EBT3膠片劑量校準新方法在調(diào)強放射治療劑量驗證中的應(yīng)用

劉志強，魏璽儀，安永偉，劉婷婷，牛瑞軍，趙林，高力英

甘肅省腫瘤醫(yī)院放射治療科，甘肅蘭州730050

前言

自20世紀90年代調(diào)強放射治療（Intensity-Modulated Radiotherapy,IMRT）技術(shù)誕生開始，其劑量驗證一直是臨床質(zhì)量保證工作的一個重要環(huán)節(jié)。劑量驗證一般采用點劑量測量和面劑量分布測量，且這兩種方式互為補充。最近研發(fā)的EBT型免沖洗膠片就是為了更好地進行IMRT的劑量驗證，該膠片既能提供較高的空間分辨率，又免去了沖洗的過程，因此可以簡化經(jīng)典膠片在劑量驗證的流程，提高工作效率［1-2］。目前已有很多研究使用EBT系列免沖洗膠片來完成IMRT 劑量驗證［3-4］。膠片校準方法是找到膠片的像素值與劑量之間的對應(yīng)關(guān)系，然而這種方法步驟繁多且會引入更多誤差，因此本研究試圖引入一種新的更簡便的方法來校準膠片。

1 材料與方法

1.1 EBT膠片和掃描儀

EBT 系列膠片具有很多優(yōu)勢，包括較高的空間分辨率、很弱的能量依賴性以及較高的水等效性（即由輻射場的改變而引入的誤差非常小）［5］。基于這些優(yōu)勢，EBT 膠片非常適用于IMRT 劑量驗證［6］。本研究采用EBT 系列膠片的第三代EBT3（批號：02261503）。較前幾代膠片，EBT3 膠片有很大的改進，如均勻度高于EBT2，結(jié)構(gòu)對稱，免除了掃描時需要考慮膠片的正反情況，表面涂有防牛頓環(huán)涂層等。此外，本研究的掃描儀使用EPSON Express 10000XL平板文檔掃描儀。

1.2 膠片掃描和像素值提取

膠片照射后遮光保存24 h 后開始掃描，掃描儀應(yīng)經(jīng)過至少2 h 的預(yù)熱，使光源設(shè)備達到性能穩(wěn)定。設(shè)置掃描參數(shù)時，應(yīng)關(guān)閉掃描軟件的圖像增強功能，并選擇72dpi 的掃描精度，保存為48 位RGB 彩色tiff格式；掃描時，注意保持膠片的長邊方向和掃描儀的燈管運動方向垂直；掃描完成后，從保存的tiff圖像中提取紅色通道的像素值進行分析。

1.3 膠片的劑量校準

從照射過的膠片中直接讀出其像素值，只有得到像素值與劑量之間一一對應(yīng)的關(guān)系，才能從膠片中讀出劑量，因此需要對膠片進行校準。常規(guī)校準方法是建立像素值和絕對劑量之間的對應(yīng)關(guān)系曲線，由讀取的像素值確定測量劑量［7］。然而這種方法很不可靠，很容易受到一些因素的影響，如掃描儀的光源強度和探測器靈敏度等的影響，因此本研究引入凈光密度（net Optical Density,netOD），將像素值轉(zhuǎn)換為netOD，從而得到netOD和絕對劑量之間一一對應(yīng)的關(guān)系，這樣去除由于掃描儀光源強度和探測器靈敏度的變化等因素引入的誤差。由膠片的像素值得到netOD［8］：

其中，PVunexp、PVexp、PVbckg分別表示未曝光、曝光和不透光黑色紙板的像素值。由上式可以看出，在掃描過程中，曝光和未曝光的膠片中均包含了由掃描儀引入的誤差，但是兩個PV 值相減就可抵消這些誤差，使測量劑量只和netOD相關(guān)，排除掃描儀的影響。

膠片的netOD 和劑量之間的關(guān)系并不是線性關(guān)系，而是隨著劑量的增加，其光密度逐漸趨于飽和狀態(tài)，這類似于放射生物學中的輻射粒子擊中DNA 的單靶單擊模型［9］：netOD(D)=ODmax(1-e-mD)netOD(D)=ODmax(1-（e-2m）D)其中，ODmax為膠片的飽和光密度；m為斜率系數(shù)，描述膠片對射線能量的因子，不同m值代表不同的射線種類或射線能量。膠片校準時，分別用若干個已知劑量的射線照射膠片，測量膠片的像素值，并轉(zhuǎn)換為netOD，由已知劑量和得到的netOD，用最小二乘法擬合數(shù)據(jù)，即可得到ODmax和m值，并得到netOD與劑量之間的關(guān)系。

