龐廷田，楊波，于浪，劉峽，劉楠，李文博，董婷婷，邱杰

北京協(xié)和醫(yī)院 放療科，北京 100730

引言

常規(guī)加速器、鈷60Co等放療設(shè)備的輸出劑量校準，在校準流程和方法上都有標準可依[1-2]，通常做法是采用特定射野在水中特定深度處將設(shè)備輸出劑量調(diào)整到特定吸收劑量值。劑量校準工具需經(jīng)由有資質(zhì)的國際或國家計量實驗室校準，其所測吸收劑量可以溯源到初級標準劑量實驗室美國醫(yī)學物理學家協(xié)會和國際原子能機構(gòu)雖然對如何在水中測量Tomotherapy的輸出劑量進行了說明[2-3]，但是此過程并非設(shè)備劑量校準過程。其校準過程為通過調(diào)整設(shè)備輸出，使治療計劃系統(tǒng)中制作的一系列校準計劃（TomoPhan plan）的劑量偏差在較小范圍內(nèi)[4-6]。

設(shè)備劑量校準過程中的所用TomoPhan系列校準計劃以及計劃所用模體CT圖像以及該圖像匹配的IVDT表都由廠家統(tǒng)一提供，優(yōu)化參數(shù)統(tǒng)一設(shè)定，計劃系統(tǒng)的優(yōu)化和計算模型為標準模型，Tomotherapy就是依靠該校準流程的一致來保障所有設(shè)備的輸出劑量校準到同一劑量水平[7]。

在設(shè)備校準完成以后，用戶需要為本單位CT模擬機單獨創(chuàng)建IVDT表，并且用設(shè)備隨機佩帶的cheese phantom進行獨立劑量驗證，以確保設(shè)備劑量校準精度。在Tomotherapy計劃系統(tǒng)中創(chuàng)建IVDT表時，有兩點較特殊，需要引起設(shè)備用戶的注意：①Tomotherapy隨機配帶的Gammex密度模體中用于創(chuàng)建CT值密度曲線的物質(zhì)較少，肝臟、脂肪、肌肉等人體大量存在的軟組織對應(yīng)的密度棒并不包含，與其密度相近的密度點只有水，缺少上述組織密度點是否會影響劑量計算的精度；②Tomotherapy的IVDT表創(chuàng)建要求中明確需要加入空氣密度點，此要求在其他計劃系統(tǒng)中并不多見，通過本研究證明其必要性。本研究擬在設(shè)備應(yīng)用于臨床以前對上述問題進行探索，以期為患者進行精確放療進行有力保障。

1 材料和方法

本研究設(shè)計實驗內(nèi)容如下：① 分別利用Gammex模體（Gammex公司，美國）和CIRS（Computerized Imaging Reference Systems，CIRS 公司，美國）兩種密度模體建立與CT模擬定位機掃描條件對應(yīng)的的IVDT表，其中CIRS密度模體創(chuàng)建的IVDT表依據(jù)在CT值-100到+100 HU范圍內(nèi)是否包含水密度點以外的物質(zhì)密度點分別創(chuàng)建不同IVDT表；② 以Gammex密度模體創(chuàng)建的IVDT表以是否包含空氣密度點為標準分別單獨創(chuàng)建IVDT表。調(diào)用不同IVDT表在相應(yīng)的Cheese模體CT圖像上設(shè)計調(diào)強計劃以及劑量傳輸驗證計劃（Delivery Quality Assurance，DQA），測量計劃的劑量偏差并進行配對t檢驗，通過分析與對照組的劑量偏差是否有統(tǒng)計學差異來判斷根據(jù)不同條件創(chuàng)建的IVDT表是否劑量計算精度要求。

由于Tomotherpay計劃系統(tǒng)是逆向計劃系統(tǒng)，無法正向給予調(diào)強計劃的照射時間和輻照劑量，同時計劃系統(tǒng)中對DQA計劃中特定點的點劑量測量誤差存在人為因素，因此本實驗通過測量并分析實際測量點的劑量偏差來綜合分析IVDT表給劑量計算精度來的最終影響。

1.1 輸出劑量校準

在進行本研究的實驗之前，首先按照Tomotherapy校準流程對設(shè)備輸出劑量進行校準，將所有Tomophan系列校準計劃的劑量偏差調(diào)整到±1%以內(nèi)，并將該設(shè)備輸出劑量狀態(tài)標定為劑量標準狀態(tài)。

