射野大小對全腦調(diào)強放療計劃EPID驗證結(jié)果的影響

張瑾，聶鑫，熊祎

1.武漢大學中南醫(yī)院藥學部，湖北武漢430071；2.華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬協(xié)和醫(yī)院腫瘤中心，湖北武漢430022；3.武漢大學物理科學與技術(shù)學院，湖北武漢430072

前言

為了在放射治療射野驗證中實現(xiàn)無膠片化，Andrews 等［1］于1958年設(shè)計了第一個可用于MV 級X 射線的射野驗證系統(tǒng)，即電子射野影像系統(tǒng)（Electronic Portal Imaging Device,EPID）的前身。20世紀80年代，研究者將固體探測器和液體探測器陸續(xù)添加進EPID 的設(shè)計中，使其通過熒光顯像系統(tǒng)獲得MV級傳輸圖像的能力逐漸增強，隨后成功應(yīng)用于放射治療的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制之中［2-3］。經(jīng)過多年的發(fā)展，EPID已經(jīng)成為集圖像引導、設(shè)備質(zhì)控和劑量驗證于一體的多功能驗證系統(tǒng)，并在近年開始應(yīng)用于實時圖像和劑量引導放療的研究［4-5］。全腦放療通常用于預(yù)防和治療腦轉(zhuǎn)移腫瘤，早期采用兩野對穿照射，近年來為了減少副反應(yīng)，通常對全腦放療采用調(diào)強放療（IMRT）和容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放療（VMAT）技術(shù)。本研究使用Varian aS1000 型EPID 對67例患者的VMAT 或IMRT 計劃進行劑量分布的γ（3 mm/3%）通過率測試，研究分析射野大小對驗證結(jié)果的影響，并以此對計劃設(shè)計和驗證方式給出合理的建議，以期能對全腦放療的精確設(shè)計和質(zhì)控提供參考。

1 資料與方法

本研究采用Varian 公司Eclipse13.6 版本計劃系統(tǒng)為67例患者設(shè)計全腦放療計劃。由于VMAT技術(shù)較普通IMRT 技術(shù)計劃適形性更好，治療時間更短，因此研究者為59例患者設(shè)計了VMAT 計劃，平均2～3 射野，全弧照射；余下8例患者，由于特殊要求而設(shè)計IMRT計劃，均為7射野，360°平均分布。計劃設(shè)計完成并通過醫(yī)生確認后，研究者設(shè)計了驗證計劃。為了方便測量并排除重力的干擾因素，對于VMAT計劃，研究者將準直器歸0進行計劃驗證；對于IMRT計劃，研究者將機架和準直器均歸0 進行計劃驗證。隨后在Varian Trilogy 加速器上執(zhí)行，利用加速器自帶的AS1000 型EPID 記錄后通過Varian portal dosimetry 軟件對結(jié)果逐野按γ（3 mm/3%）標準進行驗證。統(tǒng)計驗證結(jié)果，對于結(jié)果較差的計劃尋找問題后，改用Sunnuclear公司Arccheck模體進行劑量驗證或修改驗證計劃后重新用EPID 進行測量，最終保證所有病人計劃均達到驗證標準。

2 測試結(jié)果

2.1 全腦VMAT計劃驗證結(jié)果

59例VMAT 計劃共158 個射野逐野按γ（3 mm/3%）標準測試，統(tǒng)計X 方向射野大小和γ（3 mm/3%）通過率的關(guān)系，結(jié)果如圖1所示。

圖1 X方向射野大小與γ（3 mm/3%）通過率的對應(yīng)關(guān)系（VMAT計劃）Fig.1 Correspondence between X-direction field size and γ(3 mm/3%)passing rate(VMAT plans)

按照圖1中的平均通過率標準線（Average Line）和需要采取調(diào)整措施的最低標準線（Action Line）并以X 方向射野大小15 cm 為分界線，可以得到各射野達標率的分布（圖2）。

圖2 射野達標率對比圖（VMAT計劃）Fig.2 Comparison of passing rates for different field sizes(VMAT plans)

對通過率低于最低標準線的射野對應(yīng)的計劃，本研究改用Arccheck 模體進行劑量驗證，發(fā)現(xiàn)γ（3 mm/3%）通過率均大于98%，說明計劃的劑量分布無較大問題。隨后研究者重新設(shè)計計劃將射野X 方向全部設(shè)置在15 cm 以下，完成計劃后在EPID 上進行驗證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相較于原射野，修改后的射野γ（3 mm/3%）通過率提升較大，見表1。

2.2 全腦IMAT計劃驗證結(jié)果

8例IMRT 計劃共56 個射野逐野按γ（3 mm/3%）標準測試，隨后又重新設(shè)計分野的驗證計劃，所有X方向大于等于15 cm 的射野均會自動分成兩個子野進行驗證，統(tǒng)計所有驗證射野X 方向射野大小和γ（3 mm/3%）通過率的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

