同步旋轉(zhuǎn)

1.4 Octavius系統(tǒng)3D劑量重建方法 Octavius算法基于模體內(nèi)某個特定深度的測量劑量和PDD曲線，沿著連接探測器和射束中心的射線重建劑量。SSD=85cm處 4cm×4cm，10cm×10cm 和 26cm×26cm 大小射野的PDD是必要的，其他射野的PDD用于提升重建算法的精度。無需使用TPS的劑量信息，3D劑量重建算法如下［10］：利用水與模體材料電子密度之間的關(guān)系，將水中測量的PDD轉(zhuǎn)換為模體內(nèi)的PDD。在當(dāng)前的機架角度（時間）考慮探測器面板上的一個探測器（當(dāng)前探測器），測量這個位置的劑量DDet（以Gy為單位）。通過當(dāng)前探測器創(chuàng)建一條到射束中心的射線并確定來自輻射探測器的當(dāng)前射野大小。依據(jù)文獻在FF射束模式［11］或FFF射束模式下［12］對非中心軸TPRs應(yīng)用校正。在模體內(nèi)，使用適合當(dāng)前射野大小的PDD，根據(jù)方程（1）重建沿著射線到當(dāng)前探測器r距離處以Gy為單位的劑量值D（r），并對所有機架角度和探測器依照此方法重建劑量值，然后通過線性插值將得到的劑量值整合成2.5mm分辨率大小的3D劑量值。對于Octavius 729探測板，從模體的外殼移除3cm厚的一層得到直徑和長度均為26cm的圓柱體內(nèi)的劑量柵格（此區(qū)域不存在探測器）。

沿著射線的劑量D（r）由測量的當(dāng)前探測器劑量DDet（0）得到，關(guān)系如下：

這里PDD（r）和PDD（0）分別是距離當(dāng)前探測器r和當(dāng)前探測器位置處的百分深度劑量值，散射輻射由當(dāng)前探測器周圍的探測器造成，對于RapidArc計劃，將近110萬個劑量點通過這種方式重建，重建約需25秒。

1.5 電離室矩陣的校準(zhǔn) 與標(biāo)準(zhǔn)劑量比較的劑量校準(zhǔn)測量應(yīng)在每次測量前進行，以便將探測器響應(yīng)和加速器輸出的變化因素并入劑量測量中。729電離室矩陣有兩種校準(zhǔn)方式［13］：一是依據(jù)出廠時提供的校準(zhǔn)因子Kuser和國際原子能組織（IAEA）第398號報告中的方法進行中心電離室的相互校準(zhǔn)來測量插入了電離室面板的模體內(nèi)的劑量；二是通過使用由TPS提供的期望值和因子Kcross（TPS計算值與矩陣面板中心電離室測量值的比值）對中心電離室進行交叉校準(zhǔn)（cross calibration）。由上述兩種方法之一得到的校準(zhǔn)因子將被應(yīng)用到整個探測器矩陣，本研究選擇交叉校準(zhǔn)方式對劑量進行修正。

1.6 驗證與評估方法 連接好Octavius系統(tǒng)并進行600 MU以上的預(yù)熱照射［9］，調(diào)取驗證計劃以QA模式進行測量數(shù)據(jù)的采集。利用VeriSoft 7.1對計算與實際測量的劑量分別在最大劑量點歸一（Max dose）和參考矩陣對應(yīng)點處劑量歸一（Local dose）兩種方式下以3%/3mm、3%/2mm和2%/2mm的標(biāo)準(zhǔn)進行3D體積通量驗證的γ評估，閾值10%。通過應(yīng)用更嚴(yán)格的3Dγ評價標(biāo)準(zhǔn)，使用球體的DTA（距離偏差標(biāo)準(zhǔn)）來計算3Dγ指數(shù)，算法評估位于DTA半徑內(nèi)所有相鄰平面的點，計算整個體積中每個體元的γ值。因此本研究選擇橫斷面（transverse，T）、冠狀面（coronal，C）和矢狀面（sagittal，S）進行評價，來檢測臨床相關(guān)錯誤或誤差，驗證不同空間方位的劑量響應(yīng)是否存在差異。