1.2 建立CT值密度曲線

1.2.1 建立Gammex密度模體的IVDT表

按照Tomotherapy創(chuàng)建IVDT表要求將Gammex密度棒插入Cheese模體中，用Siemens Somatom CT（西門子公司，德國）模擬機進行CT掃描、用頭部和胸部掃描條件掃描該密度模體，將圖像導入Varian Eclipse計劃系統(tǒng)（瓦里安公司，美國）中，在該計劃系統(tǒng)中讀取各密度棒以及模體外圍空氣的平均CT值，并按照Tomotherapy要求在計劃系統(tǒng)中創(chuàng)建IVDT表，分別命名為Gammex IVDT Head（standard）和 Gammex IVDT ABDO（standard），將Gammex IVDT Head（standard）中的空氣密度點刪除，建立 Gammex IVDT Head（without air）。

1.2.2 建立CIRS 密度模體的IVDT表

方法同上，掃描本單位的CIRS頭部密度模體，該模體包含Lung（inhale）、Lung （exhale）、Adipose、Breast、water、muscle、Liver、Bone（200）、Bone（800）等9種物質(zhì)，密度從0.2～1.53 g/cm3，以CT值在-100～100 HU范圍內(nèi)是否含有除水以外的其他物質(zhì)密度點為標準分別在Tomotherapy計劃系統(tǒng)中建立IVDT表，分別命名為CIRS IVDT Head（with -100～100 HU）和 CIRS IVDT Head（without-100～100 HU），利用腹部掃描條件掃描CIRS腹部密度模體，方法同步驟2，分布創(chuàng)建IVDT表：CIRS IVDT Abdo（with-100～100 HU）和CIRS IVDT Abdo（without-100～100 HU）。

1.3 掃描Cheese phantom并勾畫計劃靶區(qū)

將Gammex模體密度棒更換為與模體密度相同的virtual Water插棒，將A1SL電離室插入模體中心下方5 mm處（圖1a），在 Siemens CT模擬機上分別利用頭部掃描條件和腹部掃描條件對Cheese phantom進行掃描得到Cheese image Head和Cheese image Abdo兩幅Cheese模體CT圖像，將Cheese image Head的CT圖像導入Eclipse計劃系統(tǒng)，在模體中心處勾畫直徑為5 cm長度為8 cm的圓柱形靶區(qū)計劃靶區(qū) ( Planning Target Volume，PTV ) 并勾畫出電離室空腔V-chamber（圖1b），勾畫完成后將圖像導入Tomotherapy計劃系統(tǒng)并將chamber體積進行密度賦值，賦值為電離室周圍模體的平均密度值。

圖1 掃描Cheese Phantom模體勾畫PTV

1.4 調(diào)強計劃制作

PTV處方劑量為10 Gy/5f，該部分計劃分為Tomo-Helical和Tomo-Direct兩種傳輸模式，每種傳輸模式包括1.0、2.5、5.0 cm三種jaw的寬度的計劃，再次jaw的寬度再根據(jù)Fix和Dynamic兩種jaw運動模式制作計劃，綜上所述共10個調(diào)強計劃。在進行治療計劃制作時，分布調(diào)用 Gammex IVDT Head（standard）、CIRS IVDT Head（with-100～100 HU）、CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）以及Gammex IVDT Head（without air）4條IVDT表，每條IVDT表對應(yīng)的調(diào)強計劃為一組，每組包含上述10個調(diào)強計劃，三組調(diào)強計劃依次命名為：Standard Plan組、CIRS IVDT Head（with-100～100 HU）Plan組、CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）Plan 組，Gammex IVDT Head（without air）Plan 組。

1.5 測量并分析上述四組計劃劑量偏差

利用MVCT對Cheese模體進行圖像引導以糾正擺位誤差，點劑量測量工具為A1SL電離室和TOMOElectrometer靜電計（Standard Image公司，美國），對三組治療計劃進行點劑量測量，測量位置為掃描時電離室位置，根據(jù)公式：Δ=[（Dmeasure-Dplan）/Dplan]×100%計算劑量偏差，以Standard Plan組劑量偏差為對照組，CIRS IVDT Head（with-100～100 HU）Plan組、CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）Plan組，Gammex IVDT Head（without air）Plan組分別于與Standard Plan組進行配對t檢驗，P<0.05為有統(tǒng)計學差異。

