郭逸瀟 胡金炎 李洋 王寧 繆國英 李波
1(甘肅省人民醫(yī)院 蘭州 730000)
2(鄭州大學第一附屬醫(yī)院 鄭州 450052)
3(濰坊市人民醫(yī)院 濰坊 261000)
4(蘭州大學第一醫(yī)院 蘭州 730000)
非均整(Flatting filter free,F(xiàn)FF)能量模式已在立體定向體部放射治療(Stereotactic body radiotherapy,SBRT)和立體定向放射外科治療(Stereotactic radiosurgery,SRS)取得一定的治療成果。常規(guī)靶區(qū)(如胸腺、肝臟、乳腺等)貼近表皮和偏向一側的腫瘤及食管癌和部分轉(zhuǎn)移瘤靶區(qū)也可采用FFF模式進行多段部分弧計劃設計,目前國內(nèi)已有多項研究對其進行劑量學評估[1-3],特點為:與均整模式(FF)的容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放療(Volumetric modulated arc therapy,VMAT)計劃相比,F(xiàn)FF 模式能降低危及器官(Organs at risk,OARs) 的超量風險, 需更多的機器跳數(shù)(Monitor Unite,MU)來滿足相同的靶區(qū)覆蓋,但其高劑量率特點使計劃執(zhí)行效率更高。Ma等[4]通過理論模型計算分析了698 個前列腺和17 個頭頸調(diào)強放射治療(Intensity modulated radiation therapy, IMRT)通量圖,發(fā)現(xiàn)FFF 模式6 MV 和10 MV 能量的X 射線出束時間最短。由此得出結論:考慮到傳輸效率,未來可能最終在所有的直線加速器機頭設計中去除均整能量模式。
FFF模式劑量學特性決定了部分常規(guī)質(zhì)量保證(Quality assurance,QA)設備并不適用于其劑量測量,例如Varian aSi-500 和aSi-1000 EPID 對于高劑量率FFF 計劃驗證會出現(xiàn)劑量飽和效應,而新型 aSi-1200 EPID 配備DMI (Digital magavolt imager)可支持FFF計劃劑量測量,在任何射線源到探測板距離(Source-imager distance,SID)處測量劑量均不會出現(xiàn)飽和效應,同時增加了背散射屏蔽層以減少來自支撐臂的背向散射[5-7]。本研究采用aSi-1200 EPID對甘肅省人民醫(yī)院50例不同解剖部位常規(guī)分割FFF RapidArc(VMAT的瓦里安版本,由Karl Otto 于2008 年開發(fā),利用劑量Painting技術增加靶區(qū)的分次劑量[8])部分弧治療計劃進行驗證,并使用PTW Octavius 729電離室矩陣復測,探究兩種軟件計算的γ 通過率對TPS(Treatment planning system)中MLC模型參數(shù)變化的響應。由于EPID 提供了高分辨率測量,與使用稀疏探測器陣列可能產(chǎn)生的欠采樣效應進行比較,分析兩者在FFF模式使用中的適用性和局限性。
Varian EDGE 直線加速器,6 MV FFF 射線,劑量率800 MU/min 或1 200 MU/min,兩個或多個非零準直器角度的部分弧照射靶區(qū)。Eclipse 13.6計劃系統(tǒng), 使用光子優(yōu)化算法(Photon optimization algorithm,PO)生成一系列控制點定義MLC葉片的位置、機架角度及MU。
aSi-1200 EPID 有效測量面積43 cm×43 cm,探測器個數(shù)1 280×1 280,分辨率0.336 mm[5],圖像刻度為1 CU(Calibration unit)對應于100 MU(SID=100 cm,10 cm×10 cm)。使用前進行6 MV FFF能量的劑量校準,包括暗野、泛野、像素和射線束輪廓校準,最后是劑量歸一以得到新的劑量校準因子。
