醫(yī)用加速器光子線射野輸出因子的自動化測量

李金凱，孫新臣，周蘇民，孫向東，馬建新，劉海，吳揚

1.南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 放療科，江蘇 南京 210029；2.內(nèi)布拉斯加大學(xué) 醫(yī)學(xué)中心腫瘤放療科，美國 奧馬哈 NE68198；3.南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬八一醫(yī)院 放療科，江蘇 南京 210002；4.連云港市東方醫(yī)院 放療科，江蘇 連云港 222042

引言

隨著精確放療概念的提出和發(fā)展，目前三維治療計劃系統(tǒng)（Three-Dimensional Treatment Planning System，3D TPS）已成為精確放療的必備工具之一[1-2]。3D TPS的主要功能有勾畫靶區(qū)及正常組織，設(shè)計放療計劃，進行劑量計算、評估、驗證等，它的好壞直接決定了放療計劃劑量分布的優(yōu)劣以及患者治療的準(zhǔn)確性[3-4]。作為一套專用的計算機系統(tǒng)，在臨床正式應(yīng)用之前需要對醫(yī)用加速器的放射源進行建模，采集3D TPS劑量計算算法所需要的各種原始數(shù)據(jù)[5]，這其中包括射野輸出因子（Out Put Factor，OUF）的測量采集[6-7]。

OUF主要用來定量描述模體內(nèi)射線束中心軸上某點吸收劑量與照射野大小之間的關(guān)系，定義為相同測量條件下給定點處任意照射野吸收劑量與參考照射野吸收劑量的比值[8-9]。以美國Varian公司的Eclipse治療計劃系統(tǒng)（Treatment Planning System，TPS）為例，每檔能量的光子合計需要測量81個開放野和261個楔形野的輸出因子，臨床常用加速器通常有2～3檔光子線，這使得數(shù)據(jù)采集工作量大耗時，且人工的重復(fù)操作很容易出現(xiàn)差錯[10-11]。為提高數(shù)據(jù)采集效率，進一步減少或避免差錯的發(fā)生，筆者利用軟件對自動化測量光子線OUF的的可行性進行了研究，現(xiàn)將有關(guān)研究結(jié)果報道如下。

1 材料與設(shè)備

瑞典Elekta Axesse電子直線加速器，三檔光子線能量分別為6、10及15 MV，其Agility機頭利用160片多葉光柵系統(tǒng)替代X方向準(zhǔn)直器，每片葉片在等中心處的投影寬度均為5 mm，開放野最大尺寸為40 cm×40 cm，60°物理楔形板1個，楔形野最大尺寸為40 cm×30 cm。Elekta 放射治療記錄和驗證軟件MosaiQ系統(tǒng)（Version 2.4），為全面的腫瘤放療信息管理系統(tǒng)，用于加速器和治療計劃系統(tǒng)的無縫連接。德國IBA Blue Phantom 2三維水箱系統(tǒng)，采集和分析軟件為OmniPro-Accept (Version 7.6)，電離室探測器取CC13，即靈敏體積為0.13 cm3。美國Sun Nuclear 雙通道PC Electrometer參考級劑量儀，偏置電壓在0～±400 V內(nèi)可調(diào)，其預(yù)熱時間小于1.0 min，收集范圍為2 pC～10 mC，最小分辨率是15 fC，非線性全量程小于±0.1%，測量重復(fù)性全量程小于±0.25%，長期穩(wěn)定性小于±0.5%，漏電漂移小于±0.001 pA，記錄更新頻率為500 ms，支持數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。

2 方法

2.1 測量條件

每檔光子線每個射野大小的OUF測量條件均須保持一致，即相同的源模距（Source-to-Phantom Distance，SPD），測量深度d，劑量率及機器跳數(shù)等。需要指出的是，為了避免劑量建成區(qū)的劑量不準(zhǔn)確性，提高測量精度，測量深度不可以放在最大劑量深度處dmax。本研究選取劑量率300 MU/min，機器跳數(shù)100 MU，6 MV的測量深度取5 cm，≥10 MV的測量深度取10 cm，其中SPD+d=100 cm。

