基于RIT113軟件驗證加速器等中心精度的可行性研究

季茹，王景，汪志，裴曦，吳齊兵

1. 安徽醫科大學 生物醫學工程學院，安徽 合肥 230032；2. 安徽醫科大學第一附屬醫院 放療科，安徽 合肥 230022；3. 中國科學技術大學 放射醫學物理中心，安徽 合肥 230025

引言

隨著科學技術的發展，越來越多的放療技術應用到腫瘤的放射治療中，如三維適形放療、調強放療、圖像引導放療等。這些新技術的應用對直線加速器的精度要求越來越嚴格。根據美國醫學物理師協會發布的TG142報告[1]，對于常規的放療技術，等中心的精度要求在±2 mm內。近年來，體部立體定向放射治療（Stereotactic Body Radiation Therapy，SBRT）技術逐漸發展成熟，目前被廣泛應用于肺[2]、肝[3]、脊髓[4]和前列腺[5]部位的放射治療中。由于SBRT技術單次劑量高的特點，TG142報告要求用于SBRT技術治療的加速器等中心精度在±1 mm內[1]。在放射治療過程中，加速器等中心位置的精度直接影響放射治療劑量傳遞的準確性，若等中心偏差較大，可能會出現靶區漏照射以及鄰近正常組織的高劑量照射[6]，給人體帶來嚴重的放射性損傷。因此，在對患者進行放射治療前，需要對加速器的等中心精度進行嚴格的質量驗證[7]，常采用Winston-Lutz（W-L）實驗對加速器的等中心進行驗證[8]。本研究擬使用電子射野影像裝置（Electronic Portal Image Device，EPID）采集圖像并用RIT113軟件對W-L實驗結果進行分析，以便評估RIT113軟件等中心驗證的準確性及精確度，確保放療的精準進行。

1 材料與方法

1.1 材料

瓦里安VitalBeam加速器及其EPID系統，EPID系統由圖像探測單元、圖像采集系統和專用工作站組成。該EPID采集到的圖像像素為1024×768，像素尺寸為0.39 mm × 0.39 mm，探測板有效面積為40 cm×30 cm。使用Eclipes13.6計劃系統，瓦里安3D Micrometer一端固定在治療床上，另一端通過一根桿子連接一個高密度金屬球（圖1），小球直徑為6 mm，在靠近治療床的一端有3個千分尺，可用來調整金屬球在左右（Lateral，LAT）、前 后（Lengthways，LNG） 和 上 下（Vertical，VRT） 方向上的位置。RIT113分析軟件，該軟件具有Patient QA、Machine QA和MLC QA功能，本研究主要使用Machine QA中3D Winston-Lutz（EPID）模塊。

圖1 瓦里安3D Micrometer

1.2 方法

1.2.1 重復性

射野大小為3 cm×3 cm，機架、機頭以及治療床角度均為0°，分別使用6 MV均整器模式（Flatten Filter，FF）和6 MV無均整器模式（Flatten Filter Free，FFF）X射線，劑量率600 MU/min，機器跳數10 MU，在加速器物理模式下出束，保持小球位置不變，使用EPID采集圖像，重復10次。

1.2.2 準確性

在Eclipse13.6計劃系統設計兩組計劃，A組采用6 MV FF X射線，B組采用6 MV FFF X射線，兩組劑量率均為600 MU/min、射野大小3 cm×3 cm，16個射野角度如表1所示，機器跳數10 MU。首先，將高密度金屬球盡可能地放置在加速器等中心位置，記錄此時3D Micrometer上千分尺的讀數，在加速器物理模式下按射野角度轉動機架、治療床及準直器，并使用EPID采集圖像。然后，在此基礎上分別在LAT、LNG和VRT三個方向上單獨引入誤差，即在一個方向上引入誤差，保持其他兩個方向不動，調整上述一個方向的千分尺，每次移動0.25 mm，移動范圍為-1～1 mm（即-1.00、-0.75、-0.50、-0.25、0.25、0.50、0.75和1.00 mm），金屬球每移動0.25 mm，按計劃射野角度轉動機架、治療床和準直器，并用EPID采集圖像。最后，將采集的圖像導入RIT113軟件并分析結果。

表1 兩組計劃射野角度（°）

1.2.3 機架、治療床和準直器到位精度對結果的影響

另外，在Eclipse13.6計劃系統設計C、D兩組計劃，C組采用6 MV FF X射線，D組采用6 MV FFF X射線。C、D組均含有兩個射野，一個射野機架、治療床和準直器均為0°，另一個射野是機架準直器角度為90°，治療床為0°。兩組劑量率均為600 MU/min、射野大小3 cm×3 cm。當機架、治療床和準直器角度均為0°時，在LAT和LNG方向上分別引入位移；當機架和準直器的角度均為90°，治療床角度為0°時，在VRT方向上引入位移。引入位移方式同實驗A、B，在兩種情況下采集圖像：① 每次移動金屬小球時，將機架、準直器和治療床旋轉90°后再轉回原位，采集EPID圖像；② 每次只改變小球位置，保持機架、準直器和治療床不動，采集EPID圖像。

1.3 統計學分析

應用軟件IBM SPSS 23進行統計學分析，定量參數以±s表示，對符合正態分布的兩組資料行配對t檢驗，對不符合正態分布的兩組資料行Wilcoxon符號秩和檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 重復性

