圖像引導放療技術下癌癥治療質量保證和質量控制的研究進展

張磊 劉魯迎 方敏

[摘要] 國內惡性腫瘤患者病例數越來愈多，死亡率也居高不下。放射治療是目前治療癌癥的三大有效方式之一，放療環節中的質量保證和質量控制對于提高腫瘤患者的治愈率有重要的作用，先進的圖像引導下的放療技術能夠在治療過程中準確的核定治療的位置，保證劑量投射的精度，較大程度的提高了腫瘤患者的治療效果。同時放療計劃的二維及三維模體劑量驗證也是質量保證的重要部分，其在一定程度上確保放療物理師設計的放療劑量與直線加速器出束的劑量能相對一致。如何精確有效地保證放療各環節中的治療質量是放射治療界的重點研究方向。本文主要探討目前放射治療中圖像引導技術實施及放療計劃劑量驗證中的質量保證與控制，同時針對日新月異的設備與技術，探索新的放療質量保證措施。

[關鍵詞] 圖像引導;腫瘤放療;劑量驗證;質量保證;質量控制

[中圖分類號] R734.2 ? ? ? ? ?[文獻標識碼] A ? ? ? ? ?[文章編號] 1673-9701（2019）13-0163-06

[Abstract] The number of cases of malignant tumors in China is increasing， and the mortality rate is also high. Radiation therapy is one of the three effective ways to treat cancer. Quality assurance and quality control of the radiotherapy play an important role in improving the cure rate of cancer patients. The advanced image-guided radiotherapy technology can accurately verify the position of the treatment during the treatment process， ensure the accuracy of the dose projection， and greatly improve the treatment effect. At the same time， the two-dimensional and three-dimensional phantom dose verification of the radiotherapy plan is also an important part of the quality assurance， which ensures that the radiotherapy dose designed by the radiotherapy physicist is relatively consistent with the dose of the linear accelerator. How to accurately and effectively ensure the quality of treatment in all aspects of radiotherapy is the key research direction of the radiotherapy community. This article mainly discusses the current quality assurance and control in the image-guided technology implementation and dose verification in radiotherapy， and explores new radiotherapy quality assurance measures for the ever-changing equipment and technology.

[Key words] Image guidance; Tumor radiotherapy; Dose verification; Quality assurance; Quality control

2018年全球癌癥統計數據報告了185個國家中的36類癌癥的發病率與死亡率，其中全球全年新發癌癥病例1810萬，亞洲區域占近一半，癌癥死亡患者約960萬，亞洲區域占近70%。肺癌依舊是發病率（11.6%）與死亡率（18.4%）最高的惡性腫瘤，其次發病率最高的為乳腺癌（11.6%），死亡率最高為結直腸癌（9.2%）。中國的癌癥數據在2018年統計中發病率與死亡率占全球最高，新增病例380.4萬例，死亡病例229.6萬[1]。放射治療是目前治療多種惡性腫瘤的重要方式之一，約50%～70%的癌癥患者需接受放射治療，放療效果也得到醫學界的廣泛認可[2-4]。但在放射治療過程中，不僅需要考慮惡性腫瘤靶區得到充分的治療，且需要對重要器官加以保護。腫瘤放射治療的根本目的是給予腫瘤靶區足夠高的治療劑量，同時使周邊正常組織和器官（Organs at risk，OAR）的受照射劑量盡量降低，從而提高腫瘤治療的局部控制率，降低危及器官的放療副反應[5-6]。目前放療技術不斷精進，從二維適形到廣泛應用的圖像引導的三維弧形旋轉調強及螺旋斷層放療等，放療精度越來越高，同時放療設備更新換代也逐漸提高了劑量標準。本文主要針對圖像引導的腫瘤放射治療技術及相關放射設備的質量保證和質量控制進行討論，旨在提高放射治療整個實施流程中的安全性認識，保證癌癥患者治療的精確性，盡可能降低放療帶來的毒副反應，進一步改善患者的治療效果和預后。

1 質量保證和質量控制的定義

放射治療的質量保證（Quality assurance，QA）指通過嚴格縝密的方案評判整個放射治療過程中的服務質量和臨床治療效果，并通過質量控制保證放療所有流程中的各個環節按照國際相關部門制定的標準準確安全的執行[7-10]。質量控制（Quality control，QC）便是采用相應的手段保證QA的執行達到公認水準，并且不斷提升治療過程中的細節，達到更好的放療質量。歐洲癌癥研究與治療中心（European Organisation for Research and Treatment of Cancer，EORTC）Mckenzie A在20年的調研結果[11]表明，認真嚴謹的執行QC可以減少不同醫院間、區域間甚至國家間在CT模擬定位、腫瘤靶區勾畫與確定、放療計劃設計及執行方面的誤差及不確定性，從而盡量拉平不同放療機構因參差不齊的設備及醫療水平引起的差異性，達到國際規定的QA允許標準范圍內。

