COMPASS系統(tǒng)在頭頸部腫瘤調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃驗(yàn)證中的應(yīng)用

彭瑩瑩，張書旭，張全彬，張國(guó)前，王琳婧

廣州醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院 放療中心，廣東 廣州 510095

引言

隨著調(diào)強(qiáng)適形放療技術(shù)的廣泛應(yīng)用，其質(zhì)量保證和質(zhì)量控制的實(shí)施變得尤為重要，劑量驗(yàn)證是調(diào)強(qiáng)放療用于臨床不可或缺的步驟[1-2]。傳統(tǒng)的點(diǎn)劑量驗(yàn)證和二維平面劑量驗(yàn)證是目前常用的劑量驗(yàn)證方法[3-4]。因調(diào)強(qiáng)適形放療技術(shù)的復(fù)雜性，還需對(duì)其進(jìn)行三維劑量驗(yàn)證，進(jìn)一步提高驗(yàn)證精度。COMPASS三維劑量驗(yàn)證系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)基于測(cè)量的照射野通量在病人CT圖像上重建劑量分布，反映患者三維解剖結(jié)構(gòu)上的真實(shí)受照情況。本文使用COMPASS三維劑量驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)頭頸部腫瘤調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃進(jìn)行劑量驗(yàn)證，探討COMPASS系統(tǒng)在調(diào)強(qiáng)放療劑量驗(yàn)證中的應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 主要設(shè)備

Varian直線加速器，Varian Varis網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，Philips公司的Pinnacle V9.10放射治療計(jì)劃系統(tǒng)，IBA公司的COMPASS三維劑量驗(yàn)證系統(tǒng)（包括用于數(shù)據(jù)采集的帶角度傳感器的Matrixx二維電離室矩陣，固體水和用于劑量計(jì)算和分析的軟件）。

1.2 計(jì)劃設(shè)計(jì)

篩選8例頭頸部腫瘤患者。男5例，女3例，年齡41～68歲，中位年齡54歲。其中鼻咽癌4例，膠質(zhì)瘤2例，上頜竇癌2例。所有入組患者進(jìn)行CT掃描后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至Pinnacle V9.10計(jì)劃系統(tǒng)中，勾畫大體腫瘤靶區(qū)GTV和臨床靶區(qū)CTV，正常組織包括脊髓、腦干、晶體、腮腺。制訂調(diào)強(qiáng)適形放療計(jì)劃，將放療計(jì)劃以Dicom格式分別傳輸至IBA COMPASS系統(tǒng)和Varian Varis網(wǎng)絡(luò)中。

1.3 COMPASS系統(tǒng)進(jìn)行劑量測(cè)量

（1）將Matrixx二維電離室矩陣采用Matrixx專用機(jī)頭固定托架固定在機(jī)架上，加3 cm固體水于Matrixx表面作為劑量建成。

（2）在加速器上固定角度傳感器用于測(cè)量Matrixx得到的每幀通量所對(duì)應(yīng)的加速器機(jī)架角度。

（3）測(cè)量本底，使用6 MV X射線進(jìn)行預(yù)照射后，重新測(cè)量本底。

（4）進(jìn)行幾何位置校準(zhǔn)和絕對(duì)劑量校準(zhǔn)。

（5）采集各個(gè)子野的照射野通量，測(cè)量時(shí)采用“Beam triggered”數(shù)據(jù)采集模式。

1.4 COMPASS軟件分析

在COMPASS軟件系統(tǒng)中的Patient 3D Dosimetry模塊中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。計(jì)劃系統(tǒng)傳輸?shù)挠?jì)劃劑量為計(jì)劃系統(tǒng)劑量，基于測(cè)量的照射野通量在患者CT圖像上重建的劑量分布為重構(gòu)劑量。針對(duì)患者的各感興趣區(qū)域?qū)Ρ扔?jì)劃和實(shí)測(cè)兩者的劑量體積直方圖并進(jìn)行三維Gamma分析。Gamma分析誤差限定條件為3 mm/3%。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。數(shù)值以(±s)表示。