主要包括新升級的Octavius 729 電離室探測器、旋轉(zhuǎn)模體和Verisoft 7.1劑量分析軟件。此探測器由729 個空氣電離室組成(0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm),相鄰電離室中心間距1.0 cm。旋轉(zhuǎn)模體直徑32.0 cm、長度34.3 cm,TPS 和Verisoft 軟件均設置相對電子密度為1.016 g/cm3,相當于水模體,30.0 cm×30.0 cm×2.2 cm 大小的中心腔用于插入探測器,模體的基部包含一個半環(huán)狀氣隙以糾正當輻射野從后面入射時電離室陣列固有的響應不足。
1.4.1 aSi-1200 EPID背散射屏蔽層測試
測試了Varian EDGE 和Halcyon 加速器EPID板的背散射屏蔽層效果,兩者所用材料相同,只是尺寸不同。分別獲取2 cm×2 cm、4 cm×4 cm、6 cm×6 cm、8 cm×8 cm、10 cm×10 cm、15 cm×15 cm 和20 cm×20 cm 方野的通量圖,比較通過中心軸Crossline 和Inline 的CU 值輪廓,圖1 為測量通量圖的平面。測試方野的PD 計劃生成方式:新建30 cm×30 cm的水模體,設計不同大小射野的適形計劃,處方100 cGy,MU輸入100,添加新野中野,拖動新射野鉛門外2~3 cm 位置處的一根葉片往外移動距離大于2 mm,然后將相對的葉片拖動至閉合進行多葉光欄的驗證,圖2為野中野多葉光欄的驗證。使用預設值計算體積劑量,最后合并子野生成具有動態(tài)MLC 的可用于創(chuàng)建PD 的計劃。假定屏蔽性能良好的情況下,兩個方向曲線圖應該近似完全重合且正負離軸位置對稱。
圖1 測量通量圖的Crossline和Inline平面Fig.1 Crossline and inline for measured dose image
圖2 野中野多葉光欄的驗證Fig.2 Verification of MLC for field in field
1.4.2 劑量率響應測試
為驗證不同劑量率對PD測量結果的影響,獲取10 cm×10 cm大小射野在400 MU/min、800 MU/min和1 200 MU/min 的通量圖,比較通過中心軸Crossline 的CU值。
選取50例FFF部分弧計劃,其中24例左/右術后乳腺癌靶區(qū),11例食管和胸腺瘤靶區(qū),7例肝癌靶區(qū),8 例轉(zhuǎn)移瘤靶區(qū)。校準完成后伸出EPID 探測板至SID=100 cm 處獲取各射野通量,并得到合并結果,使用改進的γ方法(相當于全局歸一)在3%/3 mm、3%/2 mm 和2%/2 mm 的標準下評估,閾值TH5、TH10和TH20,表示只有劑量超過最大劑量5%、10%和20%的點才會在γ 分析中予以考慮。對于Octavius方式,選擇冠狀面在全局歸一方式下以相同的標準行2D γ 通過率分析,均使用絕對劑量評估方式,Verisoft軟件可對冠狀面進行2D和3D γ 通過率分析,與2D 不同的是,3D 考慮了空間相鄰層面對等中心測量平面的劑量影響。將TPS 的計劃信息以Dicom 格式導入Verisoft 軟件,使用測量的平面劑量重建DVH,對于729 矩陣測得γ 通過率較低的計劃使用Octavius 1500 矩陣復測。重建和計算DVH 的百分劑量差異表示為DD(%),用公式(1)計算,Dmeasure和DTPS分別代表測量重建和計算劑量。
任選一個計劃,通過改變TF(預設值由0.012% 分別調(diào)整為0.013%、0.014%、0.015%、0.016%、0.017%、0.018%、0.019%和0.020%,增幅10.17% ~69.49%)和DLG(預設值由0.09 cm分別調(diào)整為0.10 cm、0.11 cm、0.12 cm、0.13 cm、0.14 cm、0.15 cm、0.16 cm 和0.17 cm, 增幅9.89%~86.80%)。共創(chuàng)建80 個修正計劃,重新計算劑量后生成驗證計劃,將這兩個參數(shù)調(diào)整前得到的γ 通過率作為基準值,將無誤差計劃的測量劑量與修正的計算劑量進行γ通過率分析,并與基準值比較(3%/2 mm標準,TH10)。旨在測試這兩種劑量分析軟件提供適當γ 評估的能力。
