Octavius?-4D系統中校準功能在腫瘤放療劑量驗證中的應用*

段隆焱 祁偉祥 陳 毅 沈文同

上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院放射治療科,上海市 200025

在放射治療過程當中，由于治療計劃和照射技術的復雜性，病人治療計劃的驗證是十分重要的環節，而且更多采用間接驗證方式[1-2]。治療計劃驗證方式也在逐步演變，從傳統的2D劑量驗證過渡到3D、4D時代。與傳統的2D平面劑量驗證相比，3D劑量驗證具有明顯的優勢，是目前治療計劃驗證的主要方式[3-4]。在眾多的3D劑量驗證系統之中，Octavius?-4D系統操作相對簡便，無須在機頭上外掛探測器固定裝置，通過角度傳感器即可實現探測器與機架同步運動，而且提供了多種劑量評估方式，在臨床當中得到了廣泛應用[5-6]。很多研究者開展了Octavius?-4D的臨床劑量學研究：Patrizia Urso等對Octavius?-4D應用于調強放射治療(IMRT)和弧形調制放射治療(VMAT)計劃驗證進行了系統研究，Conor K等進一步比較了其在FF和FFF兩種模式下的劑量特性[6]，T Aland等研究了Octavius?-4D在瓦里安Halcyon加速器的病人計劃驗證[7]，Bin Yang等借助Octavius?-4D系統開發了一種可用于呼吸門控的VMAT計劃驗證裝置[8]。馬曉春等也對Octavius?-4D應用于旋轉調強三維劑量驗證進行了研究[9]。在眾多的Octavius?-4D研究當中，絕大部分研究者關注于各種評估方法和工具在應用領域的研究，對驗證系統提供的工具缺乏全面了解，其中位置校準功能是其中一個前置功能，位置校準對驗證結果影響的研究報道相對較少。Octavius?-4D使用包括：校準(劑量校準、方向性校準)、探測器預熱、劑量測量、結果評估等環節。在結果分析階段，需調用TPS系統原始劑量位置等信息，以便測量數據與計劃數據之間空間位置進行校準，從而獲得更準確的劑量位置信息[10]。本文主要關注系統提供的位置校準功能，通過回顧性分析三臺加速器上的208例病人3D劑量信息，探討位置校準功能如何影響驗證結果，具體包括：不同病種、不同加速器、不同評估標準，應用校準功能對驗證結果的影響，進而探討可否尋找到三維方向上移動的臨界閾值，從而為Octavius?-4D系統的臨床劑量驗證提供參考。

1 資料和方法

1.1 病例資料 參考AAPM119號報告對IMRT(調強放射治療)計劃驗證的建議要求[11]，回顧性分析208例在我院進行調強放射治療病人的治療計劃驗證數據，其中頭頸部腫瘤37例，盆腔腫瘤57例，乳腺部位腫瘤86例，胸部腫瘤28例。依據解剖部位、治療加速器類型將治療病例信息見表1。

表1 病例信息分類匯總表

1.2 加速器和計劃系統 本研究選擇3臺Varian直線加速器(Varian Medical Systems, Palo Alto, CA)：Edge、Truebeam和Triligy。三臺加速器治療頭均配置60對MLC葉片，Edge機器40對中心葉片寬度0.25cm，20對兩端葉片寬度為0.5cm，Truebeam所有葉片寬度均0.5cm，Triligy葉片寬度1cm，葉片最大運動速度均為2.5cm/s等。計劃系統采用Eclipse15.6版本，計算網格0.25cm，優化算法PO，劑量計算采用各向異性解析計算算法(AAA; Varian Eclipse v. 15.6)。

1.3 Octavius?-4D劑量驗證系統 Octavius?-4D劑量驗證系統包括：729矩陣(729個空氣電離室組成，尺寸0.5cm×0.5cm×0.5cm，電離室等間距分布，矩陣大小27cm×27cm，相鄰電離室中心距離1cm)、旋轉模體(直徑32cm，長34.2cm)、控制器、傾角儀和Verisoft7.1劑量分析軟件等，角度旋轉范圍360°，探測器矩陣通過角度傳感器實時獲取角度信息，與加速器機架同步旋轉，探測器平面與射束始終保持垂直[12]。

1.4 數據采集、驗證及評估方法 驗證前先用CT預掃的模體，將原治療計劃移植到模體，生成驗證計劃。然后根據系統程序將Octavius?-4D驗證系統各個部件連接好，并進行600MU以上的預照射[3，12],以QA模式調取驗證計劃進行測量數據的采集。利用Verisoft 7.1軟件對測量數據進行驗證，采用兩種歸一模式：Max dose和Local dose。評估標準：3%/3mm標準下的3Dγ 評估。計劃評估前根據計劃原始DICOM圖像信息，調取原始驗證計劃，比較應用位置校準功能前后對不同部位腫瘤，不同加速器以及不同3Dγ評估模式下的劑量差異。

2 結果

2.1 校準前后總體3Dγ指數分析結果 如表2所示，基于Max dose標準，校準前總體通過率(Max30)94.53±3.31，校準后總體通過率為(Max31)94.93±3.31；基于Local dose標準，校準前總體通過率(Local30)83.98±7.80，校準后總體通過率(Local31)85.44±6.16，應用校準功能以后，通過率均得到提高，同時基于Max dose標準通過率明顯高于基于Local dose標準。且校準前后數據，兩個標準有一致性即校準前均高于校準后。基于Shapiro-Wilk(SW)檢驗方法，整體數據均符合正態分布(W>0.9,P<0.01)。見表2。

