呼吸門控放射治療中時間延遲的測量方法

吳泇俁，嵇衛星，張建英

復旦大學附屬中山醫院 放療科，上海 200030

引言

隨著調強放射治療、立體定向放射治療等技術的發展，放射治療進入了“精準放療”的時代[1]。精準放療可使靶區內劑量更高、分布更均勻，以獲得更大的治療增益比[2]。在放射治療過程中，呼吸運動導致的腫瘤位移會對實際治療劑量的分布造成影響；尤其隨著高劑量率照射技術的廣泛應用，呼吸運動的影響不可忽視[3-6]。研究表明，呼吸運動曲線的峰-峰值為20～30 mm，胸及腹部放療受呼吸運動的影響較明顯[7]。根據AAPM TG-76號報告的建議，對腫瘤運動幅度較大患者的呼吸運動進行管理十分必要[8-9]。臨床上常見的有屏氣技術、呼吸門控技術、動態腫瘤跟蹤技術等呼吸運動管理技術[10-12]。在呼吸門控放射治療中，患者全程自由呼吸[13]，技術人員設置門控窗即每個呼吸周期中進行照射的范圍，在治療中對患者呼吸運動進行監測，反復在門控窗對應的固定時相或振幅范圍內進行照射[14-15]。呼吸運動的監測可使用立體X線成像技術對體內腫瘤標記物進行定位追蹤，也可對體外的標記物進行定位作為體內腫瘤運動的替代[8,16-20]。

如圖1所示，在呼吸門控放射治療中，獲取呼吸信號、產生控制信號、加速器接收且對控制信號響應并打開/關閉射束等環節均可能存在時間延遲；各環節時間延遲的總和被稱為呼吸門控系統時間延遲[21]。若推遲打開射束或提前關閉射束可能導致治療效率低下，若提前打開射束或推遲關閉射束則可能導致“靶區丟失”而增加風險[17]。AAPM TG-142號報告建議年檢中應對呼吸門控系統的時間延遲進行檢測，為保證空間位置的不確定性在±2 mm內，所以在腫瘤以不大于20 mm/s的速度運動時，時間延遲應不大于100 ms[22]。AAPM TG-198號報告對在加速器上執行測量給出建議，利用運動模體模擬運動、通過膠片或電子射野影像裝置（Electronic Portal Imaging Device，EPID）等可測量時間延遲[23]。目前，有不少研究對不同型號的直線加速器以及呼吸門控系統的時間延遲進行測量，為能夠選擇一種快速且準確的測量方式用于呼吸門控系統的日常質控，本文對文獻中時間延遲的測量方法進行了整理總結。

圖1 呼吸門控系統的時間延遲示意圖

1 常用的測量方法

放射治療中常見的商用呼吸門控系統有RPM系統（Real-Time Position Management，Varian Medical Systems，美國）、Catalyst系統（C-RAD AB，瑞典）、SyncTraX系統（Shimadzu，日本）等，與不同型號醫用直線加速器組合用于呼吸門控放療。在對組合系統的時間延遲進行測量時，常用工具有運動模體和膠片、EPID、電離室、示波器等。

1.1 基于空間位移的測量方法

Jin等[24]提出通過比較EPID和呼吸運動監測系統分別記錄的標記物運動曲線在時間上的差獲得時間延遲。測量時，使用6%的門控窗大小，相較于呼吸運動的速度認為EPID采集的為標記物的瞬時位置。在不同門控水平、相同門控窗大小的條件下，測量多組標記物位置和對應時間點的數據，繪制成時間-位移圖像，將其與紅外相機記錄的標記物運動曲線匹配并計算在時間軸上的相對距離可得到系統的時間延遲。

Woods等[21]的方法也使用EPID記錄運動標記物的位置，但計算時間延遲的方法不同，其測量中，將一個靜止狀態位于等中心點的標記物放置在速度可調節的運動模體上，記錄同一門控水平、不同速度下標記物的位置并計算與等中心位置之間的位移。速度-位移曲線可以用公式(1)表示。

