基于醫(yī)用直線加速器軌跡日志進(jìn)行放射治療劑量投照的質(zhì)控

馬陽光，麥日珍，李國文，韓 濱，孔凡洋，冀傳仙，姬騰飛，劉樂樂，郭躍信

1)鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射治療部 鄭州450052 2)鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)裝備部 鄭州 450052 3)鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院放療二科 鄭州 450052

以三維適形放射治療(three-dimensional conformal radiation therapy,3D-CRT)、調(diào)強(qiáng)放射治療(intensity modulated radiation therapy, IMRT)、容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療(volumetric modulated arc therapy, VAMT)為代表的精確放療技術(shù)，能在大幅提升靶區(qū)劑量的同時，使周邊正常器官受較小的影響，從而提升放療療效和患者生存質(zhì)量。但伴隨這些新技術(shù)而來的還有繁多的放療數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在計劃系統(tǒng)(treatment planning system, TPS)生成后傳到網(wǎng)絡(luò)，而后傳到加速器執(zhí)行。保證這些數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸和執(zhí)行是保證患者接受安全、準(zhǔn)確治療的關(guān)鍵。利用加速器日志進(jìn)行劑量驗證和質(zhì)控已有報道[1-7]，但現(xiàn)有手段主要為劑量比對，評估結(jié)果單一，不能很好反映放療數(shù)據(jù)是否被準(zhǔn)確傳輸和執(zhí)行。

TrueBeam加速器在執(zhí)行放療計劃時，其監(jiān)控系統(tǒng)會每20 ms對各參數(shù)進(jìn)行一次監(jiān)測，監(jiān)測所得各參數(shù)值被以二進(jìn)制格式記錄到一后綴名為.bin的文件中，該文件即為軌跡日志。射線束每中斷一次，產(chǎn)生一個軌跡日志文件。軌跡日志較前代日志(Dynalog，文件后綴.dlg)具有更快的數(shù)據(jù)采集頻率(前代為50 ms)，記錄信息也更豐富。本研究使用Matlab編寫程序，從軌跡日志及計劃中提取參數(shù)并作分析，評估TPS中設(shè)定數(shù)據(jù)與實際執(zhí)行數(shù)據(jù)的偏差，對放射治療劑量投照進(jìn)行質(zhì)控。

1 材料與方法

1.1材料醫(yī)用直線加速器TrueBeam，可同時支持3D-CRT、IMRT和VMAT技術(shù)；外照射TPS Eclipse 13.5，可用于制定3D-CRT、IMRT和VMAT放療計劃；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)Aria，用于存儲、傳輸與控制放療計劃；均為美國瓦里安公司產(chǎn)品。Matlab 2016a軟件(美國MathWorks公司)，用于編寫程序讀取和分析計劃及日志中的信息。

1.2軌跡日志軌跡日志中記錄有患者姓名、編號(ID)、射線能量、放療技術(shù)、機(jī)架角、小機(jī)頭角、劑量率、多葉準(zhǔn)直器葉片(multi-leaf collimator,MLC)位置、控制點、投照劑量、射野名稱、投照時間、治療床旋轉(zhuǎn)及平移位置等信息。每個參數(shù)均有期望值與實際值兩組數(shù)據(jù)。表1為執(zhí)行IMRT計劃所得不同日志文件中記錄的參數(shù)情況。

1.3質(zhì)控流程通過驗證計劃系統(tǒng)生成的各放療參數(shù)是否被加速器準(zhǔn)確執(zhí)行，判斷劑量投照準(zhǔn)確性。圖1是利用軌跡日志驗證放療劑量投照準(zhǔn)確性的流程圖。首先利用Matlab編程讀取計劃和日志信息，而后按照流程進(jìn)行處理分析。各種放療技術(shù)所選定的比較參數(shù)及Dynalog、軌跡日志所包含的參數(shù)情況見表1。

1.3.1 日志離散化 因軌跡日志中信息間隔為20 ms，而計劃文件中僅在每個控制點處有一組數(shù)據(jù)，前者數(shù)據(jù)分辨率較高，比較前需對日志信息離散化，使其數(shù)據(jù)分辨率與計劃文件保持一致。首先利用線性插值法對日志中信息進(jìn)行插值處理，得出各整數(shù)控制點處各組參數(shù)值，而后與計劃中控制點序數(shù)相匹配。

1.3.2 基礎(chǔ)信息比對 比較日志與計劃中患者姓名、ID、治療機(jī)、射線能量是否一致，判別是否調(diào)用錯誤的計劃，保證投照計劃與接受治療的患者匹配關(guān)系正確。

1.3.3 射野參數(shù)比對 主要比較各控制點處鉛門位置、各MLC位置、劑量率、投照劑量數(shù)、機(jī)架角度、小機(jī)頭角度、治療床角度和位置等參數(shù)。此外，由各控制點處MLC位置、劑量率、投照劑量，計算出該時刻投照通量分布，對期望與投照通量分布進(jìn)行γ比較，實現(xiàn)類似劑量驗證的質(zhì)量評估。

