Mobius自動驗證系統(tǒng)在容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療驗證中的應(yīng)用研究

袁維，張月美，路詠凱，何瑞欣，唐豐文，李毅

西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院 放療科，陜西 西安 710061

引言

放射治療在腫瘤綜合治療中發(fā)揮著重要作用，治療療效與劑量實施精準(zhǔn)程度密切相關(guān)。隨著放療技術(shù)的發(fā)展，調(diào)強(qiáng)放射治療（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）和容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放射治療（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）已成為目前臨床應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。與IMRT 相比，VMAT 是一種動態(tài)弧形調(diào)強(qiáng)技術(shù)，治療過程中在加速器機(jī)架旋轉(zhuǎn)的同時多葉準(zhǔn)直器（Multileaf Collimator，MLC）形狀、劑量率、機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)計劃參數(shù)動態(tài)調(diào)整，在較短時間內(nèi)完成治療，以產(chǎn)生高治療增益比[1]。為保證精準(zhǔn)放療，VMAT 技術(shù)的復(fù)雜性使得放療前實施計劃驗證尤為必要[2]。基于模體的ArcCheck、Delta4 驗證系統(tǒng)是目前臨床最常用的三維VMAT 驗證工具[3]，然而基于均勻等效模體的驗證缺乏患者特異性，且在實施過程中并不能排除人為擺位偏差、設(shè)備狀態(tài)對其結(jié)果的影響，同時在驗證前需要重新制定驗證計劃，耗時且程序復(fù)雜，對于臨床計劃任務(wù)多的科室無法滿足快速驗證的需求。

Mobius 獨立調(diào)強(qiáng)驗證系統(tǒng)使用從治療計劃系統(tǒng)（Treatment Planning System，TPS）導(dǎo)出的計劃治療參數(shù)和患者CT 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)集采用獨立卷積疊加（Collapsed Cone Convolution Superposition，CCCs）算法進(jìn)行重新劑量計算以完成對患者計劃3D 劑量驗證，支持臨床過程中IMRT 和VMAT 計劃驗證檢查，確保患者獲得高質(zhì)量治療[4-5]。對于Mobius 系統(tǒng)準(zhǔn)確性和可行性方面已有研究者進(jìn)行了相關(guān)研究，如前期有研究者評估了Mobius系統(tǒng)作為評估TPS 劑量計算二次檢查的可行性[5-8]，近期的研究多集中在與傳統(tǒng)基于模體驗證設(shè)備的比較[9-13]或引入系統(tǒng)誤差[4,14]基礎(chǔ)上研究Mobius 可靠性和靈敏度，目前國內(nèi)對此方面的研究還較少。雖然對Mobius系統(tǒng)整體的準(zhǔn)確性和可行性有了評估，但缺乏Mobius系統(tǒng)對影響其結(jié)果因素和特征的研究。基于此，本研究首先利用Mobius 軟件對來自TPS 不同部位腫瘤計劃劑量計算進(jìn)行二次核查，并以常用的Delta4 三維驗證設(shè)備作為參考，旨在探究Mobius 自動驗證系統(tǒng)在VMAT 計劃驗證中的應(yīng)用可行性，以期為Mobius 自動驗證系統(tǒng)在VMAT 驗證的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

隨機(jī)選擇2021 年4 月至2022 年1 月在西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院接受VMAT 的患者90 例，其中頭頸部30 例（鼻咽癌9 例、膠質(zhì)瘤11 例、頜面部腫瘤10 例）、胸部腫瘤30 例（乳腺癌13 例、肺癌7 例、食管癌10 例）、盆腔腫瘤30 例（前列腺癌10 例、宮頸癌20 例）。所有VMAT 計劃均滿足臨床劑量要求。

1.2 儀器與方法

1.2.1 儀器設(shè)備

本研究主要設(shè)備為Synergy 直線加速器（醫(yī)科達(dá)公司，瑞典）、Monaco5.11.03 計劃系統(tǒng)（醫(yī)科達(dá)公司，瑞典）、Delta4 劑量驗證系統(tǒng)（ScandiDos 公司，瑞典）和Mobius 調(diào)強(qiáng)驗證軟件（瓦里安公司，美國）。