其中，y表示位移，v表示速度，τ則表示時間延遲，b是修正項。對記錄數據進行線性擬合，線性方程的斜率即為時間延遲。這種方法通過多次測量不同運動速度下的位移進行擬合，且每一次改變速度時保持門控窗和門控水平相同，能夠提高測量的準確性和可重復性。

Smith等[25]提出了一種測量呼吸運動周期的不同階段膠片曝光長度并與理論運動位移對比計算時間延遲的方法。如圖2所示，將運動周期分為4個部分，即AB、BC、CD、DE。利用呼吸門控使膠片在一個運動周期的4個部分分別曝光。膠片上每一段曝光部分的長度理論上應為運動振幅的一半，因存在時間延遲，實際長度或短或長。在已知運動模體的速度時，通過長度的差值即能夠計算時間延遲。認為A、C和E為較穩定的點，不會隨著時間延遲的變化而移動，而B點和D點為能夠觀測到時間延遲的點，因此由AB段和DE段膠片曝光部分長度與理想長度差異計算出的是關閉射束時的時間延遲，而BC段和CD段對應的是打開射束時的時間延遲。

圖2 呼吸運動曲線的分段示意圖

Chugh等[26]也使用了相同的方法，在測量中對運動周期中的AB段、BC段分別進行了曝光以測量關閉射束和打開射束的時間延遲。Freislederer等[27]也使用類似的方法在50 %門控水平下測量了系統的時間延遲。

Chang等[28]提出了一種使用膠片進行單次曝光即可測量呼吸門控時間延遲的方法。原理如下：運動模體以周期為T的正弦函數運動，呼吸門控設置有固定門控窗，表示為θ1和θ2，其對應的距離L0為理論膠片曝光部分的長度；因時間延遲導致的相對門控窗的偏移可以分別用角度α和β表示，實際開、關射束位置對應的距離為膠片曝光部分的長度Lm。正弦函數在固定周期內有恒定的角速度，則膠片理論曝光長度（L0）與實際長度（Lm）之間的關系與開、關射束的時間延遲Tbeam-on、Tbeam-off可表示為式(2)～(4)。

測量距離時，以膠片曝光部分兩端局部最大強度一半處的兩點之間的距離作為Lm，根據公式(2)～(4)計算時間延遲。使用單次曝光的方法獲得呼吸門控的時間延遲，需假設Tbeam-on和Tbeam-off的值相同（即α=β）；若Tbeam-on和Tbeam-off不相同，可以設置不同的門控窗進行2次或以上的曝光以獲得α和β的值，使用最小二乘法計算時間延遲。

一般情況下，醫用直線加速器射束打開的時間延遲大于射束關閉的時間延遲[29]。除前兩種方法外，以上其余方法均能夠分別測量射束打開、關閉時的延遲；這些方法需測量膠片曝光部分的長度，所以對膠片曝光部分邊緣的清晰度有較高的要求[30]。部分方法在測量時需要使用錐筒保證曝光部分為細長條，錐筒在使用時會存在半影，當與空間測量中一定的不確定性對應的強度變化能夠被檢測到時，測量方法才可行[28]。除半影外，模體運動的速度等因素也可能導致曝光部分邊緣模糊而引起測量誤差。

1.2 基于劑量擬合的測量方法

Chen等[31]提出一種劑量卷積擬合法測量時間延遲的方法，利用最小二乘法評估理論計算的劑量曲線與實際膠片測量的劑量曲線的差異，并且尋找最優解以獲取呼吸門控的時間延遲。實際測量時，在運動模體上放置膠片，采用方形射野在對應門控窗內對膠片進行曝光，使用膠片分析軟件讀取得到實際劑量曲線。理論計算模擬了實際射束使膠片曝光的過程，用公式(5)表示模體的運動曲線。

