基于射野區域劑量驗證新算法的研究與應用*

胡興剛 徐家云 郞錦義 尹剛

(1.四川大學物理科學與技術學院,四川 成都 610064; 2.四川省腫瘤醫院放療中心，四川 成都 610041)

調強放射治療(Intensity modulated radiation therapy，IMRT)越來越多的應用于臨床。在IMRT實施過程中需對治療計劃系統(treatment planning system，TPS)生成的患者受照劑量進行劑量驗證[1]，以保證計劃計算值與實際治療結果間的差別在可以接受的范圍內[2]。因此如何在計劃執行時保證實際劑量分布和計劃系統一致，患者治療計劃執行的劑量驗證是確保治療準確性的關鍵[3-4]。

MatriXX(IBA Dosimetry GmbH，Schwarzenbruck，Germany)二維計劃前驗證是通過對計算劑量和驗證劑量之間進行γ通過率分析來判斷臨床計劃的可行性，MatriXX支持OmniPro-I'mRT包含的多種數據分析工具，測量過程可實時監測且沒有“死時間”[5-6]，因此測量精度和測量效率較高。目前二維電離室驗證存在的主要問題是伽瑪通過率沒有明確的臨床解釋，無法和具體的臨床情況對應起來，比如是靶區劑量欠量還是危及器官過量；同時傳統伽瑪通過率的計算受人為因素的影響較大，如計算閾值、計算區域的選擇[7]。本文基于靶區及正常器官在等中心平面的射線投影來分別考慮不同器官的伽瑪通過率情況，通過6例調強計劃劑量驗證進行討論，用MATLAB軟件實現了對危及器官及靶區γ通過率的計算。

1 材料與方法

1.1 隨機選取6例IMRT計劃完全匿名納入本研究，其中OncentraMasterplan (OMP) (Nucletron BV, Veenendal, The Netherlands)TPS生成的5例調強計劃，治療機器為Varian 23EX直線加速器；以及一位由Varian EclipseTPS生成的頭頸部計劃。將計劃系統優化后的IMRT計劃移植到MatriXX與劑量模體的組合中，按IMRT計劃設計進行照射和測量，由此可得到驗證劑量分布。從患者TPS中輸出DICOM文件，使用MATLAB軟件分析這些DICOM文件，通過視角投影對3D圖形解析，提供等中心2D平面和3D結構之間的空間關系，(見圖1)。基于幾何知識的空間分析，只要能知道CT中任一點的空間位置，就可以求出其在等中心平面(Isoplan)上對應投影的坐標,對劑量文件中的劑量信息采用同樣的分析方法，利用三維線性插值法解決網格差異，并將劑量值投影到等中心平面(見圖2)，每個射野都有對應的等中心面，疊加多個等中平面，可得到一個包含劑量信息和感興趣區域(regions of interest, ROI)輪廓的平面圖(見圖3)，將這個平面圖用來與模體中的絕對劑量值進行分析[3]。

圖1 通過單元透視投影獲得面積透視圖

Figure1Arearenderingviacellperspectiveprojectionareimplemented

圖2每個射野對應一個等中心平面

Figure2Eachfieldhadacorrespondingisocenterplane.

1.2 γ系數的求解如下：

(1)

其中

(2)

基于谷本系數的相似性度量(Tanimoto Coefficient-based Similarity)分析靶區與計算區域的相似度,Tanimoto Coefficient又被叫做Jaccard Coefficient, 靶區與計算區域的相似度用公式表示為：

St表示靶區的面積，Sb表示計算區域的面積，St∩Sb表示二者交疊部分的面積，St∪Sb表示二者面積的并集，其值介于[0,1]之間，值越接近1相似度越高。

2 結果

2.1 將6例調強計劃移植到MatriXX模體并實際照射、測量。評估標準設定為2%/2mm、3%/3mm、4%/4mm、5%/5mm，對傳統方法取測量點中最大值5%、10%、20%區域納入γ通過率計算，采用兩種對比方法，分別為相對劑量比較(采用空間位置相對應的兩個劑量差異和對應點的劑量比值)和絕對劑量比較(采用空間位置相對應的兩個劑量差異和測量值的最大點的比值)，見表1。

圖3IMRT計劃移植到水模體中，計劃系統和模體中的等劑量圖和劑量曲線的疊加

Figure3CalculatedandphantomisodosecontoursandadoseoverlayfromirradiationofaIMRTplanaboveinthewaterphantom

表1 傳統法計算得到的γ通過率(×10-2，±s)Table 1 The results of gamma passing rate using traditional way

注：①表示相對劑量差別的比較；②表示絕對劑量的比較，兩種比較都采用相同的計算區域。

2.2 表1顯示，用相對劑量差別比較計算得到的γ值均小于用絕對劑量比較計算的值，這是由于M值導致的,表2和表3統計了不同計算區域γ值的統計學差異。對分析計算區域的選擇與γ值高度相關，均有顯著性差異，可見傳統方法的γ通過率受閾值選擇影響較大。

表2相對劑量比較法不同計算區域γ值的統計學差異

Table2Thestatisticallysignificantdifferencehasbeenobservedfor%GP.