2 結(jié)果

所有8例患者計(jì)劃系統(tǒng)劑量和COMPASS實(shí)測(cè)重構(gòu)劑量?jī)烧咧g的靶區(qū)劑量差異及Gamma通過率，見表1。可以看出大體腫瘤靶區(qū)和臨床靶區(qū)的Gamma通過率平均值均在95%以上。各靶區(qū)的計(jì)劃系統(tǒng)劑量和重構(gòu)劑量在D99、Dmean和D1的差異平均值均＜3%。

表1 計(jì)劃系統(tǒng)和COMPASS實(shí)測(cè)的靶區(qū)劑量差異（±s，%）

表1 計(jì)劃系統(tǒng)和COMPASS實(shí)測(cè)的靶區(qū)劑量差異（±s，%）

?

計(jì)劃系統(tǒng)劑量和重構(gòu)劑量?jī)烧咧g的危及器官劑量差異及Gamma通過率，見表2。可以看出脊髓和腦干的Gamma通過率平均值均在95%以上。脊髓和腦干的劑量差異平均值均＜10%。

表2 計(jì)劃系統(tǒng)和COMPASS實(shí)測(cè)的危及器官劑量差異（±s，%）

表2 計(jì)劃系統(tǒng)和COMPASS實(shí)測(cè)的危及器官劑量差異（±s，%）

危及器官 D99 Dmean D1 γ通過率脊髓 5.1±2.2 4.9±3.1 4.8±3.5 97.1±3.7腦干 6.4±3.7 7.0±4.9 6.5±4.3 95.9±3.2

選取1例患者數(shù)據(jù)進(jìn)行說明，計(jì)劃系統(tǒng)劑量和COMPASS測(cè)量重構(gòu)劑量的劑量分布圖及兩者之間的Gamma分析，見圖1。對(duì)比圖1a和b可以看出計(jì)劃系統(tǒng)和COMPASS實(shí)測(cè)劑量?jī)烧咧g的劑量學(xué)差異較小。該例患者靶區(qū)和危及器官的劑量體積直方圖對(duì)比，見圖2。虛線為計(jì)劃系統(tǒng)劑量，實(shí)線為重構(gòu)劑量。

圖1 計(jì)劃系統(tǒng)和COMPASS實(shí)測(cè)的劑量分布及Gamma分析

圖2 計(jì)劃系統(tǒng)和COMPASS實(shí)測(cè)的劑量體積直方圖

3 討論

相對(duì)于常規(guī)放射治療和三維適形放療技術(shù)，調(diào)強(qiáng)適形放療技術(shù)能達(dá)到提高靶區(qū)劑量的同時(shí)更好的保護(hù)正常組織的效果。調(diào)強(qiáng)適形放療技術(shù)具有靶區(qū)劑量精確，周圍正常組織受照量小，靶區(qū)劑量分布均勻的特點(diǎn)，其應(yīng)用越來越廣泛。調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)治療方式復(fù)雜，治療過程中有很多不確定因素影響，調(diào)強(qiáng)計(jì)劃實(shí)施的劑量是否準(zhǔn)確與最終的治療效果直接相關(guān)。因此，在治療前進(jìn)行劑量驗(yàn)證是必不可少的關(guān)鍵步驟。

目前，調(diào)強(qiáng)放療劑量驗(yàn)證主要采用點(diǎn)劑量驗(yàn)證和二維平面劑量驗(yàn)證兩種方式。使用單個(gè)指形電離室和劑量?jī)x測(cè)量的單點(diǎn)絕對(duì)劑量測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，但獲取的信息較少，不能很好的滿足臨床要求。二維平面劑量分為慢感光膠片和二維電離室矩陣測(cè)量，測(cè)量選定平面的相對(duì)劑量分布。膠片測(cè)量空間分辨率高，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且測(cè)量結(jié)果受其他因素影響較大。二維電離室矩陣測(cè)量簡(jiǎn)便快捷，但Matrixx電離室矩陣兩個(gè)探頭間距為7.6 mm[5-6]，受電離室矩陣排列間距的限制導(dǎo)致空間分辨率低，且僅能看到某一層面的平面劑量分布。因調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)的特點(diǎn)及復(fù)雜性，還需進(jìn)行三維劑量驗(yàn)證以提高驗(yàn)證精度。