采用SPSS 19.5軟件對數(shù)據(jù)進行分析,首先進行正態(tài)性檢驗(Kolmogorov-Smirnov 檢驗),若各組均滿足正態(tài)性則采用xˉ±s描述,獨立樣本t檢驗進行組間比較;否則采用中位數(shù)(四分位數(shù)間距)描述,Mann-Whitney U 秩和檢驗進行組間比較。圖表使用Origin 9.1 軟件繪制。
將不同方野測量的Crossline 和Inline方向文本格式結果導入Origin 軟件,繪制曲線(圖3)。(a)是EDGE加速器的結果,顯示正的離軸位置兩條曲線稍有分離,跌落區(qū)同一位置CU 值差異達2~3倍,Inline 方向測量值整體偏小。(b)是Halcyon加速器的結果,顯示兩個方向重合性優(yōu)于EDGE加速器。
圖3 評估6 MV FFF能量模式下背散屏蔽有效性的Crossline/Inline曲線(彩色見網(wǎng)絡版):(a)Varian EDGE;(b)Varian HalcyonFig.3 Crossline/Inline profiles of Varian EDGE and Halcyon linacs to examine backscatter shielding effectiveness for 6 MV FFF(color online):(a)Varian EDGE;(b)Varian Halcyon
由圖4 可看出,不同劑量率下測量的CU 值曲線重合性很好,照射野肩區(qū)和半影區(qū)也幾乎完全重合(差異≤0.5%),表明劑量率波動對PD 系統(tǒng)測量結果的影響在可接受范圍內(nèi)。
圖4 不同劑量率下的Crossline曲線Fig.4 Crossline profile at different dose rates
由表1 可看出,EPID 的通過率中值和均值均高于729 矩陣,正態(tài)性檢驗結果表明,對EPID 只有3%/3 mm(TH20)和2%/2 mm(TH20)兩組符合正態(tài)分布,Octavius 各組樣本均服從正態(tài)分布,因此對3%/3 mm(TH20)和2%/2 mm(TH20)兩組數(shù)據(jù)行t檢驗,其余數(shù)據(jù)采用秩和檢驗,同時計算了95%置信度的區(qū)間估計。
表1 不同標準下的2D γ通過率Table 1 2D γ pass rates for different criterion
一食管計劃EPID 和Octavius 729 矩陣得到的平面劑量分布吻合度均較差,對其進行模體內(nèi)3D γ 通過率分析(88.2%,3%/2 mm 標準,TH10),使用分辨率更高、探頭數(shù)目更多的Octavius 1500矩陣(共1 405個空氣電離室,探頭間距0.707 cm)復測,得3D γ 通過率為89.6%,將TPS 計劃數(shù)據(jù)導入Verisoft 軟件,分別使用測量劑量重建DVH(Dose volume histogram),可看出重建和TPS 計算劑量曲線吻合度較差尤其靶區(qū),靶區(qū)和OARs的重建劑量既有增加也有減少,這種情況可排除系統(tǒng)誤差(如TPS 模型相關參數(shù))的錯誤。若將偏差大于±5%定義為超出了臨床可接受的劑量誤差范圍,通過分析GTV 和PGTV 的Dmean、D98%和D2%,Heart 的V30、V40和Dmean,Lung L 和Lung R 的V5、V20、V30和Dmean,Cord 的Dmax,發(fā)現(xiàn)部分指標存在大于±5%的偏差,如圖5所示,在治療前應該注意到這種劑量上的較大差異,并仔細地分析評估。