2 放射治療設備的質量保證

圖像引導放療技術中放射治療全過程中主要用到的設備有CT模擬定位機、放療計劃系統及醫用電子直線加速器。其中，醫用電子直線加速器的質量保證最為重要。

國際輻射單位與測量委員會（International commission on radiation units and measurements，ICRU）總結以往的研究后建議患者原發灶腫瘤接受到的治療劑量應控制在處方劑量的±5%以內。這表明在輻射劑量經過一系列步驟傳輸到患者靶區內的每一個環節中精確性必須要優于5%。

直線加速器QA的目的在于確保設備參數不會明顯偏離驗收和調試時所設定的基準值。一旦出現偏差就意味著患者沒有獲得最佳的治療，嚴重的甚至會出現醫療事故。直線加速器QA的方式有多種，廣泛公認的參考標準主要是參考國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）、美國醫學物理師協會（American association of physicists in medicine，AAPM）TG 40[12]及TG 142[13]報告。然而IEC并沒有考慮將加速器的日檢列入標準中。TG 142是在TG 40的基礎上，加入了包括圖像引導等新技術的設備檢測范圍，普遍應用于臨床治療的多葉準直器（MLC）、不對稱光柵、動態虛擬楔形板、電子射野影像系統（EPID）、錐形束掃描CT（CBCT）及呼吸門控裝置[14-17]。與此同時，近年來，直線加速器的準確性和精確性得到較高的改善和提升，一些新的治療方法如立體定向放射外科（SRS）、體部立體定向放射治療（SBRT）、全身光子照射（TBI）和調強放療（IMRT）均得以開展，TG142也相應給出以上治療方式的執行規范。TG 142報告對雙光子直線加速器QA過程的指標包括檢測頻率、檢測項目和誤差指標。

3 放射治療計劃劑量的質量保證

目前，用于腫瘤治療的放射治療方式有三維適形放療（Three dimensional conformal radiotherapy，3D-CRT）、調強放射治療（Intensity modulated radiotherapy，IMRT）、容積旋轉調強（Volumetric modulated arc therapy，VMAT）、體部立體定向放射治療（Stereotactic body radiation therapy，SBRT）、螺旋斷層放射治療（Helical tomotherapy，TOMO）等，其中IMRT按照多葉準直器（MLC）運行模式不同可分為：MLC步進式（step and shoot）的靜態調強技術（S-MLC）、滑窗式的動態調強技術（D-MLC）、旋轉調強技術。VMAT及TOMO均屬于調強技術的范疇。SBRT的實現主要以S-IMRT或VMAT方式，采用多個照射野實施大劑量少療程分割方式。

為了保證放射治療劑量投射的準確性，在治療物理組將放療計劃設計完成后，患者治療前，均需要對所有的調強治療計劃在加速器上進行獨立的劑量驗證[18]，劑量的驗證合格率需達到95%以上。

3.1 靜態調強放療的劑量驗證

S-IMRT常用劑量驗證工具是美國Sun Nuclear公司設計生產的二維放療照射野劑量QA驗證系統Mapcheck，型號1175。Mapcheck面板在22 cm×22 cm有效測量范圍內非均勻的分布著445個N型二極管探測器，其中心間隔在7～14 mm之間[19-21]。每個探測器有效監測范圍是0.8 cm×0.8 cm。調強放療計劃是不可在患者身體上直接測量的，因此需將計劃移植到等效模體上進行測量，Mapcheck驗證模體采用密度為1.05 g/cm3的MapPHAN（Sun Nuclear）固體水塊，等效于水的電子密度1.012 g/cm3。驗證前將安裝有模體的Mapcheck在CT模擬定位室以2.5 mm的層厚進行掃描，掃描的CT圖像傳至放療計劃系統中經三維重建得到數字體模，設置好模體的坐標原點，便可作為調強計劃進行平面劑量的驗證模體。其驗證步驟主要是在TPS中將需要驗證的患者制作對應的QA計劃。將患者的調強治療計劃參數復制到Mapcheck的CT圖像上，機架角度、準直器角度和床角度均選擇0°，劑量計算網格選擇2 mm，射野中心選擇模體的坐標原點，重新進行劑量計算，見圖1。計算的劑量數據導入患者的QA計劃文件夾中。

然后在加速器中機架角打到0°，調整治療床到合適位置，把Mapcheck模體放置到治療床上，機頭下方的位置，連接好線路，調整模體的位置。使激光線對準模體中心線，加速器源到電離室的中心距離為100 cm，進行逐野照射。測量結束后，對患者每一個照射野的平面劑量分布的測量劑量和QA計劃劑量進行對比，以3 mm 3%標準進行DTA（Distance to agreement）方法分析，通過率≥95%表示通過，反之則未通過，肝癌調強計劃一個照射野的劑量對比結果見圖2。