COMPASS三維劑量驗(yàn)證系統(tǒng)是一種基于測(cè)量的照射野通量在病人CT圖像上重建三維劑量分布，反映患者三維解剖結(jié)構(gòu)上的真實(shí)受照情況的劑量驗(yàn)證系統(tǒng)。與二維劑量驗(yàn)證相比，其結(jié)合了患者的解剖結(jié)構(gòu)，并采用與臨床治療相同的照射方式進(jìn)行驗(yàn)證，可以得到更豐富的三維劑量分布信息。張秀春等[7]對(duì)比分析了三維水箱測(cè)量和COMPASS系統(tǒng)測(cè)量的百分深度劑量、輸出因子、離軸曲線等數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示出較好的一致性且平均偏差在2.5%以內(nèi)，驗(yàn)證了COMPASS數(shù)據(jù)模型的可靠性。邢曉汾等[8]使用膠片和指形電離室對(duì)COMPASS系統(tǒng)的點(diǎn)劑量和平面劑量分布進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果顯示其劑量精度可滿足調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃驗(yàn)證的要求。這都表明COMPASS系統(tǒng)可以作為可靠的臨床劑量驗(yàn)證工具。

本文結(jié)果顯示，腫瘤靶區(qū)的計(jì)劃劑量和COMPASS實(shí)測(cè)劑量間Gamma通過率平均值均在95%以上。各靶區(qū)的計(jì)劃系統(tǒng)劑量和重構(gòu)劑量在D99、Dmean和D1的差異平均值均＜3%。脊髓和腦干的Gamma通過率平均值均在95%以上。脊髓和腦干的劑量差異平均值均＜10%。COMPASS系統(tǒng)劑量重構(gòu)精度與治療計(jì)劃系統(tǒng)的精度較接近。Boggula等[5]對(duì)5例前列腺病例VMAT計(jì)劃采用COMPASS系統(tǒng)進(jìn)行了三維劑量驗(yàn)證，結(jié)果顯示患者計(jì)劃系統(tǒng)劑量和COMPASS測(cè)量結(jié)果兩者靶區(qū)的D95和Dmean平均差異均小于2%。柏朋剛等[9]使用COMPASS系統(tǒng)驗(yàn)證了8例鼻咽癌容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃，結(jié)果顯示8例患者靶區(qū)計(jì)劃系統(tǒng)劑量和COMPASS測(cè)量結(jié)果的D95平均偏差均小于3%、Dmean均小于1%，靶區(qū)的Gamma通過率均大于95%。褚薛剛等[10]研究了COMPASS系統(tǒng)在8例宮頸癌病例的IMRT計(jì)劃三維劑量學(xué)驗(yàn)證中的應(yīng)用，結(jié)果顯示Gamma通過率都在95%以上，靶區(qū)D95、Dmean、D2偏差均在3%以內(nèi)。邢曉汾等[11]對(duì)12例食管癌病例采用COMPASS系統(tǒng)進(jìn)行了三維劑量驗(yàn)證，結(jié)果顯示COMPASS重建劑量和計(jì)劃劑量有很好的吻合性。這都與本文結(jié)果一致。

COMPASS軟件具有獨(dú)立劑量計(jì)算功能，可根據(jù)探測(cè)器調(diào)試中預(yù)設(shè)的機(jī)器參數(shù)、計(jì)劃系統(tǒng)傳輸?shù)腞T計(jì)劃以及其射野模型進(jìn)行劑量計(jì)算，通過比較計(jì)劃系統(tǒng)劑量和COMPASS直接計(jì)算劑量可以檢測(cè)放療計(jì)劃系統(tǒng)的計(jì)劃計(jì)算精度，可作為第三方驗(yàn)證工具。COMPASS可實(shí)現(xiàn)計(jì)劃系統(tǒng)傳輸劑量、COMPASS基于實(shí)測(cè)進(jìn)行重構(gòu)的劑量以及COMPASS直接計(jì)算劑量三者之間的三維Gamma分析，更進(jìn)一步，具有劑量體積直方圖分析功能。我們將在后續(xù)研究中對(duì)3種劑量進(jìn)行對(duì)比分析。

