Compass 系統(tǒng)與EBT3 膠片的驗證計劃通過率

宋孟孟

復旦大學附屬中山醫(yī)院廈門醫(yī)院 （福建廈門 361006）

隨著調(diào)強放射治療技術(shù)的發(fā)展和臨床對放射治療計劃要求的提高，計劃的復雜性相應地增加。與此同時，放射治療計劃驗證系統(tǒng)也從最早的點劑量驗證和面劑量驗證發(fā)展為如今的三維劑量驗證。在二維劑量驗證中，Matrixx和Map Check電離室矩陣使用率高，但是探頭間距大，空間分辨力較差。膠片作為常用的質(zhì)控工具，由于高感光度和較高的組織等效性，使其對放射線低光譜非常敏感，具有很好的圖像分辨力。其中，GAFCHROMIC EBT3免沖洗膠片由于無需化學處理過程和嚴格避光，因此常被用于臨床質(zhì)控，并可被用于二維計劃驗證[1]。Compass系統(tǒng)是一種基于測量的通量圖在患者CT圖像上重建三維劑量分布，反映患者三維解剖結(jié)構(gòu)上劑量分布的劑量驗證系統(tǒng)。以往Compass系統(tǒng)使用帶托架和角度傳感器的Matrixx完成對直線加速器劑量的測量。為了提高圖像分辨力和方便測量，最新推出了新的測量工具——Dolphin，其探頭直徑為3.2 mm，靈敏體積為0.016 cm3，可直接插在直線加速器機頭上，跟隨機頭旋轉(zhuǎn)，測量文件被傳輸?shù)紺ompass系統(tǒng)的軟件部分，重新參與劑量重建和計算，得到CT圖像三維結(jié)構(gòu)的劑量分布和Gamma通過率。由于文件格式不同，以往多借助不同驗證工具按照各自的測量方法分別得到Gamma通過率。本研究將Dolphin測量結(jié)果導入Compass系統(tǒng)軟件，經(jīng)過Compass系統(tǒng)算法重建，得到Compass_2D文件；將EBT3膠片插入固體水模體中，在直線加速器上執(zhí)行治療計劃系統(tǒng)（treatment planning system，TPS）計劃，經(jīng)膠片掃描儀掃描后，得到EBT3_2D文件；將TPS計劃復制到固體水模體中，可得到TPS_2D文件；在RIT113軟件中對Compass_2D、EBT3_2D、TPS_2D文件進行兩兩比較，進而得到Compass_2D VS TPS_2D、EBT3_2D VS TPS_2D和Compass_2D VS EBT3_2D的Gamma通過率。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2020年4月至2021年2月于復旦大學附屬中山醫(yī)院廈門醫(yī)院接受放射治療的8例不同腫瘤類型患者，包括小細胞肺癌、前列腺癌、下咽癌、肝癌、乳腺癌、膠質(zhì)母細胞瘤、食管中段癌、鼻咽癌，其中男7例，女1例；年齡49～76歲，中位年齡58歲。本研究經(jīng)醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會批準；所有患者均無放射治療禁忌證，且已簽署研究知情同意書。

1.2 設(shè)備

1.2.1 治療計劃系統(tǒng)和直線加速器

本研究應用Monaco5.11治療計劃系統(tǒng)和醫(yī)科達Elekta大型直線加速器，其中由飛利浦大孔徑CT掃描獲得的CT圖像會傳輸?shù)組onaco5.11治療計劃系統(tǒng)，由住院醫(yī)師勾畫危及器官和腫瘤靶區(qū)，并經(jīng)主任醫(yī)師審核后，由物理師按照處方要求制定放射治療計劃，計劃審核后，在醫(yī)科達Elekta大型直線加速器Versa HD上執(zhí)行，多葉準直器（multi-leaf collimator，MLC）寬度為0.5 mm，最大射野為40 cm×40 cm。