3.2 容積旋轉調強放療的劑量驗證

VMAT主要使用Delta4三維劑量驗證系統（Scandidos，Sweden）進行VMAT計劃的QA驗證。Delta4系統的主體是材質為聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的圓柱狀模體，長40 cm，直徑為22 cm，共有1069個P型硅半導體探測器正交排列分布其中[22]，具有各向同性的特點，不依賴于入射角度，因此可在三維各方向完成劑量測量，探測器為圓柱形，面積為0.0078 cm2，在中心面積6 cm×6 cm的平面，每個探頭間隔0.5 cm，在中心面積20 cm×20 cm的平面，探頭間隔1 cm。這兩個平面依靠主探測板正交分布于整個模體直徑軸上。Delta4系統可與電腦軟件相連，記錄QA計劃執行時的測量劑量，便于用戶比較測量劑量與計劃劑量的差別。驗證前將Delta4模體在CT模擬定位室以2.5 mm的層厚進行掃描，掃描的CT圖像傳至放療計劃系統中經三維重建得到數字體模，設置好模體的坐標原點，便可作為VMAT進行三維劑量的驗證模體，Delta4也可作為S-IMRT的驗證系統。測量結束后，對患者每一個弧度照射野的三維方向測量劑量和QA計劃劑量進行對比，以3 mm 3%標準進行gamma方法分析，通過率≥95%表示通過，反之則未通過。圖3為1例直腸癌VMAT計劃單弧驗證結果。

3.3 螺旋斷層放療的劑量驗證

TOMO計劃劑量驗證方式較多，包括采用一維的EBT3免沖洗膠片、二維的PTW729探測陣列、三維的Delta4及ArcCheck等[23]。其中以膠片的空間分辨率最高，驗證最為精確，但操作步驟復雜，不如二維、三維探測器簡便快捷。膠片驗證采用的是TOMO自帶的圓柱形固體水體膜（Cheese模體），半徑15 cm，長18 cm，模體由2個半球體組成，便于EBT3免沖洗膠片置于半球中間[24]。模體需在CT模擬定位室以3 mm的層厚進行掃描，掃描前在模體貼上3個標記點用于確定模體中心，掃描的CT圖像傳至TOMO系統中經三維重建得到數字體模，作為劑量驗證模體圖像使用。TOMO的驗證步驟中需要調整治療床到合適位置，把cheese模體放置到治療床上，采用激光燈擺位模體。在TOMO放療服務器中調用QA計劃后、連接電離室，將EBT3免沖洗膠片放在模體半球中間位置，采用MVCT，與計劃CT圖像配準，精確擺位后出束照射。測量結束后，在TOMO膠片分析系統中，定性分析膠片測量的橫斷面劑量分布，與QA計劃劑量進行對比，如圖4，以3 mm 3%標準進行gamma方法分析，通過率≥90%表示通過，反之則未通過，查找原因重新驗證直至通過。

4 放射治療執行的質量保證

調強治療和螺旋斷層治療等新技術的廣泛應用可以使得放療計劃質量顯著提高，靶區劑量高適形度，而OAR的受量降低。高、低劑量梯度增加了對劑量投射精度與準確性的要求。常規的放療過程需要短則5 d多則30 d的分次治療，而每次治療期間及治療過程中技術員操作的擺位誤差、固定裝置的松緊程度、患者的自身體型變化、呼吸運動、腸道的消化情況及蠕動和膀胱的充盈狀況等均可能導致腫瘤靶區偏移出照射野范圍，影響臨床治療效果。放射治療執行QA的目的是保證患者接受到的加速器投射劑量與計劃設計時劑量分布盡可能一致，有利于減低OAR并發癥幾率，提高腫瘤治愈效果，避免照射過程中出現靶區偏離。

保證放療過程準確實施的方法是采用圖像引導下的放射治療技術（Image-guided radiotherapy，IGRT）。IGRT原理是在放射治療前使用在線影像系統采集患者的解剖影像，獲取靶區定位的準確信息，并允許定位圖像與計劃CT圖像在線配準，保證兩者固定體位、照射中心點、靶區和OAR位置相吻合，提高治療過程的精準度[25]，保證三維誤差值在各方向上不能超過3 mm。目前臨床應用的圖像引導技術主要包括電子射野影像系統（Electronic portal imaging device，EPID）、錐形束掃描CT（Cone beam CT，CBCT）以及螺旋斷層放療系統的MV級CT。

