鼻咽癌調強計劃分野和大野Portal Dosimetry劑量驗證的分析比較

時飛躍，王敏，趙紫婷，秦偉，趙環宇，魏曉為

1. 南京醫科大學附屬南京醫院（南京市第一醫院） a. 腫瘤放療中心；b. 醫療設備處，江蘇 南京 210006；2. 南京醫科大學 醫學物理研究中心，江蘇 南京 210029

引言

鼻咽癌（Nasopharyngeal Carcinoma，NPC）是最常見的頭頸部惡性腫瘤之一，由于腫瘤靶區形狀復雜且周圍有較多重要器官，因此臨床上患者多采用放射治療的方式進行治療。調強放射治療（Intensity Modulated Radiotherapy，IMRT）不僅能為靶區提供高度適形的劑量分布，而且能夠保護周圍的危及器官和正常組織，是目前治療NPC的主流放療技術[1]。由于NPC的腫瘤靶區形狀復雜，周圍需要保護的危及器官較多，因此其IMRT計劃也比較復雜，一般采用7個或9個射野的布野方式。為了確保NPC計劃復雜的劑量分布準確傳輸到患者身上，需要對IMRT計劃進行劑量驗證。近年來，電子射野影像裝置（Electronic Portal Imaging Device，EPID）越來越廣泛地被應用于IMRT和容積旋轉調強（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）計劃的劑量驗證中[2-4]。使用基于非晶硅EPID的瓦里安Portal Dosimetry（PD）系統對放療計劃進行劑量驗證，具有操作簡單、使用方便、顯示結果及時等諸多優點[5]。瓦里安醫用直線加速器的多葉準直器（Multi-leaf Collimator，MLC）因為采用獨特的驅動設置，所以大靶區射野（即大野，Large Field）會自動生成2～3個分野（Split Field）[6]。加速器在執行上述治療計劃時可根據是否支持大野調強，選擇按照大野或分野方式出束。對于由治療計劃生成的PD劑量驗證計劃，早期軟件版本只支持按照每個分野出束，后來可以選擇按照大野或分野出束。由于NPC靶區尺寸較大，其IMRT計劃的射野多為大野。關于分野和相應大野Portal Dosimetry劑量驗證結果的差異和聯系，尚未見報道。本研究通過對NPCPD劑量驗證計劃的分野和大野進行比較分析，得到兩種射野Gamma通過率的相關數據差異，為物理師評估NPC調強計劃的PD劑量驗證結果提供有益的參考和指導。

1 材料與方法

1.1 病例選擇

選取2016年6月至2018年6月南京醫科大學附屬南京醫院（南京市第一醫院）收治的NPC患者11例。所有患者均為初次治療且病理或細胞學證實為NPC，放療計劃（或首程放療計劃）采用9野計劃設計，并且每個治療射野均為由兩個分野組成的大野。排除治療射野為非大野，或由三個分野組成的大野的病例。患者相關統計資料見表1。因NPC患者腫瘤靶區較多且不同患者情況不同，故表中只選取PGTV的體積（VPGTV）和所有靶區的總體積（VPTV-Sum）進行統計。 表中總劑量是特指給予PGTV的總劑量。以P1-P11對11例患者計劃進行編號。

表1 NPC患者的統計資料

1.2 驗證計劃的制作與執行

在放療工作中，使用瓦里安Eclipse 8.6治療計劃系統設計制作IMRT治療計劃。上述11例NPC患者均采用9野調強方式，機架角度分布如下：280°、300°、320°、340°、0、20°、40°、60°和80°。治療計劃制作完成后，制作治療計劃的PD劑量驗證計劃，由PDIP算法計算得到計算（預測）劑量圖像。本單位Portal Dosimetry版本為8.6.23，因此每個大野（Large Field）在PD驗證計劃中分成2～3個分野。本研究為了統計分析及論述方便，選取的每個調強計劃中的射野，都是能夠分成2個分野的大野。更高版本的Portal Dosimetry（版本10.0及以上），治療計劃的大野在制作PD驗證計劃時，可以選擇生成大野或分野來進行驗證。