1.2.2 Compass 驗證系統(tǒng)

Compass 驗證系統(tǒng)（IBA 比利時）是一種基于患者三維解剖結(jié)構(gòu)圖像進行體內(nèi)劑量重建的計劃驗證系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含軟件系統(tǒng)與測量系統(tǒng)兩部分[2]。（1）軟件系統(tǒng)：借助三維水箱采集直線加速器不同深度部位的劑量分布、Profile 曲線，結(jié)合其他參數(shù)，使用卷積迭代（collapsed cone）計算方法，構(gòu)建獨立于TPS 的劑量模型，將TPS 導入Compass 驗證系統(tǒng)進行計算，從而得出三維劑量驗證結(jié)果，該方法不經(jīng)過直線加速器的測量，可直接進行劑量計算，并且對TPS 計算結(jié)果進行獨立驗證。（2）測量系統(tǒng)：由直接插在直線加速器機頭的電離室探測器陣列（被命名為Dolphin）組成，Dolphin 包含1 513個電離室探測器，靈敏體積為0.016 cm3，測量面積為28 cm×28 cm，中間由間隔5 mm 的電離室組成14 cm×14 cm 的探測區(qū)域，外圍探測器間距10 mm；Dolphin 只需要在初始時做好角度修正，無需連接角度探測器，可跟隨機架旋轉(zhuǎn)測量，在無線網(wǎng)絡中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步測量和傳輸，將采集的數(shù)據(jù)文件導入Compass 軟件系統(tǒng)進行劑量計算，即可得到患者驗證計劃在直線加速器上采集數(shù)據(jù)的驗證結(jié)果，即重建劑量（其可以在治療計劃中心所在的冠狀位層面導出，格式為DICOM），TPS計劃的CT、RT Plan、RT Dose文件被傳輸?shù)紺ompass系統(tǒng)，與導入的測量文件進行Gamma（3%/3 mm）分析，即可得到所有三維解剖結(jié)構(gòu)的通過率。

1.2.3 膠片與掃描儀

本研究將EBT3膠片與Epson Expression 1680 Pro 掃描儀結(jié)合使用，可提供多種功能系統(tǒng)及二維的高精度劑量信息，能夠在涉及劑量分布驗證的質(zhì)量保證程序中給出準確的結(jié)果。對于EBT3膠片，應遵循以下準則：將膠片存放在恒定大氣條件下的不透光信封中，曝光照射至少4 h 后再進行掃描，以最大限度地確保可重復性；且相關(guān)人員應戴手套處理膠片，避免機械性牽拉；此外，在使用時，應將膠片放至固體水模體中[3]。對于Epson Expression 1680 Pro 掃描儀，應滿足以下使用條件：預熱30 min，應將EBT3膠片放置在掃描儀中間，膠片的長邊與掃描儀長邊平行，且膠片邊緣距離掃描起始線至少保持3 cm，盡量避免掃描儀噪聲和掃描儀燈的影響[4]。

1.3 二維劑量文件的獲取方式

固體水模體的厚度為7 cm，長和寬均為30 cm，在使用時應水平放置。具體使用分為兩部分：（1）將經(jīng)過CT 掃描后得到的圖像導入TPS，以Z 軸方向2 cm 厚度的層面為冠狀面，將該層面中心點作為計劃中心，將8例不同腫瘤類型患者的放射治療計劃復制在固體水模體上，經(jīng)過計算得到固體水驗證計劃，再將中心點冠狀層面的劑量文件導出得到TPS_2D；（2）將固體水模體放置在直線加速器下方的治療床上，且保證和CT 掃描時的擺位保持一致，再將EBT3膠片插入固體水模體的中心點所在層面，然后開始執(zhí)行放射治療計劃，最終生成8張包含患者驗證計劃信息的EBT3膠片，將上述膠片依次放入掃描儀中，按照規(guī)范的操作步驟掃描后生成各自的EBT3_2D 文件，需要注意的是，應使用同一批次的EBT3膠片，并提前獲取灰度-劑量校準曲線，便于將EBT3膠片的灰度值轉(zhuǎn)換為劑量值。

另外，將Dolphin 探測器插入直線加速器治療頭并執(zhí)行放射治療計劃，待取得劑量文件后，將其回傳到Compass 系統(tǒng)，經(jīng)過Compass 系統(tǒng)自身算法的重建計算，最終得到驗證計劃在CT 圖像上的三維劑量分布；將中心點所在冠狀層面導出后，可獲得Compass 系統(tǒng)的二維驗證計劃文件（Compass_2D）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

