ArcCHECK結合3DVH在容積旋轉調強放療劑量驗證中的應用研究

馮瑞興

青海大學附屬醫院 腫瘤放療科，青海 西寧 810001

引言

旋轉調強放療（Intensity Modulated Arc Therapy，IMAT）的概念最早是由Yu[1]提出，其旋轉照射過程中劑量率恒定。而強度調制則將射野等角度轉化為多葉準直器（Multi-Leaf Collimator，MLC）形成的大量靜態子野，并利用多個疊加的弧實現，但當時缺少有效的計劃系統和控制系統。隨著放射物理學、計算機控制技術等的進步，Otto[2]提出了容積旋轉調強放療（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT），其在照射過程中機架旋轉速度、MLC運動、劑量率可以連續變化，極大提高了照射效率，在臨床中已普遍應用[3-5]。然而VMAT擁有的多參數動態變化，使得放療執行過程中不確定性更多，因此其質量保證（Quality Assurance，QA）非常關鍵。否則一旦劑量不能準確按治療計劃系統（Treatment Planning System，TPS）設計的那樣投照到腫瘤患者，可能造成腫瘤控制失敗或產生嚴重放療并發癥。

以往僅僅使用點劑量和二維平面劑量驗證的方式不能完全適用于VMAT，目前更傾向使用三維劑量驗證系統，而ArcCHECK擁有1386個半導體探頭螺旋分布于圓柱形模體，契合了VMAT旋轉照射的方式。但是應用ArcCHECK行劑量驗證僅使用γ分析法并不能分析靶區和危及器官具體受到照射的劑量體積參數。因此，本文研究ArcCHECK三維劑量驗證系統結合配套的3DVH軟件對VMAT計劃進行劑量驗證，探討其臨床應用的可行性。

1 材料和方法

1.1 設備材料

瓦里安Trilogy直線加速器，配置有60對MLC；飛利浦Pinnacle3Version 9.8 TPS；IBA標準劑量水箱，內徑：長300 mm，寬300 mm，高220 mm；IBA DOSE-1劑量儀和FC65-G 0.65 cc電離室；Sun Nuclear公司ArcCHECK三維劑量驗證系統（包含SNC Patient Version 6.2.3軟件），模體長21 cm，呈圓柱形，并有1386個呈螺旋分布的半導體探頭，探頭間距為1 cm，有效探測面積：0.8 mm×0.8 mm；Sun Nuclear公司3DVH Version 3.2軟件。

1.2 研究對象

隨機選取2017年1月至2017年6月青海大學附屬醫院腫瘤放療科收治的20例腫瘤患者，其中頭頸部腫瘤鼻咽癌5例，胸部腫瘤食管癌和肺癌各5例，腹部腫瘤直腸癌5例。所有患者采用仰臥位，熱塑膜進行體位固定，CT掃描的圖像信息傳輸至飛利浦Pinnacle3Version 9.8 TPS進行三維重建，主管醫生勾畫靶區，每例患者重新設計VMAT計劃，采用179°～181°逆時針和181°～179°順時針的兩個全弧照射，準直器角度為0°，治療床角度為0°。

1.3 ArcCHECK的校準

（1） ArcCHECK模體的探頭位于表面下2.9 cm，其等效水深為3.3 cm。因此，將IBA水箱按SSD=86.3 cm擺位，水深3.3 cm，并放置電離室，射野大小10 cm×10 cm，加速器出束200 MU，測量絕對劑量三次，記錄平均值。

（2）將ArcCHECK模體對準激光燈擺位，SSD=86.7 cm，連接線纜和電腦，打開SNC Patient Version 6.2.3軟件自動行本底校準（初次擺位時還需進行旋轉和傾斜校正）。

（3）根據軟件提示的擺位方式、射野大小、MU數，行矩陣探頭個異性校準，Normalized Reference Profile曲線所示的比值位于1～1.05之間表示對稱性良好（圖1）。

（4）在射野大小10 cm×10 cm，加速器出束200 MU，輸入第1步記錄的絕對劑量平均值，完成絕對劑量校準。

圖1 矩陣探頭個異性校準的Normalized Reference Profile曲線

1.4 劑量驗證方法

1.4.1 γ通過率評估

在TPS中將20例患者的VMAT計劃移植到ArcCHECK模體上重新計算劑量，并把RT Plan和RT Dose文件導入SNC Patient Version 6.2.3軟件，使用患者計劃出束，ArcCHECK模體下測量，評估每例患者的γ通過率，并保存測量結果的*.acml文件，γ通過率使用的標準為3 mm，3%，閾值10%。

1.4.2 靶區和危及器官劑量體積參數比較

將TPS中患者VMAT計劃的RT Plan、RT Dose、RT structures和CT images文件導入3DVH Version 3.2軟件，并打開患者劑量測量結果的*.acml文件重新進行劑量計算，采用劑量微擾算法（Planned Dose Perturbation，PDP），比較靶區和危及器官3DVH重新計算結果與TPS計算結果劑量體積參數的偏差，劑量體積偏差（%）=（3DVH重新計算值-TPS計算值）/TPS計算值×100%。

