PD與Dolphin驗證系統在乳腺癌調強放療計劃劑量驗證中的應用

李 克 張戰民 邱凌平 闕與清

隨著放療技術和設備的發展,乳腺癌放療計劃的難度和復雜性逐步提升,其計劃執行過程的可靠性受機架旋轉的穩定性、旋轉速度、劑量率穩定性、多葉光柵葉片到位的精度等多因素影響[1-3]。為保證放療計劃能夠可靠執行,治療前的劑量驗證顯得尤為重要,在放療過程中,對患者接受的實際劑量分布與TPS的計劃劑量間的差異進行實時監測并及時修正,從而確保患者實際接受的劑量與計劃系統計算的劑量一致[4-5]。近年來,三維劑量驗證方法逐漸應用于臨床,其中最新的三維劑量驗證設備包括 Dolphin-COMPASS(IBA Dosimetry,德國)[6],Delta4 Discover (ScandiDos,瑞典)[7]和ArcCHECK-3DVH(Sun Nuclear Corporation,美國)[8]等。有較多研究已經證明了Dolphin-COMPASS 系統測量的準確性[9-10],國內也報道了一些 Dolphin-COMPASS 系統用于劑量驗證的工作,但都集中在鼻咽癌和肺癌等部位的三維劑量驗證[11-12],而乳腺癌的三維劑量驗證研究較少。在患者治療之前,結合放射治療加速器的情況,為臨床醫生提供患者詳細的二維和三維γ通過率及各個器官可能受照劑量值,通過配套軟件分析實際照射下的計劃靶區和危及器官的劑量體積直方圖(Dose-volume Histogram,DVH)信息和γ值,驗證直線加速器對放療計劃的執行能力,有助于放射治療計劃的安全執行,具有重要臨床意義。然而,迄今為止,沒有研究報告Dolphin穿透電離室矩陣和非晶硅射野影像系統PD對乳腺癌患者的計劃進行劑量驗證通過率的對比研究,因此,本研究基于現有的三維驗證設備Dolphin-Compass驗證系統和VitalBeam加速器自帶的非晶硅射野影像系統PD,對乳腺癌調強放療計劃進行劑量驗證的通過率進行對比研究,并對驗證結果進行γ和DVH分析。現報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取醫院 2020年5月至2021年12月收治的12例左側乳腺癌調強放療的女性患者,所有患者都采用Klarity全碳纖維多功能體位固定板結合頭頸肩部塑形墊進行固定,靶區與正常器官均由同一放療醫師勾畫,使用兩個半弧的VMAT治療計劃,患者的放射治療次數為25～30次不等,靶區劑量50～60 Gy。

1.2 設備與軟件

采用VitalBeam型直線加速器(美國Varian公司);治療計劃系統采用的是Eclipse 15.5(美國Varian公司)和Pinnacle 9.10(荷蘭Philips公司);驗證設備選用加速器自帶的非晶硅射野影像系統PD和第三方劑量驗證設備Dolphin穿透電離室矩陣加配套的Compass軟件系統(德國IBA公司)。

1.3 劑量驗證方法

PD驗證。先在Eclipse 15.5治療計劃系統上創建PD驗證計劃,再將PD計劃傳輸到加速器,使用加速器自帶的非晶硅射野影像系統PD對驗證計劃進行劑量采集,對驗證計劃與實際測量的吸收劑量進行對比分析,得出整體的γ通過率。

Dolphin驗證。先將包含CT數據、結構、計劃和劑量的Dicom數據包從TPS中導出到Compass驗證系統,使用Compass軟件系統自帶的CCC(collapsed cone convolution)算法進行獨立計算,進行TPS計劃的核查;然后將穿透電離室矩陣Dolphin插入直線加速器治療頭并執行放射治療計劃,將實測數據回傳到Compass系統進行劑量重建計算,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系統的二維驗證計劃文件,最后對文件分別進行γ和DVH分析。

評價標準。差異指標包括γ通過率、靶區和危及器官相關劑量參數。二維劑量驗證:采用γ分析方法,分析的標準為閾值水平(TH)取10%時,劑量偏差在2%、3%以內,位置偏差2 mm、3 mm以內的通過率(γ≤1時,該計算點通過;γ>1時,該點不通過)。三維劑量驗證:靶區參考指標為D1、Dmean和D99,危及器官主要參考指標為D1和Dmean。Compass軟件中的劑量差異值Diff(%)計算公式為:Diff(%)=|(Dcompass-DTPS)/DTPS|×100%。

1.4 統計學處理

應用SPSS 24.0統計軟件對數據進行分析,兩組間差異選擇t檢驗,3組及以上差異選擇方差分析,計數資料進行χ2檢驗,P<0.05認為差異有統計學意義。

2 結果

基于PD實測的劑量圖與TPS計算劑量圖的對比見圖 1;基于Compass計算的劑量圖與TPS計算劑量圖的對比見圖2;基于Dolphin實測的劑量圖與TPS計算劑量圖的對比見圖3。

圖2 Compass計算的劑量圖與TPS計算劑量圖的對比

2.1 二維γ通過率的比較

12例乳腺癌患者計劃劑量驗證γ通過率的比較結果如表1所示。采用PD和Dolphin設備在TH=10%標準下,劑量偏差3%、位置偏差3 mm的γ平均通過率均在95%以上,符合臨床要求,其中PD的γ平均通過率為(99.77±0.25)%,Compass計算的γ平均通過率為(98.02±0.69),Dolphin實測重建的γ平均通過率為(95.08±1.03)%。采用PD和Dolphin設備在TH=10%標準下,劑量偏差2%、位置偏差2 mm的γ平均通過率在90%以上,也能夠滿足臨床要求,其中PD的γ平均通過率為(98.91±0.45)%,Compass計算的γ平均通過率為(94.38±0.75),Dolphin實測重建的γ平均通過率為(91.45±1.57)%。PD驗證結果明顯高于Compass計算和Dolphin實測的驗證結果,通過χ2檢驗對三者的γ通過率進行分析,差異有統計學意義(P<0.05)。