圖5 Verisoft重建和TPS計算的DVH對比:(a)Octavius 729電離室矩陣測量重建的DVH;(b)Octavius 1500電離室矩陣測量重建的DVH;(c)Octavius 729測量重建與TPS計算的部分靶區(qū)和OARs的百分劑量偏差;(d)Octavius 1500測量重建與TPS計算的部分靶區(qū)和OARs的百分劑量偏差Fig.5 DVH Comparison between reconstruction and calculation:(a)DVH reconstructed by Octavius 729 detector;(b)DVH reconstructed by Octavius 1500 detector;(c)DD%of partial targets and OARs between Octavius 729 reconstruction and TPS;(d)DD%of partial targets and OARs between Octavius 1500 reconstruction and TPS
調(diào)強放射治療計劃射野的準確傳輸取決于TPS精確模擬動態(tài)MLC 射束傳輸?shù)哪芰Γ琈LC 參數(shù)(如葉片TF 和DLG)對于最終傳輸?shù)膭┝恐陵P重要。為實現(xiàn)更好的離軸劑量學性能,Varian加速器將MLC 葉端設計為圓角,這導致一些輻射在葉片之間穿過甚至穿過完全閉合的葉片對。Eclipse 治療計劃系統(tǒng)通過DLG 處理圓形葉片的末端并將MLC 建模為直邊,在優(yōu)化和劑量計算過程中通過移動葉片尖端(Leaf tip)來考慮圓形葉片的透射。每個葉片尖端都通過將其拉回DLG 值的一半來移動,因此完全閉合的葉片對(Leaf pair)之間的間隙等于DLG,且某一特定位置的DLG 受到該位置的葉片內(nèi)漏射影響較大。本研究將這兩個參數(shù)調(diào)整后得到的γ通過率與基準值對比,預計γ通過率將隨著TF和DLG偏離TPS預設值的增加而呈下降趨勢,但隨著TF和DLG偏差幅度的增大,兩種方式得到的γ 通過率在數(shù)值上均未呈現(xiàn)下降的趨勢,對部分TF和DLG值γ 通過率不降反升或降低幅度過大。
圖6 不同MLC TF和DLG值的γ 通過率:(a)aSi-1200 EPID;(b)Octavius 729冠狀面;(c)模體Fig.6 γ pass rate at different MLC TF and DLG:(a)aSi-1200 EPID;(b)coronal of Octavius 729;(c)phantom
本研究使用aSi-1200 EPID和Octavius 729電離室矩陣對常規(guī)分割FFF RapidArc 部分弧治療計劃進行了相關測試。EPID 支撐臂結構中的金屬部件致使Y 鉛門方向受背向散射影響較大,對測量劑量造成一定程度的影響[9-10]。瓦里安aSi-1000 EPID使用PDPC (Portal Dosimetry Pre-Configuration)數(shù)據(jù)包對其做背向散射校正[11],而aSi-1200 EPID在設計上加入背散射屏蔽層無需這一步處理[5]。通過比較水模體不同方野通量圖Crossline 和Inline方向的CU值輪廓,測試了Varian EDGE和Halcyon加速器EPID 背散射屏蔽層的效果,結果顯示Halcyon 探測板兩個方向CU 值輪廓重合性很好,EDGE 加速器射野中心區(qū)域和半影區(qū)近乎完全重合,而正的離軸位置跌落區(qū)稍有分離,同一位置的CU 值差異達2~3 倍,Inline 方向測量值整體偏小,大于10 cm×10 cm射野兩條曲線分離趨勢更明顯,提示存在系統(tǒng)誤差的可能。分析原因可能是:(1)照射野增大時其他散射(如機頭散射)增大,導致更多的測量不確定性;(2)鉛門到位精度存在偏差;(3)X和Y鉛門到EPID板的距離不一致。Miri等[12]報道了6 MV X射線能量模式下aSi-1200 EPID 系統(tǒng)的Crossline 和Inline 輪廓較aSi-1000 EPID 得到了顯著改善,與本研究結果均證明了aSi-1200 EPID背向散射屏蔽層的有效性。