2 結果

2.1 γ 分析結果

20例腫瘤患者VMAT計劃γ通過率，見表1。所有患者的γ通過率平均值為（98.1±1.1）%，除了1例鼻咽癌患者的低于95%以外，其余病例的γ通過率均＞95%。

表1 20例腫瘤患者VMAT計劃γ通過率（%）

2.2 靶區和危及器官劑量體積參數比較

靶區和危及器官TPS計算結果與3DVH重新計算結果劑量體積參數的偏差見表2～4。其中1例鼻咽癌、食管癌、肺癌、直腸癌的靶區和危及器官DVH比較結果，見圖2。從頭、胸、腹三個部位腫瘤驗證情況看，靶區PTV的D2%、D98%、D50%、Dmean偏差均較小，都在3%以內；危及器官方面，鼻咽癌有1例左、右晶體Dmax偏差分別在8.63%和7.01%，直腸癌有2例左、右股骨頭V50偏差大于5%，其余病例的危及器官劑量體積偏差均小于5%。從測量的數據可以看出，鼻咽癌中晶體由于體積小，而且本來限制比較低所以劑量偏差比其他危及器官的大；對評價體積參數的危及器官通常高劑量區體積所占百分數較小，因此偏差也相對大一些。

表2 5例鼻咽癌3DVH重新計算結果與TPS計算結果劑量體積參數比較

表3 5例食管癌和5例肺癌3DVH重新計算結果與TPS計算結果劑量體積參數比較

表4 5例直腸癌3DVH重新計算結果與TPS計算結果劑量體積參數比較

圖2 靶區和危及器官DVH比較結果

3 討論

VMAT技術相比IMRT技術增加了角度自由度，在計劃優化過程中可以擁有更優的角度選擇性，投照過程機架角度隨著控制點改變，MLC同時進行變化，而子野權重變化形成劑量率的變化，理論上靶區的均勻性也會越好[2]。但其多個可變的參數使計劃執行過程更加復雜，如機架到位精度、MLC運動精度、劑量率與時間的響應特性等都會影響計劃的準確執行。因此，放療前保證計劃劑量準確投照到患者是臨床放療安全、有效實施地關鍵環節。以往點劑量和二維平面劑量的驗證只能提供單個點和平面的劑量信息，劑量驗證包含的內容太過局限，因而必須進行多個感興趣點和平面的測量，給驗證工作帶來諸多不便。二維驗證工具在IMRT不同角度或VMAT旋轉照射時表現出角度依賴性，如果不進行修正會帶來劑量偏差[6]。以往IMRT使用的單野角度歸零進行劑量測量，這樣在驗證時與實際出束的過程存在很大差異，往往忽略了不同角度時重力對機架和MLC的影響、碳纖維治療床對射線衰減和散射的影響等，射野歸零相比實際角度驗證特別在水平線下的角度或90°、270°附近的角度驗證結果均明顯提高[7-9]。因此，使用ArcCHECK三維劑量驗證系統保證了旋轉照射中的劑量信息，本研究中三種部位腫瘤VMAT計劃γ通過率除1例鼻咽癌為94.2%，其余均＞95.0%，取得了較好的驗證結果，與國內外一些研究中的結果類似[10-11]。

γ分析法廣泛運用于臨床劑量驗證系統，它將測量的劑量分布作為參考信息與TPS計算的劑量分布比較，彌補了劑量差異法和DTA（Distance-To-Agreement）法各自的不足，不管是劑量梯度較大的區域還是劑量分布平緩的區域，其計算值的誤差較小[12]。然而γ分析法缺乏與臨床解剖結構感興趣區劑量參數的相關性，有些情況下即使γ通過率＞95%也可能出現較大劑量誤差[13]。本研究利用3DVH軟件PDP算法重建患者劑量分布，提供了靶區和危及器官劑量體積參數信息，在與TPS計算結果的比較中，PTV的劑量偏差均在3%以內，危及器官的劑量體積偏差大部分在5%以內。但是，受VMAT計劃執行的復雜性和儀器分辨率的影響，小體積的危及器官或高劑量區體積很小的部分容易偏差較大，但是多大的偏差能為臨床可接受，這也是后續需要解決的問題。同時筆者在研究過程中也發現通過3DVH軟件的劑量重建，如果整個計劃劑量偏差較大，軟件計算會有警告提示，這反映出可能是加速器的絕對劑量偏差或擺位誤差等較大時帶來的劑量偏差，這時就需要物理師對加速器的劑量進行校準或擺位進行驗證。

目前，許多劑量驗證的研究證實了ArcCHECK與3DVH在臨床應用的準確性，特別對MLC運動誤差、不同分辨率等情況下驗證的結果也做了分析[14-16]。但是，ArcCHECK是一個均勻的有機玻璃模體，而人體各組織是不均勻的，其缺點是模體測量的劑量與人體受照劑量還是有一定誤差，3DVH在劑量重建時未考慮非均勻介質的影響[17]。

綜上所述，ArcCHECK三維劑量驗證系統在臨床VMAT計劃的劑量驗證中仍然是一個快捷、簡便的驗證工具，而3DVH提供了靶區和危及器官的劑量體積參數，是對ArcCHECK測量的一個延伸，結合這兩個方面的驗證結果將有助于提高臨床腫瘤放療的安全保障。