由圖2和圖3可知，6 MV X射線在LAT和LNG方向歸一化后結果分別為0.994±0.031和0.998±0.009，6 MV FFF X射線在LAT和LNG方向上歸一化后結果分別為1.000±0.010 和 1.001±0.014。

圖2 RIT113等中心測試在6 MV FF X射線下的重復性曲線

圖3 RIT113等中心測試在6 MV FFF X射線下的重復性曲線

2.2 準確性

本研究通過在LAT、LNG和VRT方向上分別引入已知位移來評估RIT113軟件識別小球中心相對于輻射中心的位移精度（表2）。RIT113軟件等中心測試在6 MV FF X射線和6 MV FFF X射線下的準確性在LAT和LNG方向上有統計學差異（P＜0.05），在VRT方向上沒有統計學差異（P＞0.05）。

表2 兩種條件下RIT113等中心測試的準確性比較（mm）

2.3 機架、治療床和準直器到位精度對結果的影響

本文在用RIT113軟件對圖像進行分析時，引入的已知位移在圖像分析結果上表現為小球中心與輻射中心在水平和垂直方向上偏差。每次只引入一個方向上的位移，即另外兩個方向上位移理論上應保持不變，若水平方向表示的是引入位移的方向，則垂直方向表示另外兩個方向，反之亦然。為了研究機架、治療床以及準直器到位精度對結果的影響，本文分析C、D兩組計劃在兩種情況下的偏差，結果如表3所示。

表3 機架、準直器和治療床到位精度對RIT113等中心測試準確性的影響

3 討論

用于加速器等中心驗證的方法主要有機械指針、基于膠片的W-L實驗和基于EPID的W-L實驗。傳統的使用機械指針驗證加速器等中心的方法費時費力，結果依賴觀察者，而且指針易損壞、容易錯位，不適合常規使用[9]。基于膠片的W-L實驗同使用機械指針驗證加速器等中心一樣，費時費力，而且結果依賴觀察者[10]。不同物理學家對輻射過的膠片進行反復分析表明，等中心的位置只能以0.3～0.4 mm的精度進行估算[11]。為避免這一誤差的產生，臨床越來越多地使用EPID采集圖像，通過軟件自動分析等中心偏差[12-16]。RIT軟件提供了一種無膠片、全自動化等中心測試方法，可以自動對EPID采集的圖像進行分析[17]，從而避免引入觀察者的主觀誤差，但以往的研究并未考慮RIT軟件在測量過程中可能帶來的誤差。本文通過重復測量及引入已知位移對RIT113軟件等中心測量的重復性和準確性進行驗證[17-18]。

日常對加速器等中心進行檢測時，使用FF模式射線較多，但FFF 模式經常用于SBRT的治療[19]。而Zhang等[20]的研究表明由于均整器和參數設置等的影響，一種能量的等中心可能會偏離另一種能量，不同能量等中心之間存在差異，這就會影響放射治療的準確性。因此，本文驗證了RIT113軟件在兩種不同能量下的重復性和準確性。

本文在保持小球、機架、治療床以及準直器不動的情況下重復采集10張圖片，并使用RIT113軟件分析小球位置變化情況，兩種能量在不同方向上誤差均在0.02 mm內，獲得了很好的一致性。A、B兩組實驗通過引入位移來測試RIT113軟件的準確性，從結果可以看出，該軟件可較好地計算出引入位移，6 MV FF X射線和6 MV FFF X射線平均偏差分別為（0.028±0.013）mm和（0.018±0.013）mm，精度較高。

本文A、B組實驗在某一方向上引入位移時，另外兩個方向應保持不變，但在實驗中發現另外兩個方向上最大偏差達到了0.26 mm。為探究其原因，增加了C、D兩組實驗，發現這可能是機架、治療床及準直器在旋轉過程中的到位精度所致。這是由外部因素導致的誤差，而非軟件自身的原因，但也會影響軟件分析加速器等中心精度的準確性。Tsunda等[21]的研究同樣表明機架、準直器等到位精度會對等中心驗證產生影響。因此，在對加速器等中心進行驗證時，需要確保加速器機架、準直器以及治療床的到位精度。此外，當發現有較大偏差時，需要進行重復采集，以確保軟件分析等中心的準確性。

使用EPID采集圖像對加速器等中心進行驗證，主要受圖像分辨率的影響。Ravindran[22]提出一種基于Matlab的等中心分析算法，其使用兩種不同分辨率的EPID，每種EPID使用兩種不同的能量（6和8 MV及2.5和6 MV）采集圖像，發現該算法對分辨率較高的EPID采集的圖像有更高的精度，不同能量之間結果沒有明顯差異。本文將A、B兩組實驗結果進行配對t檢驗，發現RIT113軟件在6 MV FF和6 MV FFF兩種不同能量X射線下的準確性在LAT和LNG方向上有統計學差異（P＜0.05），在VRT方向上沒有統計學差異（P＞0.05）。

本文通過一系列的實驗驗證了RIT113軟件在兩種不同能量下測試加速器等中心的重復性和準確性，證明了其臨床使用的可行性。但在實驗過程中發現機架、治療床及準直器的到位精度會對加速器等中心測試的準確性帶來影響，這需要在加速器等中心測試過程中采取相應的措施，減少其帶來的誤差。高精度放療時代對加速器等中心的精度要求越來越高，提高加速器等中心分析算法的精度可能是未來發展方向之一。