利用EDR2膠片和EPID實施容積旋轉調強治療性能測試的評估

葛瑞剛，徐壽平，徐 偉，解傳濱，叢小虎， 楊 濤

解放軍總醫院放療科，北京市，100853

利用EDR2膠片和EPID實施容積旋轉調強治療性能測試的評估

【作 者】葛瑞剛，徐壽平，徐 偉，解傳濱，叢小虎， 楊 濤

解放軍總醫院放療科，北京市，100853

該文旨在研究和探討利用EDR2膠片和電子射野影像裝置(EPID)實施RapidArc質量保證方法可能。利用兩種工具進行比對測試，主要通過檢測MLC到位精度、機架和劑量率變化能力及其三者同步控制能力，從三方面評價RapidArc技術性能指標。筆者利用柵欄式設定實施MLC的測試控制，比較靜態/動態機架模式下兩種工具均顯示了較好的MLC精度；通過組合不同劑量率、機架旋轉速度以及機架旋轉角度范圍, 分析照射區域內兩種劑量測量方法體現了很好的一致性，兩者在區域內平均偏差分別為0.24% 和 0.19%，劑量值均保持在2%以內。EDR2膠片和EPID均可作為RapidArc有效而可靠的檢測工具。當然，日常VMAT QA測量過程中利用EPID系統將會提高工作效率。

VMAT；EDR2膠片；EPID；質量保證

0 引言

當今放射治療隨著先進技術的引入已得到較大地提升，但同時其代價是導致了治療過程中復雜性的增加。容積旋轉調強(volumetric-modulated arc therapy，VMaT)作為調強放療(IMRT)后一種新型延伸技術，與IMRT相比較而言其可潛在地在更短時間和更少MUs條件下獲得相對較理想的劑量照射[1-3]。Rapidarc(Varian公司，USa)是目前商用執行VMaT治療技術之一。治療期間為了獲得最佳適形劑量的精度、效率及可靠性，Rapidarc照射完全依賴于可變劑量率、機架速度及動態多葉準直器（MLc）的控制能力及其同步性[4-6]。Rapidarc技術通過機架圍繞患者旋轉實現束流照射，若機架速度最大，可獲得最小的治療時間；每角度劑量變化及動態MLc實現對劑量的調制；改變劑量率和機架速度獲得可變的每角度劑量。Rapidarc執行過程中面臨以下幾個問題：一是動態MLc、劑量率和機架速度的同步性；二是機架速度是否足夠慢以確保MLc到達準確的位置；三是機架速度需足夠慢以確保照射足量劑量(MUs) 或增加劑量率。

近年來直線加速器中VMaT技術的性能測試需要新的臨床驗收測試和質量保證(Qa)方法，一些文獻也相繼報道了VMaT臨床驗收測試及其Qa方法[4-9]。各種Qa工具如膠片、ePID和二維電離室陣列均廣泛地應用于VMaT Qa中。為了更好地明確VMaT Qa測試方法，本研究目的是利用Kodak eDR2膠片與電子射野影像裝置（ePID）系統地制定和執行VMaT Qa測試，進一步評價VMaT照射期間兩種測試工具檢測直線加速器性能及其MLc劑量學參數的不確定性和可靠性。

1 材料和方法

本研究中除了利用PTW(德國)等中心固定架、eDR2和ePID等硬件工具外，最重要的是針對Rapidarc動態關鍵性能需預先設計并制定出相應臨床測試程序，以便進行相關測試項的檢測。

1.1 加速器束流中心一致性檢測

測試前首先需保證照射束流中心的一致性。研究中將膠片固定在PTW公司提供的等中心固定架上，將設定為長2.5 cm×寬0.5 cm的窄條方形射野，在機架90o、0o、270o三種角度，分別束流照射100 MU，并在Vidar Dosimetry Pro掃描儀（美國）上掃描后分析相應的曲線，評價加速器束流中心的一致性。

1.2 靜態機架時MLC精度測試

膠片采用籬笆狀射野(Picker fence)照射方式，考慮機架在不同角度時重力可能會對MLc精度造成一定影響，因此分別在0o、90o、270o、180o四個機架角度進行照射，小機頭角度保持0o，MLc每移動15 mm 照射一個1 mm 寬度射野，分別利用eDR2膠片和 ePID進行測量分析。

1.3 動態機架時MLC精度測試

采用旋轉籬笆狀射野照射方式，MLc每移動15 mm 照射一個1 mm 的條狀射野，在照射過程中保持機架勻速轉動，分別用eDR2膠片和ePID進行測量分析。

1.4 MLC到位精度的敏感性測試

重復靜態/動態機架條件下MLc精度的系列測試，并且人為引入MLc位置的偏差；分別設定MLc第30號和35號葉片對存在0.5 mm偏差，其中第35號兩葉片均偏移0.5 mm，而第30號僅一葉片偏移0.5 mm。通過膠片和ePID定性/定量檢測其偏差是否存在，從而判定 eDR2膠片和 ePID測試MLc精度的敏感性。