1.6 DQA計劃制作

將Cheese image Abdo圖像作為DQA的圖像導入Tomotherapy計劃系統(tǒng)，對步驟1.4 中制作的前3組調(diào)強計劃分別制作DQA plan點劑量驗證計劃，其中Standard Plan組只調(diào)用Gammex IVDT Abdo（standard）進行來設(shè)計DQA計劃，CIRS IVDT Head（with-100～100 HU）Plan組 和 CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）Plan組的DQA計劃分別調(diào)用Gammex IVDT ABDO（standard），CIRS IVDT Abdo（with-100～100 HU）和CIRS IVDT Abdo（without-100～100 HU）三條IVDT表，生成7組DQA計劃，DQA計劃依次命名為：DQA standard plan組、DQA CIRS IVDT Head（with-100～100 HU）Plan1組、DQA CIRS IVDT Head（with-100～100 HU）Plan2組、DQA CIRS IVDT Head（with-100～100 HU）Plan3組 和 DQA CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）Plan1組、DQA CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）Plan2組 和 DQA CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）Plan3組，

1.7 測量并分析上述7組DQA計劃劑量偏差

測量步驟1.6中的7組DQA Plan計劃的點劑量偏差，利用MVCT對Cheese phantom進行圖像引導以糾正模體擺位誤差，用A1SL和TOMO-Electrometer靜電計對制作的60個計劃的電離室位置進行點劑量測量，并根據(jù)公式：DQAΔ=[（Dmeasure-Dplan）/Dplan]×100%計算劑量偏差，以DQAStandard Plan組測量結(jié)果為標準，其余6組均與其進行配對t檢驗，P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 CT值密度曲線

用不同掃描條件分別對GammeX密度模體和CIRS密度模體分別進行CT掃描，并建立IVDT表（圖2）：首先，Gammex密度模體所建IVDT表和和CIRS密度模體所建IVDT表，所有除了水在CT值-100～100 HU范圍內(nèi)不含任何密度物質(zhì)點的三條曲線，從CT值-400～300 HU范圍內(nèi)的曲線部分基本重合，也即在軟組織密度區(qū)域該部分曲線彼此接近，由CT值轉(zhuǎn)換為密度的誤差小于1%，但是在低密度肺組織（CT值<-400 HU）和高密度骨組織（CT值>600 HU）的曲線部分，兩種密度模體在同種掃描條件下的IVDT表差距開始變大，部分區(qū)域差值得到的密度差別大于5%

圖2 Tomotherapy計劃系統(tǒng)中根據(jù)不同條件創(chuàng)建的CT值密度曲線

2.2 四組調(diào)強計劃劑量偏差分析結(jié)果

按照步驟1.5要求測量Standard Plan組、CIRS IVDT Head（with-100～100 HU）Plan組、CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）Plan組 和 Gammex IVDT Head（without air）Plan組等4組點劑量，根據(jù)公式計算計劃劑量和實測劑量的劑量偏差，結(jié)果如表1所示。CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）Plan組和Standard Plan組劑量偏差相比，平均量偏低0.15%，兩組劑量偏差無統(tǒng)計學差異，CIRS IVDT Head（with-100～100 HU）Plan組 和 Standard Plan組相比，平均劑量偏高2%，有顯著的統(tǒng)計學差異（P<0.001），由此可見，IVDT表中是否含有-100～+100 HU范圍內(nèi)的物質(zhì)密度點，對劑量計算結(jié)果會產(chǎn)生顯著影響。Gammex IVDT Head（without air）組的平均劑量偏差偏高0.64%，和Standard Plan組比有明顯統(tǒng)計學差異，說明在IVDT表中加入空氣密度點很有必要，刪除空氣密度點導致劑量計算偏差約1.1%。