使用Clinac iX直線加速器出束，執行上述PD驗證計劃。驗證計劃執行結束后，在PD軟件模塊里使用Gamma分析工具，對計算劑量分布和測量劑量分布進行比較，獲取每個分野的Gamma通過率值等劑量驗證結果。分析參數距離符合度、標準劑量差異和劑量閾值分別設定為3 mm、3%和10%。

1.3 大野數據的獲取

選取的11例NPC患者的治療計劃，其射野均為大野。每個大野在PD驗證計劃中分成兩個分野。對每一例PD驗證計劃，導出每個分野的計算圖像和測量圖像的DXF文件。對于測量圖像的DXF文件，通過將兩個分野DXF文件中兩個數字矩陣相加，得到相應大野測量圖像的DXF文件。對于計算圖像的DXF文件，首先將每個分野DXF文件中的數字矩陣乘以相應的MU值，乘積結果矩陣記為M，然后將M矩陣相加，從而得到相應大野計算圖像的DXF文件。最后將計算和測量兩類DXF文件導回PD軟件模塊，然后使用PD的相應分析菜單和工具，從而實現對大野進行Gamma分析[7]。圖1所示為兩個分野合成一個大野的示意圖。a和b兩個分野的計算劑量分布合成大野c的計算劑量分布；d和e兩個分野的測量劑量分布合成大野f的測量劑量分布。

圖1 兩個分野合成一個大野的計算和測量劑量分布示意圖

1.4 統計分析與比較

11例PD驗證計劃，每例計劃有18個分野，共計有198個分野，對應了99個大野。統計所有分野和大野Gamma通過率的最大值、最小值、平均值和標準差的數據。使用符號G表示射野的Gamma通過率，用ΔG表示分野和大野Gamma通過率的差異。ΔG=G (SF)-G (LF)，其中G （SF）和G（LF）分別表示分野和相對應大野的Gamma通過率值。對ΔG進行統計分析，除了統計最大值、最小值、平均值和標準差，還統計ΔG的絕對值大于3%和5%的個數及所占比例。對每一例PD驗證計劃，分別對18個分野和9個大野，統計最大值、最小值、平均值和標準差。對兩種射野的上述四個統計參數，分別使用配對t檢驗進行比較分析，以P＜0.05為有統計學差異。

2 結果

對198個分野和99個大野，分別統計Gamma通過率（G）的最大值、最小值、平均值和標準差，統計結果列于表2。對分野和大野，分別統計不同范圍G值的射野數目及所占百分比，統計結果如表3所示。對198個分野與相應大野的G值，使用配對t檢驗進行比較，兩組數據沒有統計學差異（P=0.095＞0.05）。

表2 所有分野和大野Gamma通過率的相關統計數據

表3 Gamma通過率相關數值的數目及所占百分比

對G值小于90%的射野進行詳細分析。有一個大野（記為L1）的G值為88.69%，其對應的兩個分野（分別記為S1-a和S1-b）的G值分別為99.92%和98.10%。有兩個分野（分別記為S2-b和S3-b）的G值小于90%，分別為89.67%和88.09%，S2-b對應的S2-a和L2的G值分別為99.36%和95.46%，S3-b對應的S3-a和L3的G值分別為99.29%和95.78%，見圖2。

圖2 分野和大野Gamma通過率的差異（ΔG）

評價一個PD驗證計劃的結果，不只關注單個射野的數據，還要對所有射野的整體情況進行評價。對11例PD驗證計劃，計算每例計劃分野和大野Gamma通過率的最大值、最小值、平均值和標準差。表4列出了平均值±標準差的數據。對兩種射野（分野和大野）的上述四種參數分別使用配對t檢驗，結果顯示除最大值（P=0.004＜0.05）外，最小值、平均值和標準差都沒有統計學差異（P=0.550、0.230和 0.734＞0.05）。