表2 校準前后3Dγ 指數分析結果

2.2 校準前后不同部位3Dγ指數分析結果 按照不同部位對校準前與校準后統計(見表2)，結果發現：校準前，基于Max dose標準，通過率最高的是盆腔部位腫瘤，最差的是乳腺腫瘤，基于Local dose標準，頭頸部位腫瘤最高，乳腺腫瘤最差，且Local dose標準更明顯，他們順序為頭頸部>盆腔>胸部>乳腺。校準后，兩個標準最高的均為盆腔部位，最低的前者是頭頸部，后者為乳腺。

2.3 校準前后不同加速器 3Dγ指數分析結果 基于Max dose, Local dose標準，按照不同加速器類型分別進行統計，如表3所示。校準前，基于Max dose標準，通過率順序：Triligy>Edge>Truebeam，基于Local dose標準，通過率順序:Truebeam>Edge>Triligy。校準以后，基于Max dose標準，通過率順序不變，基于Local dose標準，通過率順序:Truebeam>Triligy>Edge。且校準以后通過率均得到了提升。

表3 校準前后總體3Dγ 指數分析匯總表

2.4 應用ROC曲線，尋找不同方向上移動的Cutoff值 根據AAPM關于調強放射治療計劃驗證通過率建議，基于Max dose標準，將計劃≥95%作為通過的判斷標準，1表示計劃通過，0表示計劃未通過。應用MedCalc統計軟件，將Max31作為終點事件，Shift0(模體左右方向),Shift1(模體頭腳方向),Shift2(模體上下方向)三個方向作為觀察參數利用ROC曲線分析方法尋找Cutoff值。Shift0方向(圖1a)，Cutoff為0.39，95%置信區間：(0.618，0.748)，P=0.000 1,判斷標準：>0.39為通過；Shift1方向(圖1b)，Cutoff值為-0.66，95%置信區間：(0.553,0.688)，P=0.002 0，判斷標準：≤-0.66表示通過。Shift2未找到有意義的Cutoff值。如果將Max30作為終點事件，判斷標準同上，筆者發現Shift0,Shift1兩個方向均未找到有意義的Cutoff值，只有Shift2方向有意義(圖1c)， Cutoff值為-0.21，95%置信區間：(0.545，0.681)，P=0.003 4。

3 討論

計劃驗證過程中，由于操作者擺位誤差、模體自身運動誤差等原因，模體實際位置與計劃設計位置總會有一定的差異，Octavius?-4D提供的位置校準功能一定意義上修正了上述差異。根據校準前后總體3Dγ 指數分析結果，總體通過率校準后明顯高于校準前，并且應用Max dose模式明顯優于Local dose模式。結果說明應用校準功能能夠改善總體通過率，也側面反映出模體擺位不夠準確，或者運動中具有一定的誤差。校準前后不同部位分析結果：校準前通過率最高的部位是頭頸部位腫瘤，最低的是乳腺腫瘤。校準以后結果變為通過率最高的部位是盆腔部位腫瘤，最低的是頭頸部位腫瘤(Max dose標準)，或者乳腺腫瘤(Local dose標準)。這個結果也符合臨床特征，因為頭頸部腫瘤位置特殊，靶區周圍結構復雜，不均勻組織比較多，對于劑量驗證來說，這需要足夠的精確性。乳腺部位腫瘤也有一定的特殊性，其邊緣內側與肺部大面積靠近，外側又靠近皮膚和空氣，對位置精度有更高的要求。

不同加速器通過率比較，應用校準功能后，校準前通過率高的加速器，校準后通過率也比較高，基本上與校準前一致。應用Max dose標準，通過率最高的是Triligy加速器，最低的是Truebeam加速器。此結果也說明應用Max dose標準，對于加速器精確性要求不是太高，因為Triligy加速器MLC葉片間距最大，相對來說最不精確。但是對于應用Local dose標準，卻基本上是相反的，Truebeam加速器最高，Triligy加速器相對低。這個現象也說明，Local dose標準對于精確性有更高的要求。

應用ROC曲線，尋找不同方向上移動的Cutoff閾值，筆者發現：如果以Max dose標準，應用校準功能以后得出的通過率數據作為終點事件(Max31)，在模體左右方向上，移動距離>0.39cm有意義，校準后移動>0.39cm，驗證基本通過；在模體頭腳方向，移動距離≤0.66cm有意義，校準后移動<0.66cm，驗證基本通過；而在模體上下方向并未尋找到上述規律。假如以校準前通過率數據作為終點事件(Max30)，在模體三維運動方向上，只有模體上下方向，移動≤-0.21cm有意義，移動≤-0.22cm，驗證基本通過。以上Cutoff閾值規律的發現，也為我們應用Octavius?-4D開展病人劑量驗證帶來幫助。

放療病人劑量驗證中，誤差來源是多方面的，有建模誤差、病人運動誤差、擺位誤差等，而且目前臨床工作中，更多的病人驗證還是采用間接驗證方法[13-14]。對于間接驗證過程，物理師對所采用驗證工具的精確性就應該十分了解。本研究通過大量病人的回顧性分析，盡可能多的關注位置校準精確性問題。通過回顧性分析發現：應用Octavius?-4D系統中位置校準功能開展病人劑量驗證，通過采用不同評估標準，比較不同精度的加速器以及不同部位的腫瘤計劃通過率，分析三維方向移動閾值規律，利于對其位置校準功能的應用領域有更全面的了解。應用Octavius?-4D系統中位置校準功能時，要關注評估標準，機器類型以及移動閾值等因素，辨證分析驗證結果。當然，誤差來源是多樣的，本研究也有局限性，在未來的計劃中，筆者將盡可能排除其他干擾項，更精準分類研究。總而言之，此功能能夠一定意義上修正誤差，提高計劃通過率，給計劃驗證帶來了方便，具有一定的臨床意義。