①方法(P)10%20%5%0.0000.01010%-0.009

表3絕對劑量比較法不同計算區域值的統計學差異

Table3Thestatisticallysignificantdifferencehasbeenobservedfor%GP

②方法(P)10%20%5%0.0000.00010%-0.000

注：①表示相對劑量差別的比較；②表示絕對劑量的比較，兩種比較都采用相同的計算區域；"-"表示無數值。

2.3 采用新方法，以射野區域為計算區域計算6位患者γ通過率，對靶區臨床上主要關注劑量冷點(即γ<-1的點)，而射野區域與計算區域高度適形(見表7)，因此gamma通過率即為計算區域內γ≥-1的像素點所占的比例(見表4)。新方法計算得到γ通過率均較傳統方法高，對比二種方法的γ值有顯著性差異(P<0.05)，見表5。

表4 新方法計算得到的γ通過率(×10-2，±s)Table 4 The results of gamma passing rate of new way

注：①表示相對劑量差別的比較；②表示絕對劑量的比較，兩種比較都采用相同的計算區域。

2.4 新方法和傳統方法計算區域的面積(見表6)，表中可以看出傳統方法計算區域受閾值選擇影響較大。計算區域和靶區的相似度，值越大說明計算區域與靶區適形度越高。射野區域作為計算區域時與靶區高度適形，其余的相似度受閾值的選擇較敏感，見表7。

表5傳統方法和新方法通過率比較

Table5Significantdifference(P-value)betweenthe%GPobtainedusingnewandtraditional%GPcalculationmethod

傳統法5%10%20%新方法①②①②①②①0.002-0.005-0.008-②-0.009-0.010-0.016

注：①表示相對劑量差別的比較；②表示絕對劑量的比較，兩種比較都采用相同的計算區域；“-”表示無數值。

表6 新方法和傳統方法計算區域的面積Table 6 The area of CR for the new method and traditional method

表7 靶區和計算區域適相似度指數Table 7 The index of the area of CR and target

2.5 基于新方法，繪制了絕對劑量平面圖，以1號病人為例(見圖4)包括平面劑量圖，紅色區域的靶區，黑色區域的射野區域和白色區域的脊髓輪廓；圖紅色區域是靶區的γ值區域(見圖5a)，圖白色區域是處于射野內的脊髓的γ值區域(見圖5b)。 對于靶區臨床上關心：是否有劑量冷點，即圖5a中紅色區域中 γ<-1的點；對危及器官脊髓臨床上關心：是否有劑量熱點，即圖5b中白色區域中γ>1的點。

2.6 MATLAB還繪制了3號患者劑量與感興趣區域面積直方圖，圖6是靶區，圖7是脊髓，面積是歸一的，紅色曲線是絕對劑量曲線，黑色線是TPS計算劑量曲線。圖6和圖7呈現的感興趣區域DAH圖能直觀反應TPS與MatriXX模體測量得到的劑量差異。

圖4MatriXX模體得到的正常器官、靶區和劑量在等中心平面的投影分布。

Figure4Theshapeofregion,ROIshape,targetshapeanddosedistributionincaseofMatriXXphantominisoplane

注：a.紅色區域是靶區區域；b.白色區域是脊髓區域

圖5 MatriXX二維值平面圖；Figure 5 MatriXX 2-D plane plan

圖6 靶區單次劑量和靶區面積的關系

Figure6Relationshipbetweentargetdoseandtargetarea

2.7 分別計算了靶區、脊髓(SC)、腦干(BS)、左晶體(LenL)、右晶體(LenR)的γ通過率(見表8)；統計靶區劑量冷點(見表9)；統計了射野內脊髓(SC)、腦干(BS)、左晶體(LenL)、右晶體(LenR)等器官劑量熱點比例，見表10。