表1 四組調(diào)強計劃的劑量偏差分析

2.3 七組調(diào)強計劃劑量偏差結(jié)果分析

按照步驟1.7 要求測量七組DQA plan的點劑量，根計算七組DQA計劃劑量偏差，依次與DQA Plan A組進行配對t檢驗，結(jié)果如表2所示，可知，調(diào)用Gammex IVDT ABDO、CIRS IVDT ABDO（without -100～100 HU） 進 行劑量計算的 DQA Plan A、DQA Plan B1、DQA Plan B3、DQA Plan C1、DQA Plan C3、三組計劃偏差平均值分別為-0.47%、-0.51%、-0.53%、-0.50%、-0.41%，P值分 別為0.924、0.884、0.901、0.878，四組沒有統(tǒng)計學差異，調(diào)用CIRS IVDT ABDO進行劑量計算的DQA Plan B2、DQA Plan C2兩組計劃偏差平均值均為1.77%，與DQA Plan A組相比，P<0.001,具有統(tǒng)計學差異，劑量偏差都偏高1.77%，但是兩組劑量偏差沒有明顯差別，彼此沒有統(tǒng)計學差異。

表2 七組 DQA計劃實測劑量偏差分析

3 討論

Tomotherapy計劃系統(tǒng)計算劑量分布分兩步進行[8-12]：① 利用IVDT表插值得到物理密度，然后利用物理密度在通量衰減系數(shù)表格中進行插值得到該物質(zhì)的通量衰減系數(shù)，繼而通過有效路徑長度法對該物質(zhì)非均質(zhì)修正，得到主射束的通量分布圖；② 利用在水中通過蒙卡模擬方法得到的劑量卷積核對第一步中得到的通量進行卷積，計算得到最終的劑量分布。其中，串筒卷積算法的主流計劃系統(tǒng)采用的標準劑量卷積方法，卷積核是在水中通過蒙卡模擬方法得到，其計算精度已經(jīng)被很多學者證實，在此不再贅述[13-19]，但在第一步中，利用IVDT表差值得到物質(zhì)的物理密度進而求得非均質(zhì)修正所使用質(zhì)量衰減系數(shù)，這個過程是非均質(zhì)修正的過程，其修正的精確與否會對整個劑量計算精度有較大影響，有必要對IVDT表的精度進行驗證。

本實驗中，在Tomotherapy計劃系統(tǒng)由Gammex IVDT Head（standard）曲線可以讀出Cheese模體密度為1.028 g/cm3而不是Gammex廠家標注的1.047 g/cm3，由此可知這種創(chuàng)建IVDT表的方式，降低了模體的物理密度，在創(chuàng)建IVDT表時之所以要做上述的人為修正，主要是為了糾正物理密度創(chuàng)建IVDT表給劑量計算精度帶來的誤差。在Tomotherapy計劃系統(tǒng)IVDT表所需密度為的物理密度而非劑量計算精度更高的電子密度[20-23]，這是因為KV級光子射線與物質(zhì)的相互作用機制和MV級光子射線作用機制不同導致的結(jié)果[24-27]。KV級光子線與物質(zhì)作用方式主要是光電效應(yīng)，光子射線的衰減與物質(zhì)的物理密度成正比，也即CT值與物理密度近似正比關(guān)系，但是物質(zhì)與MV級光子主要作用方式以康普頓效應(yīng)為主，這個過程中射線的衰減與物質(zhì)的電子密度成正比關(guān)系，而非物理密度[28-30]，因此用電子密度來創(chuàng)建IVDT表格，是現(xiàn)代放療計劃系統(tǒng)的趨勢。平時質(zhì)控工作中，為了操作方便、快捷，經(jīng)常會使用一些模體來代替水，例如Solid Water、Virtual Water、有機玻璃、Plastic water等模體，這些模體共同特點就是模擬水和MV級光子線相互作用場景，其電子密度與水相近，但是由于不同模體的構(gòu)成元素不同，其物理密度與水可能相差較大，如此一來放療計劃系統(tǒng)若使用物理密度來建立IVDT表格，就可能由此帶來劑量計算誤差[28-30]，Tomotherapy計劃系統(tǒng)就是屬于此種情形。本研究中Standard Plan組、CIRS IVDT Head（with-100～100 HU）Plan組、CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）Plan等三組計劃的劑量偏差分析結(jié)果印證了以上論述，實驗中使用的cheese phantom 模體的物理密度和水相差近5%，而相對電子密度僅為1.01，通過創(chuàng)建IVDT表時去除CT值在-100～100 HU范圍內(nèi)的物質(zhì)密度點來降低cheese phantom的密度使其更接近于相對電子密度，從而保障了使用cheese phantom進行劑量測量的精度。

