王美嬌，姚凱寧，杜乙，蒲亦晨，蔣璠，弓健，吳昊，岳海振

北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院暨北京市腫瘤防治研究所 放療科/惡性腫瘤發(fā)病機(jī)制及轉(zhuǎn)化研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100142

引言

加拿大高質(zhì)量放射治療伙伴關(guān)系（Canadian Partnership for Quality Radiotherapy，CPQR）是指參與加拿大放射治療的國家專業(yè)組織聯(lián)盟，具體包括：加拿大放射腫瘤學(xué)協(xié)會(huì)、加拿大醫(yī)學(xué)物理學(xué)家組織（Canadian Organization of Medical Physicists，COMP）和加拿大醫(yī)學(xué)放射技術(shù)師協(xié)會(huì)。其中COMP與CPQR密切合作，為放射治療設(shè)備制定了一系列技術(shù)質(zhì)量控制指南，這些指南概述了設(shè)備應(yīng)達(dá)到的性能目標(biāo)，以確保輻射治療質(zhì)量達(dá)到可接受的水平。

COMP報(bào)告是基于Dunscombe等[1]之前的研究工作和van Dyk等[2]發(fā)布的文件進(jìn)行歸納總結(jié)而來，具體方案的參數(shù)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)可參考加拿大輻射治療中心技術(shù)質(zhì)量控制指南[3]。COMP報(bào)告內(nèi)容包含外照射治療計(jì)劃系統(tǒng)（Treatment Planning System，TPS）的詳細(xì)參數(shù)目標(biāo)和安全標(biāo)準(zhǔn)，側(cè)重于現(xiàn)代TPS的基本功能，旨在以質(zhì)量控制測試的形式提供指南及其相關(guān)的性能標(biāo)準(zhǔn)。

放射治療計(jì)劃系統(tǒng)是癌癥患者進(jìn)行放射治療的核心環(huán)節(jié)，包括CT圖像采集、靶區(qū)體積的定義、照射技術(shù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化、治療計(jì)劃的評(píng)估以及實(shí)施，TPS驗(yàn)收工作對(duì)于治療計(jì)劃方案的優(yōu)化和輻射劑量的投遞精度至關(guān)重要。美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)家協(xié)會(huì)TG 53號(hào)報(bào)告[4]制定了三維TPS驗(yàn)收方法以及臨床使用過程中的質(zhì)量保證方法。荷蘭輻射劑量測定委員會(huì)報(bào)告[5]制定了TPS外照射光子束和電子束質(zhì)量保證的實(shí)用指南，對(duì)TG 53號(hào)報(bào)告進(jìn)行了補(bǔ)充。此外，其他研究者發(fā)表的報(bào)告[6-11]為TPS的驗(yàn)收測試提供了一個(gè)通用的框架；我國在2010年發(fā)布了YY/T 0798-2010《放射治療計(jì)劃系統(tǒng)質(zhì)量保證指南》（以下簡稱質(zhì)控指南）[12]。雖然目前關(guān)于TPS驗(yàn)收的報(bào)告已較多，但早期驗(yàn)收?qǐng)?bào)告內(nèi)容較多，項(xiàng)目繁雜，無法立即獲取實(shí)用信息，因此不適用于精確放療；最新報(bào)告內(nèi)容又過于精簡，且基本只介紹了操作項(xiàng)目，缺少具體的實(shí)際操作部分。

本文在COMP相關(guān)報(bào)告的基礎(chǔ)上，以美國Varian公司Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)（V15.6）驗(yàn)收測試工作為例，對(duì)關(guān)鍵驗(yàn)收項(xiàng)目和具體實(shí)施過程進(jìn)行了梳理和分析，旨在為相關(guān)驗(yàn)收工作提供全面可行的參考。