1.7 統(tǒng)計學(xué)方法 使用SPSS 19.5軟件進行數(shù)據(jù)分析，采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，并對三個層面和三個部位所有數(shù)據(jù)行組內(nèi)正態(tài)性檢驗（Kolmogorov-Smirnov檢驗）和組間方差齊性檢驗，符合者采用單因素方差分析（one-wayANOVA，F(xiàn)檢驗），反之采用Kruskal-Wallis秩和檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 三個層面3Dγ指數(shù)分析結(jié)果 三個層面的通過率結(jié)果顯示出橫斷面具有最好的劑量一致性。Local和Max dose兩種方式下橫斷面3%3mm的通過率都在95%以上，冠狀面與橫斷面的通過率平均差異≤10.63%，冠狀面與矢狀面的差異≤1.28%。見表1。

2.2 三個部位模體內(nèi)3Dγ指數(shù)分析結(jié)果 相同的γ標(biāo)準(zhǔn)下胸部計劃平均通過率最高，Max.dose方式下對于3%/3mm、3%/2mm和2%/2mm的標(biāo)準(zhǔn)分別為97.3%、94.7%和 90.2%，頭頸 95.3%、91.2%和81.6%，盆腔95.1% 、90.8% 和 78.8%（F=8.878，3.461，0.393，P=0.000，0.039，0.677）。見表 2。

表1 88個計劃在三個層面的通過率

表2 88個計劃模體內(nèi)的3Dγ通過率

2.3 通過率箱型圖 Max.dose方式下滿足3%/3mm標(biāo)準(zhǔn)的88個計劃整個模體內(nèi)平均3D γ通過率在95%以上，23例患者的γ通過率范圍在90%～95%，3例患者的通過率低于90%。見圖2。

2.4 通過率和評估點數(shù) 一胸部計劃在Max方式下3%/3mm標(biāo)準(zhǔn)的橫斷面和模體內(nèi)3Dγ計算結(jié)果，可以看出整個模體內(nèi)通過率低于橫斷面，評估點數(shù)是橫斷面評估點數(shù)約28倍。見圖3。

2.5 TPS計算和測量的一肺癌患者三個層面的γ評估結(jié)果 圖3顯示出冠狀面和矢狀面未通過3Dγ標(biāo)準(zhǔn)的點數(shù)明顯要多于橫斷面，驗證失敗的點主要出現(xiàn)在計劃靶區(qū)邊緣高劑量梯度區(qū)域和低劑量區(qū)。

圖2 88個病人整個模體內(nèi)Max.dose方式下3%/3mm的3D γ通過率

圖3 一胸部計劃橫斷面和模體內(nèi)Max.dose方式下3%/3mm標(biāo)準(zhǔn)的3Dγ分析結(jié)果

3 討論

Octavius旋轉(zhuǎn)單元的圓柱形設(shè)計配套729探測器陣列，消除了角度效應(yīng)，很適合用于旋轉(zhuǎn)治療劑量分布的測量。盡管探測器中心間距1cm，但重建算法能夠滿足將測量劑量重建成2.5mm分辨率的整個模體內(nèi)3D劑量，并計算了模體內(nèi)每個劑量單元的體積3Dγ指數(shù)，將γ指數(shù)研究的范圍擴展到與被評估平面臨近的劑量平面。此外，此系統(tǒng)可進行單個弧的測量并逐個控制點去比較分析體積劑量［14］。Conor K 等［9］的研究表明，雖然1cm電離室間距的測量劑量與TPS 2.5mm網(wǎng)格計劃劑量相吻合，但電離室之間的線性插值將導(dǎo)致更多的錯誤，與比729探頭尺寸更優(yōu)和空間分辨率更高的1000SRS液體二維矩陣和1500矩陣可得到更準(zhǔn)確的劑量數(shù)據(jù)。