2.2 測量內(nèi)容

理論上講，OUF的測量數(shù)目會影響TPS的計算精度，OUF測量的射野大小數(shù)目越多，計算精度越高。但根據(jù)TPS的數(shù)據(jù)采集要求，測量每個射野大小的OUF是完全沒有必要的，它可以根據(jù)其自帶的配置算法完成自動插值工作。本研究中開放野所測量的射野大小，見表1，楔形野所測量射野大小范圍為3 cm×3 cm～40 cm×30 cm。

2.3 手動測量步驟

將IBA三維水箱在Axesse加速器機頭下擺放調(diào)整好，利用采集和分析軟件使電離室CC13置于預(yù)設(shè)位置，并通過專用電纜線與Sun Nuclear劑量儀相連，做好測量前的準(zhǔn)備工作。手動測量，根據(jù)表1所示的測量順序手動更改加速器射野大小，并依次出束，每次結(jié)束后手動記錄劑量儀示值，復(fù)位后重復(fù)測量直至完成所有測量要求。

2.4 自動測量步驟

三維水箱和測量工具擺位與手動測量相同，將表1所示的測量序列導(dǎo)入MosaiQ系統(tǒng)，用它控制加速器的出束，同步開啟劑量儀的自動測量程序。自動化測量示意圖，見圖1，使加速器出束與數(shù)字化計量儀測量同步，加速器中斷出束期間數(shù)字化劑量儀實現(xiàn)復(fù)位，測量完畢導(dǎo)出測量結(jié)果，即數(shù)字化測量文件。

圖1 自動化測量示意圖

2.5 統(tǒng)計學(xué)分析

根據(jù)公式：

計算OUF，其中FOutput和FOut_wedge分別為開放野和楔形野的OUF；Ropen和Rwedge分別為開放野和楔形野任一射野大小的劑量儀示值； Rref10×10和 Rref_wedge10×10分別為開放野和楔形野10 cm×10 cm參考射野的劑量儀示值。

表1 開放野OUF測量的射野大小（cm2）

對手動測量和自動測量的兩組OUF數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

3 結(jié)果

3.1 OUF測量結(jié)果

Axesse加速器OUF兩種測量方法的具體結(jié)果，見表2。由表2可見，自動測量組和手動測量組結(jié)果基本一致，統(tǒng)計學(xué)分析配對t檢驗，差異無統(tǒng)計學(xué)意義，對6組配對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)r均大于0.95（P＜0.01）。

表2 OUF兩種測量方法的統(tǒng)計學(xué)分析

3.2 加速器測量耗時

手動測量組，開放野三檔能量加速器測量耗時分別為65、64、64 min，楔形野三檔能量耗時均為57 min，三檔能量合計耗時364 min。自動測量組，開放野三檔能量耗時均為35 min，楔形野每檔能量耗時均為30 min，三檔能量合計耗時為195 min。自動測量組較手動測量組節(jié)省時間約169 min，為手動測量組46%的測量時間。

4 討論

隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，只需要將人工測量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入到TPS，便可根據(jù)臨床治療的需要自動計算獲得所需的治療計劃。其中，人工測量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括百分深度劑量（Percentage Depth Dose，PDD），射野離軸比（Off-axis Ratio，OAR）、OUF等，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否，直接影響治療計劃的計算精度[12-13]。

一般情況下，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集工作是在加速器安裝調(diào)試完成之后，正式投入臨床運行之前這個時間段進行[14]。此時間段的加速器面臨醫(yī)院投入產(chǎn)出的經(jīng)濟壓力較大，測量耗時越短意味著加速器可以早一點實現(xiàn)營收，故測量時間非常寶貴。目前，PDD和OAR的采集均通過三維水箱自動完成測量[15]，可實時審核，唯獨OUF的測量方式較原始，為手工記錄的操作方式，容易出現(xiàn)差錯導(dǎo)致返工。本研究通過程序設(shè)計使OUF的數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)了自動化測量，加速器測量耗時較手動測量減少了46%，且自動測量結(jié)果與手動測量結(jié)果一致性非常好，差異無統(tǒng)計學(xué)意義。需要強調(diào)的是OUF的自動化測量可較手動測量進一步降低差錯的發(fā)生概率，并且便于日后出現(xiàn)問題查找到原因，這與Zhou等[16-17]的研究結(jié)果一致。