4.1 電子射野影像系統

電子射野影像系統早在八九十年代便用于臨床圖像引導放療擺位。該系統采用電子技術可在加速器射野出束方向獲取射野影像，組成結構分兩大部分：射線探測器和射線信號影像處理系統。按射線探測方式的差異，EPID分為3類：熒光探測器、固體探測器、液體電離室[26]。瓦里安公司的23EX直線加速器安裝的是非晶硅矩陣的固體探測板，患者擺位固定之后，分別在0°和90°兩個正交方向使用EPID拍攝擺位驗證影像，然后與計劃系統中基于CT圖像生成相同角度的數字重建圖像（DRRs）作比較，驗證治療中心點，校正擺位。ERID圖像分辨率不高，不能很精確的對比器官組織的解剖結構，但EPID同時也是二維劑量測量系統，因此關于EPID在線驗證放療計劃劑量也是研究熱點之一。

4.2 錐形束掃描CT

錐形束CT是在直線加速器上配備KV/MV級影像系統，在射野出束治療前獲取患者定位信息，是現在運用最廣泛的圖像引導技術之一，目前配有此影像系統的加速器型號為瓦里安公司的Trilogy、True Beam和醫科達公司的Synergy等。CBCT的基本原理是通過使用低能量的X射線繞患者作360°環形旋轉獲取多角度平面圖像，利用CT成像的濾波反投射算法，在計算機上將數字信息重建轉換為三維體積圖像，可以識別腫瘤靶區、OAR以及患者體內標志結構[27]。掃描的圖像可以與計劃CT做配準，判定是否需要調整患者治療體位，各方向誤差要求低于3 mm。KV級CBCT系統組成結構包括X射線球管和平板X射線探頭，X射線球安裝在可伸縮臂架上，垂直于直線加速器的出束方向，平板X射線探頭安裝在對側的伸縮臂架。CBCT的主要優點是射線能量低，重建圖像清晰度高，利于軟組織對比。

4.3 螺旋斷層放療系統的兆伏級CT（MVCT）

TOMO系統相當于在類似于CT機的滑環機架結構上安裝了一個6 MV直線加速器，以窄扇形射野（Fan Beam）環繞機械等中心可做360°連續旋轉照射，每旋轉7°形成一個弧形照射野，一個旋轉周期共51個射野。探測器陣列系統安裝在與加速器相對的位置，可隨機架同時旋轉。TOMO系統的加速管可切換2.8 MeV和6 MeV兩種能量，在患者擺位驗證時，輸出2.8 MV的扇形束X光，繞患者旋轉掃描產生MVCT的三維圖像[28-29]。MVCT掃描層厚分6 mm（粗糙）、4 mm（普通）、2 mm（精細）三種模式，圖像系統最大掃描層數限制在80層。MVCT圖像獲取完成后，TOMO的在線圖像配準可以調節橫斷面、冠狀面和矢狀面3個方向的圖像位置，配準模式分手動和自動兩種。自動模式配準方法為：骨性標志配準、骨性標志和軟組織配準、影像信息配準3種。腹部患者治療中可選擇前列腺和膀胱為配準參照物。TOMO圖像引導的優勢在于采用了同源雙束的技術，不需要安裝附加的影像射線產生設備，同時其保證治療坐標和成像坐標的一致性，降低系統誤差[30-31]。由于MV射線特性，MVCT圖像在低對比度分辨率較差，在軟組織成像中劣于KV級CBCT圖像，但成像清晰度足以校正擺位誤差，提高劑量投射精準度，滿足臨床治療需求。

5 展望

圖像引導下的放療技術是目前應用最廣泛，也是最先進的技術之一。世界頂尖級的加速器研發公司紛紛對其不斷研究創新，如最近已通過歐洲CE認證，開始投入使用的醫科達公司的Unity MR Linac磁共振影像引導直線加速器及瓦里安研發中的簡化和增強圖像引導體積強度的HalcyonTM直線加速器。各類先進設備的更新目的都是為了更好的保證放療過程中的計劃劑量和治療精度。圖像引導技術發展日趨完善，分辨率越來越高。但對于劑量質量驗證，傳統二維矩陣板、三維探測器、膠片等目前仍是應用最多的驗證手段，其缺陷在于并不能準確獲取人體實際受照劑量，只采用QA計劃在模體上加以實施。而日益更新的加速器，新的劑量驗證方式可能需要進一步研究分析并加以改進，例如是否可以從圖像引導的驗證CT中，通過計算機分析以重建劑量分布，再與放療計劃系統中的劑量體積直方圖驗證對比，形成新驗證標準等，以不斷提升放療技術的質量，為眾多的癌癥患者實施治療加以保障，提高患者治愈率和預后效果。

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（收稿日期：2019-01-03）