Mobius 驗證軟件是集劑量驗證和治療實施質(zhì)量保證于一體的質(zhì)控系統(tǒng)，使用CCCs 算法對經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器內(nèi)的患者CT 影像結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集和加速器日志文件（包括機(jī)架參數(shù)、MLC 位置等劑量參數(shù)文件）進(jìn)行重新計算，生成3D 劑量，并與計劃系統(tǒng)劑量進(jìn)行γ 分析[9]。3D γ 通過率顯示了覆蓋在患者CT 影像上的劑量和γ 水平。Delta4 劑量驗證系統(tǒng)由一個22 cm×40 cm 圓柱形模體、校準(zhǔn)模體、1 塊探測器主板、兩塊翼板、連接盒、分析軟件及輔助擺位小推車組成。圓柱形模體內(nèi)部由主板和翼板共1069 個P 型半導(dǎo)體陣列正交分布組成，中心6 cm×6 cm 區(qū)域探頭間距離5 mm，區(qū)域外探頭間距10 mm，每探測器面積為0.78 mm2[15-16]，驗證時由物理師將模體擺位在治療床上進(jìn)行測量。

1.2.2 計劃設(shè)計

所有患者VMAT 計劃均在Monaco5.11.03 計劃系統(tǒng)上采用蒙特卡洛算法設(shè)計完成，采用6 MV X 射線，在Synergy 加速器上執(zhí)行，計劃流程均符合臨床治療要求，處方劑量線至少覆蓋95%以上靶區(qū)，危及器官滿足腫瘤放射治療組劑量限量要求。

1.2.3 驗證方法

（1）基于Mobius 系統(tǒng)驗證：將用于患者治療的VMAT 計劃，包括Images、Structure set、Total plan dose通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至Mobius 工作站，軟件經(jīng)過重新計算后給出與TPS 的劑量學(xué)差異；讀取首次出束機(jī)器日志文件且經(jīng)過計算后給出計劃整體γ 通過率（圖1a）。Mobius自動驗證軟件系統(tǒng)使用CCCs 算法對經(jīng)過Monaco 計劃系統(tǒng)MC（Monte Carlo）算法設(shè)計傳輸過來的90 例不同部位VMAT 計劃進(jìn)行二次獨立劑量計算，其中靶區(qū)覆蓋度指90%劑量線覆蓋靶區(qū)體積，對應(yīng)劑量學(xué)差異（Diff）=（Mobius-TPS）/TPS×100%。

圖1 兩種驗證設(shè)備圖示

（2）基于Delta4 系統(tǒng)驗證：Delta4 使用前對其在測量機(jī)器下進(jìn)行相對、絕對劑量校準(zhǔn)和方向性校準(zhǔn)；測量前對加速器進(jìn)行劑量校準(zhǔn)，避免因設(shè)備誤差對結(jié)果造成干擾。在TPS 中將患者治療計劃移植到CT 掃描的Delta4 模體并歸一到水中重新進(jìn)行劑量計算產(chǎn)生質(zhì)量保證（Quality Assurance，QA）計劃，將計劃中總計劃劑量、每單個射野劑量導(dǎo)出至Delta4 軟件；驗證時將模體擺位在治療床上，通過網(wǎng)絡(luò)連接至Delta4 軟件電腦，通過Mosaiq 放療管理系統(tǒng)調(diào)取患者預(yù)放療計劃出束進(jìn)行測量驗證，驗證結(jié)束后軟件通過對測量劑量和QA 計劃劑量進(jìn)行γ 比較分析得出結(jié)果（圖1b）。

1.3 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 22.0 軟件對不同部位腫瘤VMAT 計劃在二次檢查中兩種算法靶區(qū)平均劑量、靶區(qū)覆蓋度差異進(jìn)行單因素ANOVA 分析；對Mobius 系統(tǒng)和Delta4 設(shè)備不同評估標(biāo)準(zhǔn)下γ 通過率行配對t檢驗，所有數(shù)據(jù)以±s表示，以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 不同部位腫瘤VMAT計劃兩種不同算法下靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)差異

Mobius 自動驗證軟件系統(tǒng)使用CCCs 算法對經(jīng)過Monaco計劃系統(tǒng)MC算法設(shè)計傳輸過來的頭頸部、胸部、盆腔部VMAT 計劃進(jìn)行二次獨立劑量計算，計算結(jié)果如表1 所示，兩種算法VMAT 計劃靶區(qū)劑量學(xué)差異整體均滿足臨床劑量學(xué)要求（＜3%），但不同部位腫瘤間有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.013、0.003）；靶區(qū)平均劑量和覆蓋度差異絕對值為頭頸部＞胸部＞盆腔部，且Mobius 軟件比Monaco TPS VMAT 計劃計算劑量普遍偏低。