圖7 脊髓單次劑量和脊髓面積的關系

Figure7Relationshipbetweensingledoseofspinalcordandareaofspinalcord

表8 靶區、危及器官的 通過率(×10-2，±s)Table 8 The %GP of the target and OARs

注：①表示相對劑量差別的比較；②表示絕對劑量的比較。

2.8 為驗證新方法對驗證計劃偏差正確的響應，以6號患者為例，利用Ecilpse計劃系統的Eidt Fuence功能對通量圖進行編輯，通量圖是一個2D函數，對應于通量區MLC頭上每一個點的值，通量圖的改變轉換為MLC葉片的運動，用以通量圖平面劑量分布的優化，根據需要可對不同的射野的通量圖進行編輯，編輯后重新計算得到劑量分布。[8]在原計劃第四個野的右視網膜中引入一個約為 的通量區域，重新計算得到帶有誤差的計劃，(見圖8和圖9)，然后將帶有誤差的計劃移植加速器上，照射摸體，用摸體記錄劑量分布，并與原計劃進行gamma分析(見表11和表12)。對射野內感興趣區域劑量冷熱點進行分析，結果(見表13)。從表中可以看出引入誤差前后傳統方法計算得到的gamma通過率差別不是很大。與傳統方法相比，新計算得到的通過率差異較大，因此新方法對誤差的響應更敏感。從表13中可以看到腦干中的熱點比例也比較高，這是由于不同危及器官在等中心平面出現了疊加，若對單野進行分析，則可以更好的凸顯不同感興趣區域的劑量特性，見表14。

表9 靶區劑量冷點比例Table 9 The statistics of cold dose spots of target

注：數值為百分制表示。①表示相對劑量差別的比較；②表示絕對劑量的比較。

表10 射野內的危及器官的劑量熱點比例Table 10 Dose hotspots of the OARs within the field region

注：數值為百分制表示。①表示相對劑量差別的比較；②表示絕對劑量的比較。

圖8 在原計劃的第四個視野中引入誤差

Figure8Introducingerrorsinthefourthvisionoftheoriginalplan

圖9 原計劃的第四個射野Figure 9 The original planned fourth shooting fields

2.9 對于靶區，當引入劑量熱點后，相應的劑量將增大，在用絕對劑量比較的時候，由于最大劑量值增大，最大值的2%、3%、4%、5%相應增加，導致劑量冷點減少的較明顯。對危及器官，以右視網膜為例，劑量熱點增加的較明顯，從劑量面積直方圖可直觀的反應引入誤差前后劑量差異，見圖10和圖11。

表11 誤差引入前和后傳統方法計算得到的gamma通過率(×10-2)Table 11 The traditional method is given for the %GP comparisons between the experimental measured plan with and without error

注：①表示相對劑量差別的比較；②表示絕對劑量的比較。

表12 誤差引入前和后新方法計算得到的gamma通過率(×10-2)Table 12 The new method was given for the %GP comparisons between the experimental measured plan with and without error

注： ①表示相對劑量差別的比較；②表示絕對劑量的比較。

表13 誤差引入前和后射野內感興趣區域的劑量冷、熱點比例(×10-2)Table 13 Analysis of the hot and cold spots of ROIs within the field region

注：①表示相對劑量差別的比較；②表示絕對劑量的比較。

表14 對第四個射野內的感興趣區域進行分析(×10-2)Table 14 Analysis of the hot and cold spots of ROIs within the fourth field of region

注：①表示相對劑量差別的比較；②表示絕對劑量的比較。

圖10 無誤差引入時射野內右視網膜總劑量與面積直方圖.

Figure10TheDAHofretina_Rdifferencesbetweentheerror-freeMatriXXandTPS

圖11 有誤差引入時射野內右視網膜總劑量與面積直方圖.

Figure11TheDAHofretina_Rdifferencesbetweentheinduced-errorMatriXXandTPS

3 討論

許多國內外研究者對ss-IMRT使用MatriXX驗證[9-12]。MatriXX二維探測器的設計適用于垂直入射情形，照射野垂直于MatriXX檢測器平面照射，為了減小電離室的角度依耐性[13-15]，機架角度歸零。在IMRT實施過程中需對TPS生成的放療計劃絕對劑量和相對劑量進行測量驗證[1]，以保證計劃計算值與實際治療結果之間的差別達到一個可以接受的范圍內[2]。