其中，a為運動曲線最大值和最小值之間的差值，T為運動周期的一半，b為運動曲線的最大值。依據測量得到的靜止狀態下的劑量曲線、呼吸周期的數量以及加速器脈沖信號之間的間隔可以獲得加速器每一個脈沖的劑量曲線f(x)；根據運動曲線和脈沖信號時間間隔可以獲得每一脈沖從加速器出射時所處的位置xn，它可以用公式(6)表示。

其中ton表示射束打開的時間，toff表示射束關閉的時間；結合xn和狄拉克函數δ(x)則得到g(x)，見式（7）。

將g(x)與f(x)進行卷積運算，則可以得到整個呼吸門控照射的劑量曲線。將射束打開和關閉的時間看作變量ton’和toff’，在門控水平對應的時間范圍內以Δt為時間間隔可以獲得多組ton’和toff’；通過最小二乘法尋找它們的最優解就代表了實際的射束打開和關閉的時間，與理論時間相比就可得到射束打開和關閉的時間延遲。

這種基于卷積計量擬合的方式對膠片對比度沒有高要求，不依靠對膠片曝光部分邊緣的識別，相較于使用膠片測量運動距離的方式，其準確性更高[31]。

1.3 基于輻照時間的測量方法

Cui等[32]通過測量實際出束和關閉射束的時間來計算時間延遲。測量中，通過IBA MatriXX 平板探測器對加速器出束進行探測，測量有門控和非門控時開、關射束之間的照射時間。測量完成后，根據公式(8)～(9)計算即可得到結果。

Evans等[33]在對占空比進行測量時采用了與Cui等[32]相似的方法。實際占空比等于實際門控輻照時間與非門控輻照時間的比值，理論占空比等于門控窗對應的輻照時間與呼吸周期的比值。測量時，使用IVC（Single Pulsemeasurement Ionization Chamber）記錄非門控照射時間和門控照射時間，進一步計算即可得到呼吸門控的時間延遲。

Santos等[34]利用相同的原理，使用模體、馬達、單片機、光電二極管等制作了一個運動模體，并且基于Matlab編寫了分析軟件。通過導入RPM系統的*.VXP文件，計算測量的照射時間與門控窗對應理論值的差值，減去自制模體自身帶來的時間延遲即可得到呼吸門控的時間延遲。

上述方法基于對照射時間及非照射時間的監測完成，它們不會區分打開或關閉射束的時間延遲，但相比于使用膠片、EPID的方法，其便捷性有所提升。

1.4 基于系統內部信號的測量方法

Saito等[29]通過比較監測電離室信號與呼吸監測系統測得的呼吸信號來獲取時間延遲。實際測量時，以呼吸監測系統反饋的呼吸信號作為原始參考信號。參考信號、ResponseTM模塊輸出信號和電離室輸出信號都是電壓-時間的函數，通過多通道示波器即可以觀察和分析得到時間延遲。Shiinoki等[35]使用類似方法測量了非均整模式和均整模式下不同射束能量對應的呼吸門控時間延遲。Ryan等[36]通過示波器記錄比較運動模體的信號與加速器金屬靶的電流信號得到時間延遲。

從系統內直接獲得信號的方法能夠輕松觀測到每一階段的時間延遲，便于記錄和分析，除此之外，其準確性也更高。

2 結論

如表1所示，不同的加速器使用相同的呼吸門控系統、相同的加速器使用不同的呼吸門控系統、相同的加速器及呼吸門控系統使用不同的門控水平及門控窗和劑量率模式等情況都會對呼吸門控放射治療中時間延遲造成影響。對于醫用直線加速器，加速器開、關射束的時間延遲是影響呼吸門控系統精準性的主要因素[27]。對放射治療精準化的要求使得呼吸門控在臨床中的應用越來越多。任何門控設備在臨床使用前或使用中均需測試其延遲時間，以評估其系統是否適合用于門控放療；同時，對測量方法的規范也是必不可少的。測量方法的復雜程度、測量的精度以及對工具硬件的要求各不相同，根據臨床需求選擇適合的測量方法可以達到準確且快速測量呼吸門控放療時間延遲的目的。

表1 呼吸門控時間延遲的測量結果