1.5 MLC速率、劑量率及其機架速率的同步性測試

Rapidarc治療模式下設置了7個治療區域，每個區域內設定不同機架旋轉速率和劑量率而實現照射劑量相同，劑量率為111～600 MU/min，而機架轉速變化體現為各區域0.33～2.33 MU/o，分別使用eDR2膠片和ePID測量分析照射區域內劑量的一致性情況。

為了評估Rapidarc治療模式中動態MLc速度、機架速度及劑量率變化的能力影響，設定四個區域MLc速度分別為0.46、0.92、1.84和2.76 cm/s，通過不同劑量率(138～554 MU/min)、機架旋轉速度(5.5o/s～4.3o/s)以及機架旋轉角度范圍（Δθ=90o～12.9o）的組合，從而實現四個區域內獲得相同劑量的照射。同時為了修正離軸束流強度平坦度的影響，需同時照射相同大小開野的強度分布。根據eDR2和ePID測量結果，通過公式(1)和(2)[8]進行計算，要求偏差在2%以內。通過計算ePID和膠片兩種工具劑量強度分布的偏差評估出其動態變化。

2 結果

2.1 加速器束流中心一致性

如圖1所示，通過分析膠片上三條窄縫等中心位置的偏差。經過分析得到的誤差在0.3 mm以內，說明加速器束流中心的一致性較好。

圖1 利用不同角度測量窄束測量束流中心一致性Fig.1 Measurement of center consistency for the narrow beams in different angles

2.2 靜態機架MLC精度

圖2中分別給出了eDR2膠片和ePID測量固定機架角度時MLc精度的結果。膠片測量MLc到位重復精度在0.3 mm以內；而采用ePID系統測量獲得的精度在0.1 mm以內。

圖2 靜態機架時MLc到位精度測量結果Fig.2 Measurement results of MLc positions for the static gantry

2.3 動態機架時MLC精度

圖3中分別給出了eDR2膠片和ePID測量固定機架角度時MLc精度的結果。兩種工具檢測動態機架的MLc精度為0.1 mm以內；ePID檢測結果可以通過Profle觀察曲線峰值處像素大小來得以體現。

2.4 EDR2和 EPID測試MLC精度的敏感性測試

圖4中分別給出eDR2和 ePID測試MLc精度的敏感性測試結果，從圖中可以看出eDR2和 ePID均能明顯地辨別0.5 mm偏差，即兩種工具均可達到0.5 mm的MLc測量分辨率(圖4(a))。而ePID結果則通過Profile峰值可以看出，第30和35號葉片對與正常葉片峰值位置相差的像素值分別為2和1（圖4(b)）。

圖3 動態機架時MLc到位精度測量結果Fig.3 Measurement results of MLc positions for the dynamic gantry

圖4 eDR2和 ePID測試MLc精度的敏感性測試結果Fig.4 Results of the sensitivity test for MLc positions using eDR2and ePID

圖5 利用eDR2實施不同劑量率、機架旋轉速度的組合與開野的束流強度分布情況Fig.5 Dose comparison with different dose rates and gantry speeds using eDR2

圖6 利用eDR2實施不同劑量率、MLc速度、機架旋轉速度的聯合性能測試結果Fig.6 Results of the performance tests with different dose rates, MLc, and gantry speeds using eDR2

2.5 MLC速度、劑量率和機架速率的聯合性能測試

通過設定不同機架旋轉速度和劑量率的組合形成四個劑量相同區域，同時考慮開野強度分布對離軸的束流強度給予了平坦度的修正，利用ePID和eDR2膠片劑量測量結果分析了照射區域內劑量，兩種測量方法體現了很好的一致性。圖5中利用膠片實施不同劑量率、機架旋轉速度的組合照射及其開野的束流強度分布情況。表1列出了四個區域內兩種工具方法的測量結果，其平均偏差分別為0% 和 0.01%。

表1 兩種工具實施不同劑量率、機架旋轉速度組合的劑量影響Tab.1 Dose effects of different dose rates and gantry speeds using two kinds of tools

表2 采用兩種工具測試不同劑量率、MLc速度、機架旋轉速度的性能情況Tab.2 Results of the performance tests with different dose rates, MLc and gantry rates using two tools

通過組合不同劑量率、MLc速度、機架旋轉速度以及機架旋轉角度范圍形成的七個照射區域，使用eDR2膠片與ePID測量七個區域內的劑量，發現兩者具有較好的一致性(圖6)，eDR2膠片與ePID測量結果平均偏差分別為0.24% 和 0.19%(表2)，測試結果均在2%以內；結果表明VMaT中劑量率、MLc及機架速度變化對劑量影響保持在臨床要求范圍內。