1.3.4 參數(shù)一致性標(biāo)準(zhǔn) 參考美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)家協(xié)會TG142號報告[8]、TG119號報告[9]以及Baozhou等[10]的報道設(shè)定參數(shù)比對誤差允許限，如下：機(jī)架角、小機(jī)頭角設(shè)為0.5°，鉛門、MLC位置設(shè)為2 mm，投照劑量設(shè)為3%，通量γ通過率差別不大于10%(比對條件為：3%/3 mm，閾值選為10%全局最大值)[11]。

圖1 利用軌跡日志驗證放療劑量投照準(zhǔn)確性流程

表1 Dynalog與軌跡日志記錄的IMRT參數(shù)及不同放療技術(shù)質(zhì)控參數(shù)的選擇情況

Y：包含或選擇；N：不包含或未選擇

1.4可靠性驗證對一項傳至Aria的IMRT計劃引入人為誤差。將第65控制點處A側(cè)所有葉片閉合1.5 mm，第79控制點處小機(jī)頭角度旋轉(zhuǎn)10°，第120控制點處A(左)、B(右)方向、G(機(jī)頭)、T(靶區(qū))方向鉛門位置均增大5 mm。最后將修改前和修改后的計劃在加速器執(zhí)行，并利用上述程序驗證。

1.5臨床病例測試選取3D-CRT、IMRT、VMAT放療病例各6例，由Eclipse制定計劃并經(jīng)Aria傳輸至TrueBeam執(zhí)行，利用1.3中的程序及流程對測試結(jié)果進(jìn)行分析比較，驗證TrueBeam加速器執(zhí)行計劃的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果

2.1計劃信息的讀取所有測試Matlab所讀取的基礎(chǔ)信息與Eclipse中顯示的一致。前者所得鉛門、MLC位置精度均達(dá)到10-5mm，Eclipse中對應(yīng)精度分別為1 mm、0.01 mm。此外，程序還從計劃文件中讀取了計劃制定物理師、設(shè)備廠商、CT圖像名稱、放療參數(shù)執(zhí)行誤差允許限、患者擺位幾何條、計劃批準(zhǔn)狀態(tài)、軟件版本號等信息。計劃文件顯示，3D-CRT計劃控制點個數(shù)由子野數(shù)目決定，IMRT、VMAT計劃單個野控制點個數(shù)分別為166、178。

2.2日志信息的讀取日志頭文件主要含MLC數(shù)目和類型、射野個數(shù)、采樣頻率及總幀數(shù)等。數(shù)據(jù)部分按照采集時間排列，每幀除包含表1中的信息外，還包括呼吸門控、坐標(biāo)系類型等。日志中坐標(biāo)系為瓦里安坐標(biāo)系，日志讀取程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)變?yōu)槌Ｓ玫腎EC1217坐標(biāo)系。此外，日志中1～60 MLC對應(yīng)計劃中A列左下角到左上角60個葉片，61～120對應(yīng)計劃中B列右下角到右上角60個葉片。離散化可準(zhǔn)確使日志信息與計劃信息匹配。

2.3可靠性驗證所有測試?yán)罩局懈鲄?shù)實際值和計劃參數(shù)差別分布與日志中各參數(shù)實際值和期望值差別一致，且均在允許限內(nèi)，日志中各參數(shù)期望值與計劃參數(shù)一致。計劃修改前后，日志中第65控制點處A側(cè)葉片期望值偏差為1.497 mm，第79控制點處小機(jī)頭角度期望值偏差10°，第120控制點處AB方向、GT方向鉛門偏差分別為4.998 mm、5.002 mm，上述參數(shù)實際值偏差平均值分別為1.498 mm、9.998°、4.997 mm、4.999 mm，與人為引入誤差一致。

2.4臨床日志分析測試?yán)罩局兴袇?shù)在所有控制點處的期望值與實際值誤差均在容許限內(nèi)。其中VMAT病例日志中所記錄的MLC位置誤差、機(jī)架角度誤差較IMRT、3D-CRT日志中對應(yīng)誤差大，而小機(jī)頭角度、治療床角度、治療床位置誤差與3D-CRT結(jié)果一致(表2)，這一結(jié)果與現(xiàn)有經(jīng)驗一致。圖2是一例VAMT日志中各時刻投照劑量、機(jī)架角度、120片MLC位置實際值與期望值的偏差情況。

2.5臨床計劃與日志比對將計劃與日志按控制點匹配后，各控制點處各參數(shù)值與日志中各參數(shù)期望值一致，利用日志中期望值與實際值比較評估計劃值與實際值的偏差情況。所有測試投照通量與計劃所得期望通量在1%/1 mm標(biāo)準(zhǔn)、10%最大值為閾值條件下做γ比較，得γ通過率均大于99%，圖2(右下)為其中1例比較結(jié)果的分布。研究中單個3D-CRT病例分析時間均不大于30 s，單個IMRT、VMAT病例分析均在1 min內(nèi)完成。