表1 不同部位兩種劑量算法靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)差異統(tǒng)計分析（±s，%）

表1 不同部位兩種劑量算法靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)差異統(tǒng)計分析（±s，%）

部位平均劑量靶區(qū)覆蓋度頭頸部-0.91±1.40-1.71±1.70胸部-0.83±1.36-1.63±1.67盆腔部-0.81±0.67-1.42±0.76 F值4.6046.214 P值0.0130.003

2.2 兩種驗證設(shè)備不同標(biāo)準(zhǔn)下γ通過率

Mobius 和Delta4 兩種設(shè)備不同評估標(biāo)準(zhǔn)下90 例VMAT 計劃驗證γ 通過率如表2 所示，由表2 可知，Mobius/Delta4 兩種設(shè)備頭頸部、胸部、盆腔部3%/3 mmγ 通過率均大于95%，滿足臨床要求；3%/2 mm γ 通過率為94.57%/96.27%、92.14%/95.37%、96.31%/96.72%，高于90%；而2%/2mm γ 通過率普遍低于90%。兩種設(shè)備在胸部VMAT 計劃通過率一致性具有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05）。1 例胸部VMAT 計劃兩種設(shè)備3%/3 mm γ 通過率結(jié)果圖如圖2 所示。

表2 兩種驗證設(shè)備不同部位不同標(biāo)準(zhǔn)下計劃γ通過率統(tǒng)計分析（±s，%）

表2 兩種驗證設(shè)備不同部位不同標(biāo)準(zhǔn)下計劃γ通過率統(tǒng)計分析（±s，%）

部位標(biāo)準(zhǔn)Delta4Mobiust值P值頭頸部3%/3 mm 98.71±1.40 98.49±1.75 0.608 0.548 3%/2 mm 96.27±2.70 94.57±3.80 1.970 0.059 2%/2 mm 89.57±4.99 88.61±6.36 0.615 0.544胸部3%/3 mm 97.84±1.57 95.99±2.05 4.233 ＜0.001 3%/2 mm 95.37±3.44 92.14±2.99 4.488 ＜0.001 2%/2 mm 89.80±4.81 84.14±5.44 4.440 ＜0.001盆腔部3%/3 mm 98.30±1.40 98.49±0.90 -0.532 0.599 3%/2 mm 96.72±2.58 96.31±2.81 0.645 0.524 2%/2 mm 89.98±5.81 88.82±4.46 0.842 0.407

圖2 1例胸部VMAT計劃兩種設(shè)備3%/3 mm γ通過率結(jié)果圖

3 討論

放射治療中患者體內(nèi)劑量計算包含了系統(tǒng)固有的不確定性、不準(zhǔn)確性、局限性以及隨機(jī)誤差的可能性，研究表明，高度調(diào)制或復(fù)雜的VMAT 技術(shù)可能導(dǎo)致計劃劑量分布和實際測量劑量分布之間存在差異[2]，治療技術(shù)和計劃設(shè)計復(fù)雜性的增加對物理QA 提出更加全面的要求。

一個基于患者特異性的全面QA 計劃應(yīng)該檢測到整個放射治療過程中可能發(fā)生的任何臨床相關(guān)潛在錯誤，從而進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。前期研究發(fā)現(xiàn)，Mobius 自動驗證軟件系統(tǒng)不僅可以利用專有CCCs 算法和參考數(shù)據(jù)集對TPS 輸出的治療計劃進(jìn)行二次獨立劑量核查，還可以對基于加速器日志文件進(jìn)行γ 通過率分析并給出報告[17]。本研究評估了本單位Mobius 軟件在VMAT 驗證中的應(yīng)用情況，并與現(xiàn)有基于模體測量的Delta4 設(shè)備γ通過率進(jìn)行比較分析。在進(jìn)行應(yīng)用研究時，首先對TPS輸出的不同部位腫瘤計劃劑量計算進(jìn)行了二次核查，通過對兩種系統(tǒng)靶區(qū)平均劑量和90%覆蓋度差異來研究Mobius 軟件劑量計算的可靠性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然不同部位VMAT 計劃兩種算法下靶區(qū)劑量學(xué)差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，但偏差均滿足臨床劑量學(xué)差異小于3%的要求，其中盆腔部位差異最小，分析原因可能是MC 算法和CCCs 算法對組織密度變化處理不同。Mobius 算法的可靠性為兩種設(shè)備比較提供了基礎(chǔ)，γ 分析是將點劑量差異與距離一致性相結(jié)合的評估方法。在對Mobius和Delta4 不同評估標(biāo)準(zhǔn)下γ 通過率研究時可以看出，3%/3 mm 標(biāo)準(zhǔn)時兩種驗證設(shè)備γ 通過率均大于95%，符合臨床驗證要求，而2%/2 mm 由于過于嚴(yán)苛未能通過90%的標(biāo)準(zhǔn)；兩種設(shè)備在頭頸部和盆腔部3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm 這3 種γ 分析標(biāo)準(zhǔn)下具有高一致性（P＞0.05），但在胸部VMAT 計劃驗證時γ 通過率間具有統(tǒng)計學(xué)差異。