1.4 計劃劑量驗證

固體水模體經(jīng)CT 掃描導入治療計劃系統(tǒng)（Eclipse,V8.9）。將一例用于測試治療計劃系統(tǒng)計算準確度的IMRT 計劃移植到模體上，機架角歸0°，計算劑量，以DICOM-RT 格式導出等中心處的冠狀位劑量平面的RTDOSE 文件，作為劑量驗證時與測量劑量相比較的參考劑量分布。將EBT3 膠片按照射野大小裁剪為合適的尺寸，放入密封遮光的信封中，盡量減少可見光的照射。模體在加速器（Varian 600CD）治療床上進行擺位，膠片放入驗證計劃設(shè)計的位置，調(diào)取計劃進行照射。驗證前加速器的多葉準直器到位精度和絕對劑量等參數(shù)需經(jīng)過嚴格校準。

1.5 膠片處理

完成照射的膠片經(jīng)掃描儀掃描后以tiff的格式保存。劑量分析時，提取紅色通道數(shù)據(jù)（像素值），并轉(zhuǎn)換為netOD 的二維分布圖。由于校準膠片時已由式（2）得到了netOD與劑量之間的關(guān)系，而式（2）可以轉(zhuǎn)化為式（3）：

可以由已經(jīng)得到的netOD二維分布圖及式（3）得到實際射野劑量的二維分布圖。在進行提取EBT3膠片的紅色通道像素值轉(zhuǎn)換為netOD，以及由netOD轉(zhuǎn)換為劑量的過程中，本研究采用Matlab 軟件并通過編寫程序代碼來實現(xiàn)。

1.6 劑量學比較

將驗證測量的劑量分布和驗證計劃導出的參考劑量文件同時導入OmniPro-Imrt（IBA,V1.4）對比分析兩者的Gamma通過率［10］，完成劑量驗證。

2 結(jié)果

膠片劑量校準實驗中照射的劑量、像素值以及由式（1）計算的netOD如表1所示。

表中的不透光黑紙板表示為在劑量達到飽和狀態(tài)時膠片的像素值，為理想狀態(tài)。因此實際操作時使用一塊黑色不透光的紙板掃描得到其像素值。其凈光密度理論上為1，實際中并不能夠得到。圖1 顯示了膠片netOD和劑量之間的關(guān)系，藍線為實驗測量的結(jié)果，紅線為根據(jù)式（2）擬合的結(jié)果。由擬合結(jié)果可以看出，本研究選擇的擬合公式非常合理，相關(guān)系數(shù)R2達到0.998 99。

表1 膠片劑量校準的劑量、像素值及凈光密度Tab.1 Dose,pixel value and net optical density of film dose calibration

圖1 膠片的劑量響應(yīng)特性Fig.1 Dose response curve of EBT3 film

驗證計劃共計4個射野，圖2顯示了其中的一個射野的劑量驗證結(jié)果。圖2a～c 分別為計劃劑量分布、測量劑量分布和兩個劑量分布對比。圖2c 中X軸方向上的劑量Profile，紅色代表計劃劑量，綠色代表測量劑量。圖2d 為兩個劑量分布的Gamma 對比結(jié)果。表2則顯示了4個射野的Gamma通過率，通過條件分別設(shè)為3 mm/3%和2 mm/2%，分別研究劑量＞0%和＞5%的情況。從結(jié)果可以看出，在所驗證的4個射野中，在3 mm/3%的條件下，Gamma通過率均大于98%，即使在更為嚴苛的條件下（2 mm/2%），Gamma通過率也能接近95%。