圖4 一肺癌計劃橫斷面、冠狀面和矢狀面的劑量分布在Max.dose方式下3%/3mm的γ評估結(jié)果

三個不同層面的3Dγ通過率結(jié)果顯示出橫斷面具有最好的劑量一致性，可能的原因是橫向視圖最容易與患者的橫向CT切片上的治療計劃等劑量有關(guān)。此外，一旦三維劑量重建網(wǎng)格按照Verisoft軟件實踐規(guī)范的要求設(shè)置（體素邊長：x=2.5mm，y=10mm，z=2.5mm），測量和計算的劑量矩陣的平面坐標(biāo)必須相對應(yīng)，然而對于冠狀和矢狀面視圖，精確像素位置的控制則更少。不同身體部位治療計劃的對比表明單一靶區(qū)的胸部計劃測量值更接近計算值，導(dǎo)致更高的γ通過率。TG 218報告指出在弧形出束期間，通過率隨MU與每部分劑量的比率的增加而降低，這表明高度調(diào)制的計劃具有稍微較差的QA結(jié)果［15］，2%/2mm更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致了更低的通過率。與Local方法相比，Max方法得到的γ指數(shù)更均勻通過率更高，這是因為它是考慮到最大劑量值計算容差水平的，限制條件較為寬松。TG 218報告建議采用Max方法對γ通過率進行評估，因為Max方法被認為更有臨床意義。按照TG218Universal action limits的標(biāo)準(zhǔn)：3%/2mm，10%劑量閾值，γ通過率為≥90%，本研究的結(jié)果均達到了IMRT QA的要求且與文獻報道的結(jié)果基本一致［16，17］。

對比88個病人Max.dose方式下滿足3%/3mm標(biāo)準(zhǔn)的整個模體內(nèi)3D γ通過率發(fā)現(xiàn)有26例患者的通過率低于95%，說明此系統(tǒng)用于快速旋轉(zhuǎn)治療計劃劑量驗證具有一定的錯誤計劃檢出率。對此分別驗證了每個弧，發(fā)現(xiàn)11例患者單弧驗證通過率都高于95%而合成弧低于95%，說明各個弧不通過體素γ指數(shù)誤差放大，8例單弧通過率均低于合成弧說明出現(xiàn)誤差抵消的情況，7例一個弧通過率高于合成弧，另一個弧通過率低于整體通過率。通過率低于90%的3例患者重新驗證發(fā)現(xiàn)1例兩個弧驗證通過率都低于95%，另2例兩個弧驗證通過率不到90%，對這3個計劃調(diào)整了射野參數(shù)重新計算了劑量。