當MLC 不能以最大葉片速度到達預設位置時,加速器會降低劑量率直到MLC 到達預設位置,這種現(xiàn)象在容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強射野傳輸過程中會引起較大的劑量率波動,而PD系統(tǒng)是在穩(wěn)定的劑量率條件下設計和校準的,因此,確認劑量率波動對PD的影響是有必要的,測試表明,不同劑量率下aSi-1200 EPID測量的CU值差異在0.5%以內(nèi),故對結果的有效性影響可忽略。
盡管Octavius 729 矩陣電離室中心間距1 cm,但Verisoft軟件能將測量劑量重建成0.25 cm分辨率的劑量分布,與TPS 劑量計算網(wǎng)格相吻合。對不同的通過率標準,Octavius 729 的γ 通過率相比EPID整體偏低(統(tǒng)計學結果顯示Z和t均為負值),兩兩比較只有3%/3 mm(TH 20%)和2%/2 mm(TH 20%)標準不具有統(tǒng)計學意義,不同閾值沒有明顯規(guī)律。一方面,較低的一致性表明與其他系統(tǒng)相比,一個系統(tǒng)可能對劑量計算和測量過程出現(xiàn)的錯誤有更好的響應。另一方面,臨床中常見使用不同驗證系統(tǒng)得到差異較大的結果,除了劑量計算和測量環(huán)節(jié)存在的系統(tǒng)和隨機誤差,還可能是:(1)不同商用劑量驗證系統(tǒng)使用的軟件算法存在差異從而給出不同的結果,γ指數(shù)在不同系統(tǒng)中以不同的方式響應[13-15];(2)二維矩陣所使用探測器的類型、尺寸以及相鄰探測器之間的距離是保證其測量精度和分辨率的重要參數(shù),迄今為止,所有空氣電離室矩陣都存在采樣過疏的問題,這會影響γ 指數(shù)的結果。胡悄悄等[16]通過對比Octavius 1500 矩陣和PD 兩種方式在Halcyon 加速器的劑量驗證結果,表明相同評價條件下,2D γ通過率和驗證精度與探測器空間分辨率正相關。對于Octavius 1500 驗證方式,由于矩陣分辨率不高,可能因驗證精度不夠而導致較低的通過率,PD的高分辨率提高了驗證精度,有助于2D γ通過率的提高。Hussein等[13]研究表明,當去除由于探測器分辨率不夠造成的劑量傳遞波動和欠采樣效應時,各種商用軟件在計算全局方式下γ 通過率時,即使是2%/2 mm 的標準也能很好地一致。另一方面,考慮到評估結果的可靠性和準確性不僅與探測器有關,也與評估軟件的數(shù)據(jù)處理方法有關,可使用相同的第三方軟件對兩種探測器的測量結果進行處理,以消除特定于軟件的γ計算的影響,有利于比較探測器本身的誤差。
PTW Octavius 系統(tǒng)新的軟件具備進行患者解剖結構驗證的可行性,使用前需提供目標加速器的百分深度劑量,通過將電離室測量劑量重建的DVH 與TPS 結果比較評估偏差。廠家技術手冊揭示患者體內(nèi)DVH 重建結果的不確定性源于算法的誤差和測量不準確性,OARs越均勻,重建的DVH準確性越高,其誤差估計在±(2%~6%),且通過使用具有更高空間分辨率的探測器可提高系統(tǒng)的精度[17]。Octavius 729受限于探頭數(shù)目和物理分辨率導致靶區(qū)和OARs劑量重建更多的不確定性,使用Octavius 1500矩陣重建了另外5例通過率較低的計劃,對比發(fā)現(xiàn),靶區(qū)和OARs部分劑量指標偏差降低,但也導致某些指標更大的差異。目前國內(nèi)外對于此系統(tǒng)重建DVH 的報道很少,其重建結果需要更多的臨床研究去補充并與其他廠家的DVH重建結果對比。
Eclipse 計劃系統(tǒng)臨床使用前根據(jù)廠商要求需對TF 和DLG 這兩個參數(shù)進行測量,并根據(jù)QA 結果微調(diào),通過補償MLC 葉片圓形末端的透射和舌槽效應得到最優(yōu)DLG 值,以保證TPS 計算與加速器實際執(zhí)行的劑量分布盡可能一致。醫(yī)學物理學家通常使用不同的設備和方法對這兩個參數(shù)進行測量,DLG 的測量結果受電離室尺寸影響較大,這項工作可幫助物理師更好地理解這兩個參數(shù)如何影響計劃劑量的準確性,以及參數(shù)之間的相互作用[18]。盡管難以控制影響γ 結果的所有可能因素,然而γ分析方法作為一種定量比較工具廣泛應用于臨床,本研究使用此評估方法探究兩種探測器對MLC 模型參數(shù)變化的響應是否存在差異。