分析表1和表6，反映了傳統方法的一個缺陷，計算區域受閾值影響較大，而計算區域直接影響γ通過率的高低，所以γ通過率受閾值的選擇較敏感，與其他發表文章結果一致[2,16]，本文的表2和3也證實了計算區域選擇對γ通過率的影響。從表1和表4中可以看出傳統方法計算得到的γ通過率較新方法低，對 4號患者，傳統方法計算得到的γ通過率為89.93%(最大值)，未通過(按3/3 ,90%為通過標準)，但新方法得到的通過率為99.92%(最小值)。主要是因為重新定義了γ通過率，新方法計算一個特定區域內的γ系數與傳統方法不同，根據臨床評估中醫生主要關注靶區區域的劑量冷點，而靶區區域和計算區域高度適形，見表7，所以新方法中γ通過率是計算區域內γ≥-1的像素點所占的比例，沒有考慮靶區劑量熱點；此外新方法計算區域與傳統方法的計算區域均有差異，也會造成通過率差異。表5結果表明傳統方法和新方法平均γ通過率的差別具有統計學差異，這與兩種方法不同計算區域差異相關；統計計算區域和靶區的相似度，傳統方法中計算區域受人為影響因素較大，因此相似度值差異也較大，見表7，以閾值5%作為計算區域和以閾值20%作為計算區域時的相似度值相差較大；而新方法中計算區域面積始終大于靶區面積，且與靶區高度適形，計算區域不受閾值選擇影響，故受人為影響因素較小；綜上可見新方法能夠更好的發現治療計劃中是否存在問題，能夠更好的指導臨床工作。

新方法中危及器官的熱點可能超標，見表10，這是因為和射野交疊部分的體積很小，若考慮完整危及器官，熱點的比例會大大降低。但與實際情況有關，由危及器官的劑量限制，例如放射治療中脊髓的最大耐受劑量是45Gy[17],但在實際放療計劃中脊髓的最高劑量可能是20Gy，即使熱點比例很高也不會造成脊髓劑量超過45Gy。在另一種情況下，如果實際計劃中脊髓的最大劑量接近45GY，那么QA過程中脊髓的最大劑量就很關鍵，如果超出最大耐受劑量，可能會導致嚴重的后果，因此對危機器官熱點的關注是臨床迫切的需求，但傳統的gamma通過率驗證不能體現這一點。圖6和圖7，統計了3號患者感興趣區域面積和劑量情況，單獨分析靶區和脊髓的劑量特性，對計算區域分離分析，可直觀顯示出模體測量劑量和驗證劑量二者的差異，為計劃的評估提供一個新指標，這是比傳統方法更優越的。表8統計了靶區和OARs的γ通過率，表9、表10中分別統計了靶區劑量冷點和危及器官劑量熱點，從中可以看出γ通過率達標者(按3/3% 90%為通過標準)危及器官劑量熱點和靶區劑量冷點明顯低于未達標者。

對比表11和表12，即誤差引入前后的一個對比，可以看到傳統方法計算得到的通過率變化較小，對誤差不敏感，而新方法計算得到的通過率差異較大，說明新方法對誤差的響應較傳統方法更敏感；同時對射野內部分危及器官做了分析，見表13，由于把空間危及器官投影到等中心平面上，因此出現不同器官的交疊，所以導致其他危及器官也會出現劑量熱點，這樣不容易判斷誤差所對應的可能區域；若采用單野分析可以一定程度上避免這一情況，見表14，反應出誤差可能存在的區域，結合劑量面積直方圖，通過單野在新方法下的比較可以探測誤差而導致危機器官熱點的敏感性；如圖10和圖11是右視網膜的劑量面積直方圖，可以看到引入誤差前后視網膜劑量的變化，可以看出視網膜對應位置的最大劑量由于誤差的引入比TPS計算出的劑量要大很多，很有可能造成視網膜的超量(視網膜平均最高劑量為29Gy[18])，這在傳統的gamma通過率分析中是無法提供的。通過對單野內危及器官的獨立分析可以提供更多的臨床信息，有助于物理師和醫生提供輕松、快速的計劃審查和TPS計算劑量檢查。

本研究的不足：本文并沒有研究VMAT的情況，因為目前的驗證系統還不支持每個控制點的劑量輸出[19-20]，對于危及器官的伽瑪通過率只告訴有多少個點不能通過，并且不提供有關失敗的解剖位置的信息；因此危及器官的伽瑪通過率的臨床意義還需要進一步研究，下一步的研究工作將通過每個射野構建劑量反投影算法，實現基于二維矩陣的三維驗證劑量重建。

4 結論

本文的研究為治療計劃QA提供一個新的思路和方法，其gamma通過率算法還是沿用傳統算法，就計算方法本身而言并沒有提出新的算法。新方法中，我們通過分區驗證各個感興趣區域的劑量特性，獨立分析每個危及器官的gamma通過率，實現了%GP的臨床可解釋，及危及器官與靶區γ通過率和劑量冷熱點的計算，這是新方法特有的優點。提供了更多額外的患者劑量信息，可以從局部評估中了解到患者整體的劑量特性，引入劑量面積直方圖可直觀呈現計算劑量與測量劑量之間的差異，能夠更好的發現治療計劃是否存在問題，為物理師和醫師提供多個計劃評估指標，豐富了評估標準，使γ評估更貼合臨床評估，更好的指導臨床工作。因此新方法更有利于臨床評估，對誤差的響應更靈敏。