表4 NPCPD驗證計劃分野和大野Gamma通過率的統計和比較

3 討論

最初EPID的設計目標是解決臨床上射野形狀、位置和患者擺位驗證的問題[8]。后來由于其具有較高的分辨率、較快的獲取圖像速度及良好的劑量響應特性，使得EPID在劑量驗證方面的應用越來越廣泛。朱金漢等[9]、李玉成等[8,10]、張朋等[11]，使用EPID進行了二維和三維劑量驗證方面的研究。瓦里安的Portal Dosimetry（PD）系統，包含非晶硅EPID和PD軟件模塊，可用于IMRT和RapidArc放療計劃的劑量驗證，可分析得到每個照射野（射弧）的劑量驗證結果。黎旦等[12]、張基永等[13]、孟慧鵬等[14]、胡俏俏等[15]、王杰等[5]，使用PD系統對IMRT或VMAT計劃進行了劑量驗證，并與其他劑量驗證設備的驗證結果進行了比較。我們前期使用PD系統對NPC和宮頸癌的調強劑量驗證計劃進行了研究，其中對宮頸癌的研究中涉及了分野與總射野（大野）的PD劑量驗證[7]，對NPC的研究中提出了使用計劃的總射野評價PD劑量驗證結果的方法[16]。

在射線出束過程中，瓦里安23EX、Clinac iX、Trilogy等加速器的MLC葉片可以運動，但是Carriage不可以運動，且MLC最大伸出范圍為15 cm。因此當IMRT計劃中靶區尺寸較大導致射野X接近15 cm時，射野會自動分野，原始的照射野（大野）會分成2～3個分野，每個分野有不同的Carriage位置。楊波等[17]、Wei等[18]、楊濤等[19]比較了調強分野與固定鎢門技術在大靶區腫瘤放療中的劑量學參數和治療效率。本研究中，選取的每例NPC治療計劃均采用9野射野分布，每個射野均為大野，由治療計劃制作PD驗證計劃時每個大野分成兩個分野。

由198個分野和99個大野Gamma通過率的統計結果可見，分野和大野整體的G值都比較高，表明這些NPC調強放療計劃射野參數的網絡傳輸和治療實施比較準確。由198個分野和相應大野的配對t檢驗結果可見，分野和大野的Gamma通過率沒有統計學差異。由對三組個別射野（L1，S1-a，S1-b ；L2，S2-a，S2-b；L3，S3-a，S3-b） 的Gamma通過率的分析可見，兩個G值偏小的分野合成大野的G值可能較大；G值較大的大野對應的其中一個分野的G值也可能偏小。由圖1及表3中ΔG和ΔG絕對值的統計數據可見，分野和大野Gamma通過率的差異整體上較小，其中ΔG為0.26%±2.21%，ΔG的絕對值為1.38%±1.75%。由ΔG的統計還可見，絕大部分（大約95.98%）射野的ΔG值在-5%～5%的范圍內，大部分（88.38%）射野的ΔG值在-3%～3%的范圍內。由表1、表2及相應統計數據可見，11例PD驗證計劃，每例計劃中大野Gamma通過率值的平均值都大于96.5%，分野Gamma通過率值的平均值都大于97%表明，這些PD驗證計劃的劑量驗證數據結果較好。配對t檢驗的結果表明，對PD驗證計劃大野和分野分別統計的最小值、平均值和標準差都沒有統計學差異（P＞0.05）。

綜上所述，對于NPC固定野調強計劃的PD劑量驗證計劃，分野和相應大野的Gamma通過率總體上差異較小，但也有極少部分分野和相應大野的Gamma通過率差異較大。對于每例PD驗證計劃所有射野Gamma通過率的平均值和標準差，分野和大野的數據結果沒有統計學差異。本研究的數據和分析結果，可為物理師使用基于EPID的瓦里安PD系統評估NPC調強計劃的劑量驗證結果，提供了有益的參考依據。