綜上所述，OUF的自動測量可以在保證數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性的前提下，減少加速器測量耗時，值得臨床推廣，但在臨床具體應(yīng)用時也需要注意劑量儀的測量范圍、測量線性及電離室靈敏體積等問題。

[1] Kim Y,Modrick JM,Pennington EC,et al.Commissioning of a 3D image-based treatment planning system for high-doserate brachytherapy of cervical cancer[J].J Appl Clin Med Phys,2016,17(2):405-426.

[2] Putha SK,Saxena PU,Banerjee S,et al.On-line estimations of delivered radiation doses in three-dimensional conformal radiotherapy treatments of carcinoma uterine cervix patients in linear accelerator[J].J Med Phys,2016,41(4):224-233.

[3] Rankine LJ,Mein S,Cai B,et al.Three-dimensional dosimetric validation of a magnetic resonance guided intensity modulated radiation therapy system[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2017,97(5):1095-1104.

[4] Watanabe Y,Sandhu D,Warmington L,et al.Three-dimensional assessment of the effects of high-density embolization material on the absorbed dose in the target for Gamma Knife radiosurgery of arteriovenous malformations[J].J Neurosurg,2016,125(S1):123-128.

[5] 徐宜武,林益匡.不規(guī)則射野的百分深度劑量計算[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2011,26(2):39-41.

[6] Kron T,Clivio A,Vanetti E,et al.Small field segments surrounded by large areas only shielded by a multileaf collimator:Comparison of eperiments and dose calculation[J].Med Phys,2012,39(12):7480-7489.

[7] 孫新臣,陳德玉.腫瘤放射治療物理學(xué)[M].南京:東南大學(xué)出版社,2014:488.

[8] 葛瑞剛,徐壽平,解傳濱,等.Elekta和Varian醫(yī)用直線加速器束流特性的比較研究[J].中國醫(yī)學(xué)裝備,2016,(7):12-16.

[9] Lebron S,Lu B,Yan G,et al.Parameterization of photon beam dosimetry for a linear accelerator[J].Med Phys,2016,43(2):748-760.

[10] 王驍踴,劉暉,仇樹帥,等.多葉準(zhǔn)直器射野和獨立準(zhǔn)直器射野劑量學(xué)比較[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2013,(12):124-126.

[11] Followwill DS,Kry SF,Qin L,et al.The radiological physics center’s standard dataset for small ?eld size output factors[J].J Appl Clin Med Phys,2012,13(5):282-289.

[12] 胡立宏,施化.射波刀射線數(shù)據(jù)采集[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2012,33(1):117-119.

[13] 岳海振,張藝寶,劉卓倫,等.直線加速器均整和非均整模式下射線質(zhì)和射野輸出因子的蒙特卡羅模擬與實測值比較[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2016,33(6):548-552.

[14] 胡杰,董曉慶,陶建民,等.三維治療計劃系統(tǒng)使用前的臨床劑量學(xué)驗證[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2015,30(3):88-91.

[15] 吳湘陽,張坤,常曉斌,等.三維水箱不同測試條件對數(shù)據(jù)采集結(jié)果的影響和分析[J].現(xiàn)代腫瘤醫(yī)學(xué),2015,(22):3322-3326.

[16] Zhou S,Wu Q,Fan Q,et al.SU-G-BRC-17: Using generalized mean for equivalent square estimation[J].Med Phys,2016,43(6):3630-3631.

[17] Zhou S,Wu Q,Fan Q,et al.SU-G-TeP2-14: Universal function form for photon open field in-water output ratio[J].Med Phys,2016,43(6):3666.