按照圖3中的平均通過率標準線（Average Line）和需要采取調(diào)整措施的最低標準線（Action Line）并以X 方向射野大小15 cm 為分界線，可以得到各射野達標率的分布，如圖4所示。

表1 部分患者采用不同方法驗證γ（3 mm/3%）通過率Tab.1 γ(3 mm/3%)passing rates of some patients using different verification methods

圖3 X方向射野大小與γ（3 mm/3%）通過率的對應(yīng)關(guān)系（IMRT計劃）Fig.3 Correspondence between X-direction field size and γ(3 mm/3%)passing rate(IMRT plans)

利用Portal Dosimetry 軟件工具欄中的Leaf Motion Overlay 模塊可以模擬加速器鉛門和多葉準直器（MLC）實際治療時的運動軌跡。圖5分別展示了兩個X 大于等于15 cm 射野的γ（3 mm/3%）數(shù)值分布圖和葉片運動軌跡圖，以此可以細致分析這兩個射野γ 不通過點的位置和通過率較低的原因（由于驗證計劃時加速器機頭準直器旋轉(zhuǎn)了90°，因此MLC運動方向也旋轉(zhuǎn)了90°）。

圖4 射野達標率分布圖（IMRT計劃）Fig.4 Comparison of passing rates for different field sizes(IMRT plans)

3 分析與討論

經(jīng)過多年的發(fā)展，EPID 在放療計劃劑量驗證方面已頗為成熟。目前常用的EPID是固體探測器非晶硅a-Si系統(tǒng)，如Elekta iViewGT 和Varian a-Si Portal Vision AS500/AS1000，其具有性能穩(wěn)定、使用方便、采集效率高、劑量響應(yīng)好、抗輻射性能強以及圖像分辨率高等諸多優(yōu)點，已經(jīng)成為放療計劃質(zhì)量保證的重要工具之一［6-7］。EPID 二維劑量測試是一種常見的治療前計劃劑量驗證方法，EPID 探測板直接接收計劃中各射野的非透射劑量中間不通過患者或模體，測量后將探測板得到的實際劑量分布和治療計劃系統(tǒng)計算的理論劑量分布進行對比，實現(xiàn)快速有效的劑量驗證［8］。黎旦等［9］通過實驗對比發(fā)現(xiàn)，對于當前普遍實行的IMRT，EPID得到的驗證結(jié)果同傳統(tǒng)的膠片、電離室、二維矩陣等得到的驗證結(jié)果具有較好的一致性。Woodruff 等［10］發(fā)現(xiàn)基于有效模型計算連續(xù)的角度增量的方法可用于EPID 驗證VMAT，快速而精準，與膠片結(jié)果一致性很高，且由于探測板在機架旋轉(zhuǎn)過程中一直垂直于射束，角度依賴性問題可以被很好地避免。李麗琴等［11］從劑量響應(yīng)、成像滯后和偽影、能量依賴性、建成效應(yīng)、可見光增強和機架角響應(yīng)等方面詳細分析了EPID 的劑量學特性，強調(diào)EPID 劑量校準的重要性。Gustafsson 等［12］指出EPID中不同的材料層對射線具有不同的吸收劑量響應(yīng)功能，材料自身結(jié)構(gòu)或性能的變化會對圖像和劑量的測量帶來很大影響。全腦放療作為一種治療和預(yù)防腦轉(zhuǎn)移瘤的方法很早就被用于臨床治療領(lǐng)域。Abe 等［13］發(fā)現(xiàn)局部原發(fā)腦腫瘤未進行全腦照射不影響整體療效但會提升腫瘤復發(fā)的幾率。Aoyama等［14］同樣發(fā)現(xiàn)對于有一個或多個腦轉(zhuǎn)移瘤的乳腺癌患者，治療時采取全腦放療會使6個月內(nèi)腦部腫瘤復發(fā)的概率降低22%～30%。全腦放療對于腦部多發(fā)性腫瘤患者以及不適合局部放療的腦腫瘤患者也是重要的治療手段之一。由于全腦放療是一種治療靶區(qū)較大但計劃設(shè)計較為簡單，可重復性高的放療手段，因此其劑量分布的理論值同實際值的差異理應(yīng)較小，但通過EPID檢驗卻發(fā)現(xiàn)不少射野的通過率偏低。本研究采用統(tǒng)計和對比分析的方法，尋找出現(xiàn)上述問題的原因，并給出建議的解決方法。

圖5 兩個X≥15 cm射野的γ（3 mm/3%）數(shù)值分布圖和葉片運動示意圖Fig.5 Digital distributions of γ(3 mm/3%)passing rates and MLC motion diagrams of two fields with X≥15 cm