3 討論

容積旋轉調強作為目前較為先進而主流的調強放療技術之一，容積調強實施過程中要求 MLc動態運動速度、機架轉動速度和劑量率同時變化并予以匹配，從而實現對腫瘤靶區束流調制目的。因此容積調強治療技術的質量保證(Qa)和質量控制(Qc)相對于常規調強有所不同且其要求應更加嚴格。王清鑫[11]等研究發現即使MLc位置出現2 mm的位置誤差，VMaT計劃在3%/3 mm條件下劑量驗證通過率仍有可能大于90%，因此MLc系統必須進行獨立的質量保證。

eDR2膠片和ePID系統均是目前常用的Qa檢測工具。eDR2膠片作為最常用放療質量驗證工具之一，可用于劑量驗證及MLc精度檢測等多種用途。但是eDR2膠片使用過程中仍存在校準、沖洗以及使用繁瑣等問題[12-13]。ePID系統作為加速器自帶的成像設備，最初設計是應用于日?；颊邤[位的需要；但目前臨床應用的非晶硅ePID具有良好的劑量響應特性[14]，也已廣泛用于劑量驗證、MLc精度等Qa檢測。Richart J等[15]報道了基于ePID劑量進行動態MLc質量保證，發現ePID具有成像分辨率高、響應速度快、圖像便于后續處理的優點。Létourneau D等[16]也報道ePID始終保持與機架同步轉動，與照射野方向保持垂直，可以有效地避免角度依賴問題。Liu B等[17]利用ePID系統發展了一套Qa技術可以同時驗證VMaT治療中機架角度和照射MLc的束流強度分布。

本研究對容積旋轉調強中加速器性能進行較為詳細地測試和分析。王佳舟[18-19]等研究結果顯示利用ePID建立了不同加速器廠商VMaT Qa的相同測試方法和標準，從而有效地將定量探測能力保持到 0.2 mm 誤差以內；而加速器中多葉光柵等系統誤差小于 0.5 mm。本研究中測試結果也發現，若采用eDR2膠片和等中心固定架會存在近0.3 mm的系統誤差(如圖1、2所示)，較ePID測量系統誤差大；因此將MLc葉片的人為偏差設置為0.5 mm。最后本研究對MLc速度、劑量率合并機架速率進行聯合測試，并通過設定七個不同區域檢測動態變化對劑量的影響，膠片與ePID測量的劑量具有較好的一致性，平均偏差分別為0.24% 和 0.19%。三者的同步控制變化對劑量的影響幾乎可以忽略，測量結果符合預期。另外，Teke T等[20]利用加速器Rapidarc治療過程中所記錄的文件(Log files)基于蒙特卡羅模擬可以實現對特定患者的劑量驗證；事實臨床中同理一般可利用MLc Dynalog、ePID或Linac log文件有效地分析與評估VMaT治療過程中Qa情況[21-22]。對于可操作性及其相應偏差閾值的常規Qa而言，測量項應設計為簡單而可靠。本研究結果表明，膠片或ePID在其VMaT Qa中均顯示了較為滿意的結果。相對而言，eDR2膠片工具因其具有分辨率高，更適合在臨床驗收測試中運用，以便建立起VMaT性能的基準Qa體系。而ePID作為一種強大的測試工具，其使用方便、重復性好、效率較高，推薦可作為常規質控的手段。必要時也可利用膠片予以對比測試，從而建立起有效的VMaT臨床驗收測試和Qa方法是很有必要的。

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RapidArc Delivery Performance Using EDR2Film and EPID Measurement

【 Writers 】GE Ruigang, XU Shouping, XU Wei, XIE Chuanbin, CONG Xiaohu, YANG Tao
Department of Radiation Oncology, PLA General Hospital, Beijing, 100853

VMAT, EDR2flm, EPID, quality assurance (QA)

R815

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.03.018

1671-7104(2016)03-0221-04

2016-02-19

國家自然科學基金（61171005）

葛瑞剛，e-mail: gangzi_8888@163.com

徐壽平，e-mail: shouping_xu@yahoo.com

【 Abstract 】This study describes the development and implementation of EDR2flm and electronic portal imaging device (EPID) during RapidArc QA. The tests were designed to evaluate RapidArc performance using EDR2flm and EPID tools. The accuracy of MLC position during gantry rotation, the ability to vary and control the dose-rate and gantry speed, the synchronization of variable MLC speed and dose-rate were examined. The picket fence test of MLC in stationary gantry and RapidArc modes were implemented. The flm and EPID showed a good consistency. During the evaluation of MLC speed, gantry speed and dose-rates, the dose of different parts in a feld showed a good agreement, with the mean deviation of 0.24% vs 0.19%. The analysis of dose value was less than 2%. This study demonstrated that EDR2flm and EPID system can be used as reliable and effcient quality assurance tools for RapidArc delivery performance. Of course, the use of VMAT QA with EPID increases the effciency of routine QA.