在RIT113軟件中對TPS_2D、Compass_2D 和EBT3_2D文件分別進行Gamma 分析，以Gamma 值<1的點數(shù)占所有參與點的百分比例計算通過率，若所有計算點的Gamma值≤1，則通過率為100%，若所有計算點的Gamma 值>1，則通過率為0，計算標準為3%/3 mm，閾值為10%，距離一致性（distance-to-agreement，DTA）搜索半徑為10 mm。在計算Compass_2D VS TPS_2D、EBT3_2D VS TPS_2D、Compass_2D VS EBT3_2D 的Gamma 通過率時，前兩者將TPS 圖像作為參考圖像，最后一項Compass_2D 數(shù)據(jù)與EBT3_2D 的比較中，將EBT3作為參考圖像，若通過率<90%，則驗證計劃不通過，需要查找原因，重新制定放射治療計劃，反之計劃通過，可用于臨床治療，其中，通過率>95%表示驗證計劃較好，與參考計劃的差異較小。

2 結(jié)果

8例患者Compass_2D VS TPS_2D、EBT3_2D VS TPS_2D、Compass_2D VS EBT3_2D的Gamma通過率均>90%；在Compass_2D VS TPS_2D的驗證結(jié)果中，僅鼻咽癌的Gamma通過率<95%；在EBT3_2D VS TPS_2D的驗證結(jié)果中，小細胞肺癌和乳腺癌的Gamma通過率均<95%；在Compass_2D VS EBT3_2D的驗證結(jié)果中，小細胞肺癌、乳腺癌和鼻咽癌的Gamma通過率均<95%，見表1。

表1 不同系統(tǒng)間對比的Gamma 通過率（%）

3 討論

Compass 系統(tǒng)和EBT3膠片屬于放射治療計劃驗證中的兩種不同驗證工具。國外關(guān)于Compass 系統(tǒng)已有很多報道[5-7]，但國內(nèi)對Compass 系統(tǒng)的認識仍存在不足，主要原因在于驗證設(shè)備的種類繁多，Compass 系統(tǒng)在國內(nèi)放療科使用的普及率不高，并且Compass 系統(tǒng)需要采集加速器數(shù)據(jù)進行建模，不能直接投入使用。然而EBT3膠片早已被廣泛用于放射治療質(zhì)量保證體系中，EBT3膠片對劑量的響應也比較穩(wěn)定[8]，而且將膠片用于放射治療計劃驗證也已有先例。Casanova 等[9]將EBT3膠片放入固體水模體中執(zhí)行了10個調(diào)強放射治療計劃，然后將EBT3膠片劑量文件與TPS 進行比較，發(fā)現(xiàn)10例驗證計劃的通過率均>90%。雖然EBT3膠片具有分辨力高的特點，但是不同廠家和批次的膠片不能保證完全一致，在使用EBT3膠片前需要獲取新的灰度-劑量校準曲線，而且膠片尺寸小，一次只能用于一例患者且不能重復利用，因此在臨床工作中電離室設(shè)備的應用更為廣泛，關(guān)于Compass 系統(tǒng)能否代替膠片用于放射治療質(zhì)控體系的研究即變得尤為重要。

與其他驗證工具只提供一個Gamma 通過率代表驗證計劃的結(jié)果相比，Compass 系統(tǒng)能夠在CT 圖像上重建放射治療計劃，與TPS 計劃對比后計算出治療區(qū)域所有體素的Gamma 值，最終統(tǒng)計所有靶區(qū)和危及器官的Gamma 通過率[10]，是真正意義上的三維驗證工具。本研究選擇了8例臨床常見的病例，在獲取每例患者的TPS_2D、EBT3_2D 和Compass_2D 劑量文件后，對這3個劑量文件進行兩兩比較，最終得到了相同患者在相同層面的不同驗證結(jié)果，發(fā)現(xiàn)所有計劃的Gamma 通過率均>90%，8例放射治療計劃均可應用于臨床，Compass_2D 與TPS_2D 和EBT3_2D 的驗證計劃結(jié)果一致[11]。

為了驗證Compass系統(tǒng)的準確性，本研究利用Compass系統(tǒng)重建計劃的中心點所在冠狀層面驗證文件，分別與TPS和EBT3膠片在同一層面的劑量文件進行對比，該方法為判斷Compass系統(tǒng)的準確性提供了證明。本研究的對比結(jié)果表明，Compass系統(tǒng)是值得信賴的產(chǎn)品，可以將其作為患者治療計劃驗證的工具，為患者治療計劃能否實施提供標準。本研究關(guān)于Compass系統(tǒng)重建的驗證結(jié)果僅對比了中心點所在的冠狀層面，其他層面和表面劑量的準確性是未來研究的方向。