表2 不同放療技術(shù)測試?yán)罩局懈鲄?shù)期望值與實際值的差別

圖2 各時刻投照劑量(左上)、機(jī)架角(右上)、所有MLC(左下)實際值與期望值的偏差情況及γ通過率(右下)比較結(jié)果

3 討論

精確放療需全流程質(zhì)控，這是臨床精確放療的共識。與傳統(tǒng)質(zhì)控相比，本研究中的方法具有以下優(yōu)勢：一是能夠獲取患者實際治療時劑量投照情況，而非傳統(tǒng)方法中的治療前或治療后獲取的數(shù)據(jù)；二是既能給出實際投照通量與計劃通量γ比較結(jié)果，又能顯示出每個具體參數(shù)在某一時刻的誤差情況，結(jié)果所含信息更豐富、直觀，便于后期問題的查找分析；三是整個流程可自動化完成，快速便捷，且發(fā)生人為誤差的概率更低。

日志信息離散化是一大挑戰(zhàn)。本組1例VMAT測試?yán)罩局杏涗浶畔⒐灿?0 093幀，而控制點數(shù)僅為533個，這意味著離散化將使日志中大量信息丟失。由日志、計劃匹配結(jié)果得知，日志中每個數(shù)據(jù)采集時刻各參數(shù)的期望值為計劃信息在該時刻的插值。此外，當(dāng)加速器執(zhí)行計劃時，若某一幀處某一參數(shù)誤差超過容許限，控制中心會在接下來兩幀內(nèi)對該參數(shù)予以修正，若兩幀內(nèi)未能完成修正，將觸發(fā)聯(lián)鎖，加速器停止治療。因此，日志離散化雖然丟失了大量信息，但由于上述兩個機(jī)制的存在，離散化后的日志信息仍能準(zhǔn)確地反映加速器執(zhí)行計劃的精準(zhǔn)度。

軌跡日志中角度、位置信息記錄精度均高于或等于計劃信息中的精度。日志中實際角度或位置信息由加速器電位器或其他檢測系統(tǒng)反饋得到，精度可靠。而各參數(shù)期望值雖然由計劃信息插值得到，但其代表著給予加速器的指令，因此其精度也可靠。而計劃參數(shù)值與日志中的期望值相比，則處于次要地位。此外，Eclipse中各參數(shù)有效位數(shù)顯示較少，僅是計劃中對應(yīng)參數(shù)四舍五入后的顯示值，實際有效位數(shù)以計劃文件中的記錄為準(zhǔn)。

軌跡日志信息豐富，通過建立日志中各參數(shù)間關(guān)系，可實現(xiàn)對計劃執(zhí)行難度的評估。對所得難度進(jìn)行分級，給予不同級別的質(zhì)控措施，可實現(xiàn)精細(xì)化放療質(zhì)控，使臨床質(zhì)控工作具有更強(qiáng)的針對性和更高的效率。此外，抽取計劃及日志中各參數(shù)特征值，利用深度學(xué)習(xí)算法構(gòu)造模型，實現(xiàn)對投照劑量及潛在問題的預(yù)測，可建立劑量投照誤差預(yù)警系統(tǒng)，對加速器可能出現(xiàn)的誤差提前給予警報并及時予以修復(fù)[3]。

軌跡日志的采樣間隔為20 ms，較高的采樣頻率使其非常適用于劑量率高達(dá)2 400 MU/min的非均整(flattening filter-free, FFF)射線及大劑量立體定向放療的質(zhì)量控制[3,12]。本研究中僅對均整射線(flattening filter, FF)常規(guī)放療的質(zhì)控做了研究，后續(xù)將開展針對電子線、FFF、立體定向放療的研究。

利用軌跡日志質(zhì)控也存在局限性。一是日志不能反映擺位信息、組織補(bǔ)償器添加情況、劑量計算準(zhǔn)確性等不經(jīng)過或無法在網(wǎng)絡(luò)上反映的參數(shù)。這些信息還需物理師利用第三方工具手動檢測。二是日志的準(zhǔn)確性高度依賴于加速器各參數(shù)的準(zhǔn)確校準(zhǔn)，若校準(zhǔn)存在問題，日志信息將不準(zhǔn)確，此方法也不再可靠。但已有相關(guān)研究[13-15]表明日志準(zhǔn)確性足以用于加速器放射治療質(zhì)控，且日志能夠展示出加速器自身執(zhí)行放療計劃的狀態(tài)，為臨床放療劑量投照質(zhì)控工作提供有力支撐。

利用TrueBeam軌跡日志進(jìn)行放射治療劑量投照質(zhì)量控制是一種端對端的數(shù)據(jù)傳輸與檢測方法，它能夠高效、準(zhǔn)確地給出結(jié)果，省時省力。將此方法與傳統(tǒng)方法相結(jié)合，能為臨床質(zhì)控工作提供更多信息及更可靠的結(jié)果。