1 材料與方法

1.1 CT數(shù)據(jù)采集和功能性驗(yàn)收

1.1.1 CT相對(duì)電子密度

電子密度曲線用于CT圖像灰度值（Household Unit，HU）到相對(duì)電子密度（Relative Electrical Density，RED）的轉(zhuǎn)換，以便在輻射劑量計(jì)算時(shí)對(duì)組織不均勻性進(jìn)行校正。ICRU 44號(hào)報(bào)告[13]和ICRU 46號(hào)報(bào)告[14]提出組織成分的變化對(duì)輻射劑量計(jì)算結(jié)果的影響較大。目前常用的電子密度模體為QRM-EDP（德國）[15]、美國Gammex（美國）[15]和CIRS 062M（美國）[16]。

本中心采用Somtom Sensation Open 40排大孔徑CT定位機(jī)（西門子，德國）及Gammex_1467型頭部和體部一體式模體。將模體擺放于CT床上并用激光燈進(jìn)行定位，選擇3種不同的掃描模式進(jìn)行頭部、胸部和盆部的掃描，重建層厚設(shè)置為1.5 mm。在掃描得到的圖像上，對(duì)每個(gè)插件的中間位置取相同范圍的幾個(gè)像素的平均HU值作為該插件對(duì)應(yīng)組織的HU值，電子密度模體的示意圖如圖1所示。

圖1 電子密度模體（a）和對(duì)應(yīng)的CT圖像（b）示意圖

1.1.2 圖像幾何方面

主要包括成像參數(shù)（如像素大小、掃描層厚、CT數(shù)字標(biāo)尺和圖像部分容積效應(yīng)等）、圖像偽影和失真[11]等。

1.1.3 CT數(shù)據(jù)傳輸方面

主要包括圖像的幾何位置和方向（左右和頭腳方向）、所有文本信息、傳輸數(shù)據(jù)是否丟失、輪廓坐標(biāo)及顯示尺寸等。將不同厚度的固體水組成的水模體進(jìn)行CT掃描并上傳至TPS，并將水模體顯示的輪廓尺寸與實(shí)際尺寸進(jìn)行比較。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測量、導(dǎo)入與建模驗(yàn)收

1.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建模參數(shù)

本研究采用TrueBeam型號(hào)醫(yī)用加速器四檔兆伏級(jí)光子束能量實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，包括均整和非均整模式（Flattening Filter Free，F(xiàn)FF）下的6 MV、10 MV在不同照射野條件下的百分深度劑量（Percentage Depth Dose，PDD）、射野離軸比（Field Off Axis Ratio，OAR）和輸出因子（Output Factor，OF）等數(shù)據(jù)，具體測量過程及數(shù)據(jù)分析參考相關(guān)文獻(xiàn)[17-18]。將測量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)劃系統(tǒng)中進(jìn)行建模和驗(yàn)證。

1.2.2 輻射束建模參數(shù)

根據(jù)IEC 61217[19]建議，輻射束參數(shù)主要包括機(jī)器型號(hào)/能量、機(jī)架角度、準(zhǔn)直器角度、治療床角度、多葉準(zhǔn)直器（Multi-Leaf Collimator，MLC）型號(hào)和患者方向坐標(biāo)顯示一致性。此外，還包括各參數(shù)限值、照射技術(shù)、楔形方向、電子線限光筒、第三方托盤、射束坐標(biāo)正確性和坐標(biāo)值等。

MLC參數(shù)是輻射束建模的主要組成部分，主要包括葉片型號(hào)、葉片運(yùn)動(dòng)速度、非對(duì)稱射野限值、MLC的透射和漏射、端面漏射（Dosimetric Leaf Gap，DLG）等。其中MLC的透射和漏射與DLG建模參數(shù)可以通過測量得到[20-21]；同時(shí)可以檢查MLC在TPS形成的葉片位置與加速器實(shí)際位置的一致性，TrueBeam型號(hào)加速器MLC建模參數(shù)測量值如表1所示。