Mobius 軟件是基于患者掃描CT 重建計算的，而Delta4 是基于均勻模體，由于胸部計劃肺與周圍組織密度變化大、靶區(qū)體積大等原因提升了計劃的復(fù)雜度，同時可能增大了這兩種方法之間的差異。雖然胸部VMAT計劃中兩種設(shè)備偏差具有統(tǒng)計學(xué)意義，但γ 通過率均滿足3%/3 mm（＞95%）、3%/2 mm（＞90%）的臨床計劃驗證標(biāo)準(zhǔn)，且具有良好的一致性。結(jié)果表明，Mobius系統(tǒng)在VMAT 驗證方面與基于模體測量的Delta4 設(shè)備整體表現(xiàn)相似，但兩者在不同部位VMAT 計劃驗證通過率上仍存在差異。此外，Au 等[4]在人為引入誤差對Mobius 軟件進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，其在QA 特異性檢測方面比較敏感，本研究中也得以驗證。研究中對低γ 通過率計劃分析時發(fā)現(xiàn)，Delta4 設(shè)備在Mobius 軟件指示驗證時獨立鉛門和小機(jī)頭小均方根偏差下通過率變化不大。

基于模體測量的計劃驗證通常是通過對輻照后模體實際測量劑量與TPS QA 計劃劑量進(jìn)行對比來判斷計劃是否達(dá)到臨床質(zhì)控要求。然而基于模體的QA 方法費時費力，缺乏患者特異性，同時還可能會引入人為擺位偏差對結(jié)果進(jìn)行干擾，且多數(shù)為集成結(jié)果。對于失敗結(jié)果需要耗費大量時間去分析，無法直接確定根本原因。Mobius 自動驗證系統(tǒng)不僅采用獨立算法對TPS 信息傳遞進(jìn)行了二次檢查，且對傳輸?shù)?D 劑量進(jìn)行了全面的定量評估，同時在不影響正常治療的情況下自動讀取加速器日志文件對患者解剖劑量進(jìn)行詳細(xì)評估，提高了患者QA 特異性和臨床工作效率，這在本研究中也得以證實。雖然Mobius 與傳統(tǒng)基于模體的QA 在某些情況下表現(xiàn)出良好的一致性，但基于日志文件的QA 能否完全取代傳統(tǒng)的QA 和作為一個獨立的重新計算系統(tǒng)與當(dāng)前的QA 標(biāo)準(zhǔn)相比表現(xiàn)如何仍是當(dāng)前物理學(xué)研究的重點[18-19]，為此Han 等[20]也提出了交叉驗證的思路。在本研究中為了提高患者質(zhì)控特異性，更好地識別患者VMAT 計劃特定錯誤來源，每次QA 前都對加速器進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)控。未來針對Mobius 自動軟件在VMAT 計劃驗證上取代傳統(tǒng)模體方法和在胸部腫瘤驗證的可行性方面，仍需要納入更多的病例和方法對其特征和局限性進(jìn)行研究并進(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，在3%/3 mmγ 評估標(biāo)準(zhǔn)下，Mobius 自動驗證系統(tǒng)與基于模體的Delta4 驗證設(shè)備具有良好的一致性，可以應(yīng)用于VMAT 計劃驗證，但不同部位腫瘤計劃間的差異需要引起注意。本研究對該系統(tǒng)不同部位腫瘤VMAT 計劃驗證中的劑量學(xué)差異分析和γ 通過率一致性評估，為Mobius 用戶在臨床應(yīng)用方面提供了技術(shù)參考。