表1 基于PD和Dolphin驗證系統獲得的12例左側乳腺癌患者計劃的γ通過率/%

圖1 PD實測的劑量圖與TPS計算劑量圖的對比

2.2 三維DVH的比較

基于Dolphin-Compass驗證系統獲得的12例左側乳腺癌患者計劃靶區(PTV)的D1、Dmean和D99的相對偏差和危及器官的D1和Dmean的相對偏差如表2所示。CCD為COMPASS獨立計算與TPS計算結果的差異;CRD為COMPASS 從Dolphin探測器測量中重建結果與TPS計算結果的差異; D1為1%結構體積所接受劑量的百分比差異;Dmean為結構平均值(%)所接受劑量的百分比差異;D99為99% 結構體積所接受劑量的百分比差異。PTV對應的D1、Dmean和D99采用Compass計算和Dolphin測量重建均存在差異性,差異值范圍在5%以內,兩組對比均存在統計學差異(P<0.05)。對于危及器官,本研究只選擇左肺(患側肺)和心臟做了D1和Dmean的比較,結果顯示,只有心臟的Dmean差異較大,存在統計學差異(P<0.05),其余均無統計學差異,見表2。

表2 基于三維劑量重建的PTV和OAR劑量體積直方圖偏差

3 討論

本研究選用非晶硅射野影像系統PD 和Dolphin穿透電離室矩陣兩種驗證系統對左側乳腺癌調強放療計劃的驗證進行了研究。兩種驗證設備各有優勢,PD作為加速器自帶的非晶硅射野影像系統,驗證時不需要將照射野角度歸零,不用考慮擺位誤差和電離室角度等問題,且具有極高的靈敏度和分辨率、重復性好、成像速度快、具有更高的工作效率、可用于實時監測等優點,現已經廣泛地用于調強計劃的劑量驗證[13]。Dolphin穿透電離室矩陣是一個帶有1513個平面平行電離室的二維陣列,擁有40 cm×40 cm的全射野輸出測量范圍[14],測量時直接懸掛在加速器的機頭,不需要將計劃移植到模體重新進行計算,只需在機架和小機頭均處于0°狀態時打開電源即可連接軟件的測量系統。這兩種驗證系統都省去了傳統劑量驗證系統對模體進行擺位和連接各種線攬的煩瑣過程,極大地提高了物理師的工作效率,避免了模體擺位可能產生的誤差,具有更高的工作效率。傳統的二維劑量驗證采用的伽馬分析盡管提供了關于直線加速器是否按計劃運行的有價值的理解,但單純γ通過率與ROI絕對百分劑量差異之間僅存在弱相關性,即便獲得的γ通過率較高,在某些較為敏感的解剖結構處仍可能出現較大的 劑量偏差。為了克服這些限制,除了伽馬通過率外,還需要在QA程序中加入劑量體積直方圖(DVH)信息,以提供全面的患者特異性預處理QA,這將提供洞察實測重建劑量和TPS計劃劑量之間觀察到的差異與目標和周圍正常結構的相關性[15-16]。

本研究在二維γ通過率的研究中,盡管PD驗證結果高于Compass計算和Dolphin實測的驗證結果,差異有統計學意義(P<0.05),但是它們在3%/3 mm的γ平均通過率≥95%,在2%/2 mm的γ平均通過率≥90%,均都能滿足VMAT臨床計劃驗證的需求,且在X和Y方向的Profile表現出了比較高的一致性。因此只能認為相對Dolphin來說,PD具有更高的分辨率和測量精度。但是PD是單一平面的劑量驗證,無法判斷患者計劃整體是否與機器照射得到的測量劑量相一致,而且沒有具體的解剖信息,不能清晰看到偏差出現的位置,對臨床的指導意義有限。Dolphin-Compass三維驗證系統可以彌補傳統的二維劑量驗證的不足,并能給出與患者解剖結構相關的體積劑量誤差、γ通過率、誤差的位置等信息,有利于臨床的評估。

本研究基于Dolphin-Compass的三維劑量驗證對乳腺癌進行治療前的獨立三維劑量驗證工作,將獨立三維劑量計算和三維劑量重建的劑量分布進行了比較,結果顯示所有結構的γ通過率在2 mm/2%標準中大于90%,而在3 mm/3%標準中則大于95%。由Compass獨立三維劑量計算和Dolphin三維劑量重建獲得的PTV對應的D1、Dmean和D99均存在差異性,差異值范圍在5%以內,這可能是因為相對于Compass獨立三維劑量計算,影響Dolphin三維劑量重建結果穩定性的因素更多,如穿透電離室矩陣的平均受照體積、幾何分辨率和自衰減等不確定性的影響,此外,由于Dolphin穿透電離室矩陣安裝在直線加速器的機頭,因此無法檢測它與機架、準直器和工作臺旋轉相關的誤差。對于擇左肺(患側肺)和心臟的D1和Dmean的比較,只有心臟的Dmean差異較大,存在統計學差異,可能是因為相對于患側肺,心臟受到的平均劑量很小,另外研究中發現絕大部分患者的心臟差異值較大的點處于探測器邊緣,這與吳仕章等發現劑量差異與劑量采集最大面積具有相關性的結論一致[17]。

綜上所述,借助PD可初步比較TPS計算和測量劑量的分布差異,而Dolphin-Compass驗證系統可進一步提供病人靶區和危及器官詳細的劑量參數信息,有助于病人治療計劃的安全實施和放療醫生的臨床決策。