通過DQA計劃劑量偏差分析可知，無論在患者治療計劃設(shè)計時調(diào)用的IVDT表是否正確，只要在做DQA計劃時正確的調(diào)用DQA圖像對應(yīng)IVDT表進行劑量計算，驗證誤差都能達到臨床要求?？梢?，DQA計劃和常規(guī)直線加速器調(diào)強計劃驗證的目的類似，只是驗證治療設(shè)備執(zhí)行這個治療計劃的能力，并沒有對劑量計算精度進行驗證。

通過分析Standard Plan組和Gammex IVDT Head（without air）Plan兩組劑量偏差結(jié)果可知是在IVDT表中加入空氣密度點很有必要，這和Tomotherpay計劃系統(tǒng)最終的劑量計算方法有關(guān)[8]。

不同品牌密度模體在同一種CT掃描條件下所建IVDT表有所區(qū)別，CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）和Gammex IVDT Head（standard）非常接近，密度讀取誤差小于1%，但是在低密度肺組織（CT值小于500 HU）和高密度骨組織（CT值大于600 HU）的曲線部分，兩種密度模體在同種掃描條件下的IVD表差距開始變大，部分區(qū)域差值得到的密度差別大于5%。由于本研究目的為設(shè)備輸出劑量的獨立驗證，所有實驗均在Cheese模體上進行，因此只要確保IVDT表中cheese phantom模體的密度值準確即可，因此從質(zhì)控的角度來看，利用不同品牌的密度模體創(chuàng)建IVDT表是可行的。本研究中用CIRS密度模體創(chuàng)建的IVDT表，該曲線在低密度肺組織區(qū)域和高密度高組織區(qū)域的進行密度賦值時會和Gammex密度模體創(chuàng)建的IVDT表進行密度賦值時差別逐漸變大，最大誤差約10%，因此如果利用不同品牌密度模體創(chuàng)建的IVDT表，在應(yīng)用于臨床患者治療計劃之前需要對不同密度區(qū)域的計算精度進行驗證。同一個密度模體在不同CT掃描條件下，所得IVDT表也有區(qū)別，當管電壓KV和掃描視野FOV變化較大時，區(qū)別更加明顯[31-34]。在創(chuàng)建IVDT表時，有必要根據(jù)CT模擬機型號、掃描條件對IVDT表格進行命名，以免我們在進行治療計劃設(shè)計時錯誤調(diào)用。

現(xiàn)代絕大多數(shù)商用放療計劃系統(tǒng)仍然是以CT圖像為基礎(chǔ)來進行治療計劃設(shè)計，每種治療計劃系統(tǒng)在投入臨床使用前都需要依據(jù)本單位的CT模擬機具體屬性創(chuàng)建TPS劑量計算所需IVDT表，利用電子密度來創(chuàng)建IVDT表可以獲得更準確的劑量計算結(jié)果，但是這并不代表利用物理密度創(chuàng)建IVDT表的TPS劑量計算精度就不可接受，依據(jù)劑量計算方法的持續(xù)改進和數(shù)據(jù)模型的不斷更新[11,13,17,19]，使用物理密度來創(chuàng)建IVDT表的計劃系統(tǒng)在人體的大部分環(huán)境中進行劑量計算的結(jié)果都是臨床可接受的（1%），只有在肺組織和骨組織中誤差略大（3%以內(nèi)），因此使用物理密度來進行劑量計算在很長一段時間內(nèi)還會存在。

4 結(jié)論

在Tomotehrapy計劃系統(tǒng)創(chuàng)建IVDT表時，無論使用何種密度模體做IVDT表，若使用cheese phantom等等效水模體進行劑量測量時，在IVDT表中務(wù)必去除CT值在-100～100 HU范圍內(nèi)的密度點，同時加入空氣密度點，上述亮點都會不同程度的影響計劃系統(tǒng)的劑量計算精度。

通過對IVDT表進行重點研究，可以避免由IVDT表創(chuàng)建誤差導致劑量計算精度下降，并且物理師可從原理上進行理解并在實際工作中進行持續(xù)改進，進一步提高IVDT表的精度，從而提高劑量計算精度，為患者進行精確放療打下基礎(chǔ)。