表1 實(shí)測MLC建模參數(shù)數(shù)據(jù)值

1.2.3 劑量計(jì)算模型精度驗(yàn)證

劑量計(jì)算模型精度的驗(yàn)證重點(diǎn)是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)驗(yàn)證、劑量計(jì)算算法本身精度的評(píng)價(jià)等，其中算法本身精度和可靠性的驗(yàn)證，已由相關(guān)的文獻(xiàn)[22]報(bào)道，本研究利用Acuros XB算法進(jìn)行劑量計(jì)算。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)驗(yàn)證方法是在TPS中生成一個(gè)虛擬三維水模體（50 cm × 50 cm × 50 cm），添加機(jī)架角度和小機(jī)頭角度均設(shè)置為0°的照射野進(jìn)行垂直照射，分別形成與測量數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的照射野尺寸合集，并獲取相應(yīng)深度處的OAR數(shù)據(jù)，與測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到兩者之間的偏差。本研究僅展示標(biāo)準(zhǔn)照射野（10 cm×10 cm）的PDD和3個(gè)深度處的OAR的對(duì)比結(jié)果。OF的驗(yàn)證，包括1 cm×1 cm、1 cm×5 cm、5 cm×1 cm、5 cm×5 cm、8 cm×10 cm、10 cm×10 cm、10 cm×15 cm、15 cm×15 cm、20 cm×15 cm和30 cm×30 cm等多個(gè)方形野或矩形野的對(duì)比結(jié)果。

1.2.4 計(jì)劃評(píng)估驗(yàn)收

計(jì)劃評(píng)估用于顯示計(jì)算測量劑量分布的一致性，包括劑量點(diǎn)顯示、點(diǎn)坐標(biāo)位置顯示、劑量插值、射束顯示（位置和照射野大小、方向、劑量分布）和劑量體積直方圖（感興趣的體積區(qū)域、體素劑量插值、劑量體積直方圖計(jì)算等）。

1.2.5 其他項(xiàng)目驗(yàn)收

包括治療計(jì)劃數(shù)據(jù)導(dǎo)出（能否匿名化）、計(jì)劃方案審核和確認(rèn)、打印等基本功能的可用性。

1.3 臨床計(jì)劃實(shí)施和計(jì)劃驗(yàn)證

1.3.1 臨床計(jì)劃實(shí)施驗(yàn)收

在實(shí)施臨床計(jì)劃方案之前，需要檢查數(shù)據(jù)的傳輸和回傳記錄數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。傳輸數(shù)據(jù)包括患者信息、坐標(biāo)系和治療參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)能否正確傳輸?shù)郊铀倨髦委煻?，保證患者的治療信息準(zhǔn)確無誤；回傳數(shù)據(jù)包括照射野信息、時(shí)間、治療次數(shù)、機(jī)載影像圖像和機(jī)載影像位置偏移等。

1.3.2 臨床計(jì)劃驗(yàn)證

本研究選取14個(gè)病例進(jìn)行臨床計(jì)劃驗(yàn)證，其中頭部4例、胸部5例、腹部盆腔5例，采用二維矩陣和機(jī)載電子射野影像系統(tǒng)（Electronic Portal Imaging Device，EPID）2種質(zhì)控設(shè)備進(jìn)行治療計(jì)劃方案的二維劑量驗(yàn)證，其中二維矩陣驗(yàn)證采用PTW OCTAVIUS 1500矩陣結(jié)合Octagonal模體（Oct1500）。計(jì)劃驗(yàn)證以測量結(jié)果為參考，采用為γ 2 D分析方法，并以3 mm的位置誤差和3%的劑量偏差作為評(píng)價(jià)策略，對(duì)TPS的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)和驗(yàn)證。

1.3.3 安全性測試驗(yàn)收

TPS主要由計(jì)算機(jī)硬軟件系統(tǒng)、服務(wù)器和外圍設(shè)備組成，用以監(jiān)控磁盤空間、用戶帳戶、內(nèi)存和其他資源，安全性測試也是TPS驗(yàn)收測試和質(zhì)控的一部分。