相對(duì)于傳統(tǒng)的二維劑量驗(yàn)證，三維劑量驗(yàn)證可以提供病人解剖結(jié)構(gòu)上真實(shí)的三維劑量分布，能展示病人腫瘤和正常組織的實(shí)際受照情況。因此COMPASS系統(tǒng)是安全可靠的放療質(zhì)控設(shè)備，可以在病人的三維解剖結(jié)構(gòu)上展示真實(shí)的劑量分布信息。

[參考文獻(xiàn)]

[1] Ezzell GA,Galvin JM,Low D,et al.Guidance document on delivery, treatment planning, and clinical implementation of IMRT: report of the IMRT Subcommittee of the AAPM Radiation Therapy Committee[J].Med Phys,2003,30(8):2089-2115.

[2] Leybovich LB,Sethi A,Dogan N.Comparison of ionization chambers of various volumes for IMRT absolute dose verification[J].Med Phys,2003,30(2):119-123.

[3] Bucciolini M,Bounamici FB,Casati M.Verification of IMRT fields by film dosimetry[J].Med Phys,2004,31(1):161-168.

[4] Poppe B,Blechschmidt A,Kollhoff R,et al.Two-dimensional ionization chamber arrays for IMRT plan verification[J].Med Phys,2006,33:1005-1015.

[5] Boggula R,Jahnke L,Wertz H,et al.Patient-specific 3D pretreatment and potential 3D online dose verification of Monte Carlo calculated IMRT prostate treatment plans[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2011,81(4):1168-1175.

[6] Dobler B,Streck N,Klein E,et al.Hybird plan verification for intensity-modulated radiation therapy (IMRT) using the 2D ionization chamber array I’m RT Matrixx-a feasibility study[J].Phys Med Biol,2010,55(2):N39-N55.

[7] 張秀春,胡彩容,陳開強(qiáng),等.COMPASS驗(yàn)證系統(tǒng)在放射治療中的應(yīng)用研究[J].腫瘤預(yù)防與治療,2012,25(5):273-279.

[8] 邢曉汾,褚薛剛,崔桐,等.調(diào)強(qiáng)放療三維驗(yàn)證系統(tǒng)精度測(cè)試及臨床應(yīng)用研究[J].中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志,2014,34(6):427-430.

[9] 柏朋剛,李奇欣,陳開強(qiáng),等.COMPASS系統(tǒng)在鼻咽癌容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)劑量驗(yàn)證中的應(yīng)用[J].中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志,2012,32(3):304-307.

[10] 褚薛剛,邢曉汾,崔桐,等.CompassR在宮頸癌調(diào)強(qiáng)放療三維劑量驗(yàn)證中的應(yīng)用研究[J].中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志,2015,35(7):548-549.

[11] 邢曉汾,褚薛剛,鄭旭亮,等.Compass?在食管癌IMRT三維劑量驗(yàn)證中應(yīng)用研究[J].中華放射腫瘤學(xué)雜志,2015,24(3):327-330.

[12] 陳旭明,姚升宇,許奕.宮頸癌調(diào)強(qiáng)放療的三維劑量驗(yàn)證[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2017,32(2):74-76.

[13] 林海磊,黃邵敏,鄧小武,等.基于解剖在線測(cè)量調(diào)強(qiáng)放療的三維劑量驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)試與應(yīng)用[J].中華放射腫瘤學(xué)雜志,2012,21(3):271-275.

[14] Boggula R,Lorenz F,Mueller L,et al.Experimental validation of a commercial 3D dose verification system for intensity modulated arc therapy[J].Phys Med Biol,2010,55(19):5619-5633.

[15] Nakaguchi Y,Araki F,Ono T,et al.Validation of a quick threedimensional dose verification system for pre-treatment IMRT QA[J].Radiol Phys Technol,2015,8(1):73-80.

[16] Lin H,Huang S,Deng X,et al.Comparison of 3D anatomical dose verification and 2D phantom dose verification of IMRT/VMAT treatments for nasopharyngeal carcinoma[J].Radiat Oncol,2014,9(1):1-7.