任選一計劃,調(diào)整計劃系統(tǒng)MLC配置中6 MV FFF能量的TF 和DLG 值重新計算劑量后建立驗證計劃,與原始計劃測量結果進行劑量分布對比得到新的通過率,與基準γ 值比較發(fā)現(xiàn):隨著TF和DLG偏差幅度的增大,兩種軟件計算的γ值并未如預期呈現(xiàn)降低的趨勢。許多研究質(zhì)疑γ 方法是否能夠捕捉計劃或設備錯誤,源于γ指數(shù)分析的響應和局限性取決于測量設備、算法和通過率標準[13,19-20]。Kruse等[21]報道γ 分析對不準確的TPS劑量計算不敏感,Nelms 等[22]發(fā)現(xiàn)γ 通過率和引入的半影、MLC模型中TF的誤差之間沒有相關性。在這種情況下建議不僅只依靠γ 指數(shù)評估引入的誤差,還需審查計劃的劑量學指標變化。Koger 等[23]的研究表明,Eclipse TPS模型中MLC的DLG微小變化會導致IMRT和VMAT計劃計算劑量的巨大變化,但這些變化很難通過臨床標準的計劃驗證方式(如ArcCheck)來識別,只有使用IROC-H體模進行驗證才能檢測到TPS 建模錯誤。其他重要證據(jù)也表明,常規(guī)的劑量驗證設備未能檢測出TPS 錯誤[21,24-25]。本文結果支持并補充了文獻中的證據(jù),表明常規(guī)調(diào)強計劃劑量驗證工具無法可靠地識別引入誤差的MLC 射束模型,這些結果可能在一定程度上解釋了IROC-H 體模試驗高失敗率的報道。下一步工作將其與射束模型參數(shù)變化引起的治療計劃劑量偏差聯(lián)系起來,對比DVH 評估和γ 分析對檢測引入的TPS 模型參數(shù)誤差的敏感性是否存在差異。值得注意的是,所有TF和DLG值下得到的Octavius 729冠狀面的平面通過率低于模體內(nèi)的數(shù)值,可能由于在被測平面上下都沒有參考劑量,因此導致2D γ 通過率結果較差。
雖然FFF模式具有高劑量率的特點,但在常規(guī)分割旋轉(zhuǎn)調(diào)強放療中,分次劑量僅為2~3 Gy,若使用全弧照射或照射弧的角度范圍較大,受限于C系列加速器機架旋轉(zhuǎn)速度(最大6(°)/s),即使用FFF模式,射束也無法持續(xù)以高劑量率輸出,只能達到與FF 模式相似的效果甚至不及,對深部腫瘤如直腸癌,F(xiàn)FF高劑量率的優(yōu)勢無法得到發(fā)揮[26]。因此,本研究建議對于乳腺癌等表淺或偏向一側靶區(qū)盡可能使用FFF能量多部分弧照射,且注意選擇段弧射野角度范圍應盡量小,這樣在機架旋轉(zhuǎn)速度為5~6(°)/s時,射束仍能保持FFF模式的高劑量率輸出。
目前發(fā)現(xiàn)這項工作還存在如下局限性:在3%/2 mm 標準下使用γ 指數(shù)通過率方法測試兩種軟件提供適當γ 評估的能力,使用的3%劑量差異和2 mm的位置誤差標準雖然符合臨床應用規(guī)范,但探查模型誤差似乎有些寬松,有可能導致一些潛在的誤差被遺漏。此外,測量過程存在不同的隨機與系統(tǒng)誤差,這些誤差完全不同于TPS 優(yōu)化與計算過程可能出現(xiàn)的誤差,因此進行無誤差和引入誤差TPS劑量對比似乎更合理,以消除不同探測器本身和測量過程的誤差。
建議結合所使用QA設備的特點和局限性及軟件計算方式來理解評估劑量驗證結果,研究開發(fā)第三方軟件對多種探測器的測量結果進行處理,以消除不同軟件使用不同采樣和插值算法對γ 指數(shù)值計算的影響;Octavius 729和aSi-1200 EPID所使用軟件計算的γ 指數(shù)通過率無法可靠地識別引入誤差的MLC 射束模型,擴展了QA 局限性的發(fā)現(xiàn),為解釋IROC-H體模試驗高失敗率提供了參考。此外,提出了一種測試EPID 探測板背散射屏蔽層效果的方法,并證明了瓦里安EDGE和Halcyon加速器aSi-1200 EPID背散射屏蔽層效果的有效性。
致謝 感謝中山大學腫瘤防治中心鄧小武教授為本研究提供的思路支持和Varian公司的公共服務平臺Varian helpdesk 提供的臨床與技術支持!