研究者首先對59例全腦患者的VMAT 計劃158個射野按γ（3 mm/3%）標準進行了EPID 驗證。統(tǒng)計測試結(jié)果的平均值和標準差，將平均值設(shè)置為Average Line，平均值減標準差的值設(shè)置為Action Line。由于加速器MLC 的運行方向為X 軸，因此X軸方向的鉛門大小可能會影響MLC的調(diào)節(jié)能力。研究者隨后統(tǒng)計了所有測試射野X方向的大小，并將其與γ 分析的結(jié)果繪制成散點圖。可以看到，大部分測試結(jié)果在Action Line以上，多數(shù)未達標結(jié)果的射野X方向較大；如果在X 為15 cm 處設(shè)置一條分界線，則可以看到所有未達標的射野X方向均大于等于15 cm。圖2展示出以X 等于15 cm 為界，兩類射野通過率高于Average Line 和Action Line 的比例，可以看到射野X 方向小于15 cm 的測試結(jié)果明顯較好。研究者對以此分類的測試結(jié)果進行了獨立樣本t檢驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)t=-3.828，P＜0.05，結(jié)果具有統(tǒng)計學意義。隨后研究者將測試結(jié)果低于Action Line 的16 個測試野單列，它們分屬12位患者的測試計劃。對這些測試計劃采取兩種方式重新驗證：（1）改用Arccheck 模體重新驗證原計劃；（2）重新設(shè)計計劃，將未通過EPID 測試的射野X 方向大小改至15 cm 以下，完成計劃后重新進行EPID 驗證。所得結(jié)果如表1所示，Arccheck 測試結(jié)果顯示原計劃通過率較高，計劃本身應(yīng)無問題；重測的EPID 結(jié)果顯示，調(diào)小射野X 方向大小確實能提升EPID 驗證結(jié)果的通過率。由此研究者認為，EPID自身對X 方向大于15 cm 的射野可能存在響應(yīng)偏差，從而導致γ 分析的結(jié)果降低，但計劃實際的劑量分布同理論值的偏差不大。

本研究同樣按γ（3 mm/3%）標準分析了8例全腦IMRT 患者的射野通過率，這些射野的X 方向大小多數(shù)大于15 cm，設(shè)計EPID 驗證計劃時可以采用原射野驗證或者分野驗證的方法進行測量。研究者按此兩種方法進行驗證后結(jié)果如圖3所示。從Average Line 和Action Line 來看X 方向小于15 cm 的射野通過率明顯高于X 方向大于等于15 cm 的射野。從圖4的射野達標率可以更清晰地看到X 小于15 cm 的射野達標率較高。細致分析所有X 大于等于15 cm 的射野發(fā)現(xiàn)，這些射野實際治療時均包含兩個大的子野，如圖5b、c、e、f 所示，這4 圖中黃色方框所包含的區(qū)域即是每個子野鉛門所形成的射野大小，治療時先出束1 個子野的劑量，隨后鉛門移動到第2 個子野位置出束第2 部分劑量。從圖中可以看到兩個子野的Y方向鉛門大小一樣，但X方向鉛門位置有一部分重疊，將這兩個子野的射野邊緣分別勾畫對應(yīng)到圖5a 和d 的γ 分布圖上可以看到，紅色代表γ≥1 的不通過區(qū)域幾乎全部位于兩個子野鉛門重疊的區(qū)域。圖5中僅以兩個射野的γ 分布圖為例，實際所有X 大于等于15 cm 的射野不通過區(qū)域均有類似情況，而所有X 小于15 cm 的射野由于不會分為兩個子野，因此不會出現(xiàn)類似情況，從圖3可以看出其γ 通過率較高。細致分析發(fā)現(xiàn)，X 大于等于15 cm 的射野其子野重疊部分的劑量相對較低，在EPID 上進行劑量疊加后測量，可能導致劑量過響應(yīng)的情況出現(xiàn)，從而導致γ 通過率降低，而采用分野劑量驗證則可以規(guī)避這種影響。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)EPID 作為一種常見的劑量驗證工具，在方便快捷的同時，也具有一定的局限性，尤其針對全腦放療這類靶區(qū)較大的計劃射野進行劑量驗證時需要注意以下幾點：（1）對于全腦VMAT 計劃，推薦將X 方向射野大小控制在15 cm 以下，此時MLC 的調(diào)節(jié)能力更強，且EPID 驗證的結(jié)果通過率更高；（2）對于全腦IMRT 計劃，由于其X 方向射野大小普遍大于15 cm，這些射野均包含兩個X 小于15 cm 的子野，設(shè)計EPID 驗證計劃時推薦采用分野驗證，可以避免由于EPID 探測器過響應(yīng)導致γ 通過率偏低的情況出現(xiàn)。