3 討論

劑量驗證設(shè)備由最早的慢感光膠片發(fā)展到二維探測器陣列，再到三維測量設(shè)備，已經(jīng)有了長足的發(fā)展。使用慢感光膠片來執(zhí)行劑量驗證時，可以提供非常高的空間分辨率，不足之處是需要沖洗膠片，而沖洗膠片過程非常耗時，且引入的誤差很難避免。此外，使用膠片測量是一個離線的測量方法，即測量結(jié)果不能實時顯示，因而不能馬上得到驗證結(jié)果。開發(fā)的新型探測器陣列能夠更好地克服以上缺點，然而，目前市售的各種探測器設(shè)備，雖測量方便，卻犧牲了空間分辨率，雖然有些設(shè)備能得到高分辨率的結(jié)果，但這些結(jié)果是通過插值計算得到的，和實際測量的高分辨率的臨床意義并不相同。使用EBT免洗膠片來執(zhí)行IMRT劑量驗證更為經(jīng)濟，其更高的分辨率精度甚至可以滿足科研需求。本研究旨在分析EBT3 膠片對X 射線的響應(yīng)特性，并探討使用EBT3膠片完成IMRT 劑量驗證的方法及過程。本研究采用EBT3 膠片進行IMRT 劑量驗證，但此方法并不限于EBT3膠片，還適用于其他型號的免沖洗膠片。此外，基于該技術(shù)在X 射線IMRT 劑量驗證的應(yīng)用，以后有望能用于重離子治療的劑量驗證。EBT3 膠片已進入常規(guī)臨床IMRT劑量驗證的可選項目中，相對于二維探測器陣列，具有空間分辨率高的優(yōu)勢［11］，尤其體現(xiàn)在現(xiàn)代放療中的小射野測量。李君等［12］使用EBT3及其他一些探測器測量射波刀的輸出因子，發(fā)現(xiàn)EBT3 膠片測量結(jié)果和寶石探測器的結(jié)果有很好的一致性，并和蒙特卡羅模擬結(jié)果最為接近，這和Christian 等［13］的實驗結(jié)果也非常吻合。丁艷秋等［14］對比了EBT3 膠片和ArcCheck 在螺旋斷層放射治療的劑量驗證，發(fā)現(xiàn)在小靶區(qū)劑量驗證中，對于劑量梯度較大的區(qū)域及低劑量區(qū)域，EBT3和ArcCheck驗證的Gamma通過率有顯著的統(tǒng)計學差異。郭躍信等［15］使用EBT3 膠片和IBA MatrxX 對Oncentra TPS 進行驗收測試時發(fā)現(xiàn)EBT3 膠片由于具有較高的空間分辨率，可以很好地辨識射野的邊緣。EBT3膠片的劣勢在于無法實時讀取在線驗證結(jié)果，膠片顯影穩(wěn)定時間一般需要24 h，這一特性不太適合目前很多治療中心需要較高的工作效率，然而，因其具有較高的空間分辨率，故常被認為是調(diào)強劑量驗證的“金標準”［16］。

周穎娟等［17］使用標準片來對掃描儀進行校準，確定掃描儀的模數(shù)轉(zhuǎn)換值和吸光值之間的確定關(guān)系，再使用階梯照射膠片確定膠片光密度和劑量之間的關(guān)系，這是使用膠片實現(xiàn)IMRT劑量驗證的標準方法，此方法需要標準片校準掃描儀。由于標準片的獲取困難，并且掃描儀的校準也需花費一定的時間，因此本研究采用了新的校準方法。本研究引入物理量netOD以去除掃描儀燈管光強的差異，即不需要使用標準片來校準掃描儀。本研究中掃描儀需要充分預(yù)熱，待其性能穩(wěn)定即可掃描膠片。使用式（1）可以將由掃描儀引入的誤差全部消除，因此只需一次校準即可，然而當使用下一批次的膠片時，必須要重新建立校準曲線。關(guān)于EBT3 膠片的操作細節(jié)詳見參考文獻［18］。

圖2 1例IMRT計劃的驗證結(jié)果Fig.2 Verification result of a IMRT plan

表2 各射野的Gamma通過率（%）Tab.2 Gamma passing rate of each field(%)

掃描EBT3 膠片時，很容易引入誤差，如掃描時間、膠片放置方向以及膠片的不均勻度等都會給最終的劑量測量帶來誤差［19-20］。圖2d顯示，在對比圖的邊緣處存在Gamma＞1 的區(qū)域，這是由于EBT3 膠片在裁剪時非常容易變形，甚至分層開裂，盡管在掃描時膠片上壓了一層玻璃片來保證膠片的平整，但是還是會引入劑量誤差。因此在分析Gamma 因子時，本研究分別分析了整個范圍內(nèi)（劑量＞0%）和劑量＞5%的區(qū)域的Gamma因子，即可有效排除由于膠片邊緣的不平整引入的劑量誤差。由表2 可以看出排除邊緣區(qū)域相比不排除邊緣區(qū)域的Gamma 通過率更高。

Matlab 軟件可以提供強大的矩陣運算功能。本研究使用Matlab 軟件，從掃描的膠片中提取紅色通道的數(shù)據(jù)，并保存為一個二維數(shù)組；將每一個像素值轉(zhuǎn)化為netOD，再轉(zhuǎn)換為劑量值，并保存為ASCII 文件，導入劑量對比軟件。經(jīng)過這樣的數(shù)據(jù)處理，就可以不需要再次從軟件中輸入校準曲線，即可完成劑量校準，從而減小操作過程中引入的誤差。

綜上所述，使用EBT3 膠片執(zhí)行IMRT 劑量驗證時，采用將像素值轉(zhuǎn)化為netOD，再由netOD 校準劑量的方法，可以去除耦和在掃描過程中的掃描儀的一些誤差，更方便地得到膠片測量劑量的結(jié)果，可以在臨床推廣使用；然而這一方法并不能消除不同批次的膠片的差異，當使用下一批次的膠片時，必須重新建立校準曲線。