安全性測試內(nèi)容包括TPS和患者數(shù)據(jù)定期備份，具體包括日檢（對(duì)所有新的或更改的文件進(jìn)行增量備份）、周檢（備份所有與治療計(jì)劃相關(guān)的文件）、月檢（備份整個(gè)系統(tǒng)，包括系統(tǒng)軟件、TPS軟件、射束數(shù)據(jù)文件、治療計(jì)劃文件）、系統(tǒng)維護(hù)（系統(tǒng)硬件和軟件、相關(guān)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和其他類型的計(jì)算機(jī)間通信）、安全性（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全，硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)和束流數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)安全）和版本兼容性/可用性（新版本的更新、質(zhì)量保證測試需求、試運(yùn)行）。

2 結(jié)果

參照COMP報(bào)告和國內(nèi)質(zhì)控指南，Eclips15.6計(jì)劃系統(tǒng)對(duì)相關(guān)的CT圖像采集和傳輸系統(tǒng)，計(jì)劃評(píng)價(jià)和數(shù)據(jù)傳輸/回傳記錄等系統(tǒng)可靠性和安全性等項(xiàng)目的驗(yàn)證，均穩(wěn)定可靠，不再贅述，研究僅對(duì)驗(yàn)收工作中較關(guān)鍵的驗(yàn)收項(xiàng)目結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 定位CT圖像驗(yàn)收

圖2為Gammex電子密度模體在頭部、胸部和盆部3種掃描模式下的CT圖像HU值到RED的轉(zhuǎn)換曲線。在臨床實(shí)際應(yīng)用過程中，將3種不同的CT圖像RED轉(zhuǎn)換曲線導(dǎo)入Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)中建模，可針對(duì)掃描部位的不同選擇相對(duì)應(yīng)的RED轉(zhuǎn)換曲線分別進(jìn)行劑量計(jì)算，以保證治療計(jì)劃劑量計(jì)算的精度和準(zhǔn)確性，電子密度誤差在0.02以內(nèi)（基準(zhǔn)值：0.02）[11]。

圖2 Gammex模體在3種掃描模式下的CT圖像的HU值到RED轉(zhuǎn)換曲線

CT圖像幾何尺寸TPS中水模體的輪廓尺寸與模體實(shí)際尺寸如圖3所示，偏差在±1 mm以內(nèi)（標(biāo)準(zhǔn)值：2 mm）。

圖3 Eclipse治療計(jì)劃系統(tǒng)水模體輪廓顯示尺寸

2.2 劑量計(jì)算模型驗(yàn)證

以6 MV輻射能量為例，標(biāo)準(zhǔn)輻射野10 cm×10 cm的PDD和OAR的測量結(jié)果與TPS模擬計(jì)算偏差如圖4所示。其中，OAR分別為水下5 cm和10 cm深度處的數(shù)據(jù)，均在最大劑量深度處進(jìn)行歸一化處理。采用γ 1D（Local Dose方法，劑量誤差＜3%，位置誤差＜3 mm）進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示PDD曲線最大偏差在水下280～300 mm，OAR曲線最大偏差在半影區(qū)，結(jié)果均＜2%（標(biāo)準(zhǔn)值≤±2%）[22]。

圖4 TPS計(jì)算與實(shí)測數(shù)據(jù)PDD（a）和OAR（b）的比較

以6 MV能量為例，射野輸出因子的驗(yàn)收結(jié)果如表2所示，其中偏差的計(jì)算方式為：偏差=（OFTPS- OF測量）/OF測量×100%。結(jié)果顯示，1 cm×1 cm的OF偏差最大（標(biāo)準(zhǔn)值≤±2%），其余射野均小于1%（標(biāo)準(zhǔn)值≤±1%）[22]，原因是小尺寸輻射野測量精度對(duì)測量設(shè)備和方法依賴度較高。