3D劑量驗證γ通過率的影響因素主要有以下幾點：①測量過程中的誤差，比如電離室的部分體積效應(yīng)，MLC葉片位置誤差（隨機和系統(tǒng)）和葉片速度精度、機架旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性、治療床運動穩(wěn)定性和射野穩(wěn)定性（平坦度、對稱性、輸出量、劑量率、低MU子野）等。Bin Yang等［16］發(fā)現(xiàn)Varian TrueBeam機架角度和運動速度均存在不同程度的偏離，每個控制點實際機架角度偏離在0.4°以內(nèi)，劑量率偏離范圍是-0.20%～0.38%，當(dāng)機架以6°/秒的速度運動時，最大機架角度偏離將達到1.5°，機架位置的誤差將導(dǎo)致測量劑量射線發(fā)生角位移。Mohammad等［17］對應(yīng)用于動態(tài)RapidArc計劃驗證的Octavius模體和729電離室矩陣的靈敏性和分辨率進行測試發(fā)現(xiàn)1mm的MLC位置誤差能引起1%的局部劑量誤差。本研究每次數(shù)據(jù)采集前均進行機器性能檢查（machine performance check，MPC），發(fā)現(xiàn) MLC最大位置誤差是0.5mm，由此得出本研究中MLC的位置誤差對測量劑量的影響在1%以內(nèi)。②TPS的誤差，主要包括三個方面：一是射線的性能參數(shù)，其采集精度的可靠性強烈依賴于數(shù)據(jù)采集人員的水平高低；二是射束和MLC模型，非均質(zhì)性校正的使用和建模；三是劑量計算所使用的算法精度，文獻報道Eclipse計劃系統(tǒng)AAA算法存在1%～3%的劑量計算誤差，在有空腔（如肺組織）存在的情況下TPS計算誤差甚至可達基礎(chǔ)誤差的3～5倍［18-20］。③測量系統(tǒng)的誤差，根據(jù)廠家的數(shù)據(jù)傾角儀和旋轉(zhuǎn)單元存在±1°的固有容差，Octavius系統(tǒng)依賴于傾角儀的精度來確定探測器總是垂直于射線束，這將造成機架和探測器矩陣不完全垂直的狀態(tài)以及傾角儀傳輸機架角度微小的誤差，文獻報道模體與機架同步旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生最大0.4°的偏差，傾角儀傳輸機架角度存在0.7°的偏差［4，9］。而對于旋轉(zhuǎn)單元隨機架旋轉(zhuǎn)的同步性，本研究實驗數(shù)據(jù)采集過程中，連接好Octavius驗證系統(tǒng)并啟動模體上的角度自修正按鈕完成方向性校準(zhǔn)后，手動轉(zhuǎn)動機架觀察旋轉(zhuǎn)單元隨機架運動的機械容差，分別在模體上添加四條橫向標(biāo)記線，將機架轉(zhuǎn)到45°、90°、135°、180°、315°、270°、225°再轉(zhuǎn)回0°反復(fù)觀察發(fā)現(xiàn)機架和模體的旋轉(zhuǎn)存在0°～±1°的偏差，其中最大偏差出現(xiàn)在90°和270°。④是計劃復(fù)雜程度的不同導(dǎo)致計劃系統(tǒng)計算誤差不同，器官結(jié)構(gòu)和限制條件較多、劑量分布更復(fù)雜、劑量梯度變化更大的鼻咽癌患者和盆腔計劃通過率相對較低。這是因為所選胸部計劃均為單一靶區(qū)，靶區(qū)內(nèi)不存在劑量梯度，子野優(yōu)化較簡單，而頭頸和盆腔等復(fù)雜腫瘤由于各靶區(qū)處方劑量大小不一存在一定劑量梯度，子野優(yōu)化相對復(fù)雜，劑量計算誤差相對增加。另一方面，陡峭的劑量梯度影響通過γ標(biāo)準(zhǔn)的點數(shù)。對于更嚴(yán)格的2%/2mm標(biāo)準(zhǔn)，單一靶區(qū)的平均通過率遠高于多靶區(qū)計劃，由此推斷復(fù)雜靶區(qū)和陡峭的劑量梯度對3D劑量重建精度有影響，重建過程中會引入更多的錯誤從而導(dǎo)致更低的通過率。

綜上所述，Octavius模體內(nèi)3D劑量分布對治療傳輸?shù)木忍峁┝烁娴脑u估，RapidArc計劃在被執(zhí)行前應(yīng)進行3Dγ通過率分析，計劃驗證的γ通過率受多種因素影響，并與腫瘤部位及計劃復(fù)雜度相關(guān)。Octavius驗證系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)模體是均勻組織，而真實人體結(jié)構(gòu)由一系列非均勻組織構(gòu)成，TPS在非均勻組織中計算的誤差遠大于均勻組織。因此下一步工作通過將TPS中病人的CT導(dǎo)入VeriSoft軟件，進行計劃和測量DVH圖的對比，實現(xiàn)實際病人體內(nèi)的3D劑量重建。