表2 TPS計(jì)算與實(shí)測輸出因子對(duì)比

2.3 臨床計(jì)劃驗(yàn)證

對(duì)于治療計(jì)劃方案驗(yàn)證，分別采用PTW二維矩陣和EPID兩種設(shè)備對(duì)14個(gè)病例進(jìn)行驗(yàn)證，在評(píng)價(jià)策略不同的情況下，評(píng)價(jià)結(jié)果略有差異，見圖5。其中采用3 mm位置偏差和3%劑量偏差的條件下，2種設(shè)備的γ通過率均大于95%，滿足臨床要求。結(jié)果顯示不同評(píng)價(jià)策略對(duì)同一驗(yàn)證設(shè)備的驗(yàn)證結(jié)果影響較大，建議在計(jì)劃系統(tǒng)驗(yàn)收時(shí)選擇相對(duì)較嚴(yán)格的評(píng)價(jià)策略，對(duì)于驗(yàn)證放療流程的整體可靠性有幫助。

圖5 二維矩陣（a）和EPID驗(yàn)證（b）不同評(píng)估策略下14個(gè)射野的通過率

3 討論

Moyed 等[23]認(rèn)為用于計(jì)算模型擬合的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、算法局限性、治療計(jì)劃過程中的錯(cuò)誤或輸出數(shù)據(jù)的不當(dāng)使用可能會(huì)對(duì)患者構(gòu)成安全隱患。因此，在治療計(jì)劃系統(tǒng)驗(yàn)收時(shí)，確保與其精度和安全性相關(guān)的各個(gè)組成部分的可靠性，如貫穿整個(gè)放射治療過程的坐標(biāo)系設(shè)置、模擬輻射束的方向和射野形狀、治療射束的劑量分布、CT圖像的HU值到RED轉(zhuǎn)換和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性等關(guān)鍵項(xiàng)目。執(zhí)行治療計(jì)劃后需要檢查數(shù)據(jù)的回傳信息，當(dāng)TPS和加速器的廠家不匹配時(shí)，數(shù)據(jù)的回傳等也需要重點(diǎn)關(guān)注。

研究表明，不正確的CT圖像的RED轉(zhuǎn)換曲線會(huì)導(dǎo)致照射劑量偏差3%以上[24-26]，因此由CT 圖像的RED轉(zhuǎn)換曲線引入的劑量誤差不可忽略。在3種掃描模式下采集的CT值具有一定差異（圖2），需要在計(jì)劃系統(tǒng)里根據(jù)情況予以區(qū)分并合理選擇。低原子序數(shù)材料CT值變化較小，對(duì)劑量計(jì)算和組織不均勻性的校正影響較小，而高原子序數(shù)材料CT值變化較大。在CT數(shù)據(jù)掃描前應(yīng)對(duì)CT定位機(jī)進(jìn)行驗(yàn)收，以保證圖像質(zhì)量、CT床和激光燈的精度等；在CT維修后需對(duì)CT 圖像的RED轉(zhuǎn)換曲線進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保劑量計(jì)算精度。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性是保證TPS劑量計(jì)算精確的重要部分。本研究中PDD和OAR的γ分析顯示，在半影區(qū)的通過率較低，所以在測量半影區(qū)時(shí)，需要采用駐留點(diǎn)時(shí)間長、測量時(shí)間長、步長小的原則，且根據(jù)輻射野尺寸和需要測量的數(shù)據(jù)類型，選擇較為合適的測量工具。不同廠家的加速器和MLC型號(hào)均不同，應(yīng)在加速器上進(jìn)行透漏射測量，并導(dǎo)入到TPS中進(jìn)行建模。對(duì)于不同的TPS和能量，透漏射在0.5% ～ 4%之間變化，且能量越低，泄漏量越小[21]。

4 結(jié)論

瓦里安Eclipse放射治療計(jì)劃系統(tǒng)在經(jīng)過嚴(yán)格的安裝和調(diào)試后，其驗(yàn)收結(jié)果在精確性和安全性等方面均符合國家標(biāo)準(zhǔn)并滿足臨床應(yīng)用要求，該研究可為本領(lǐng)域TPS驗(yàn)收工作提供參考。