調強放療計劃驗證γ 通過率的參考范圍

程燕銘，丘賀金，游鴻強，鄭明志，蔡勇君，林金勇，胡彩容（通信作者）

福建省腫瘤醫院·福建醫科大學附屬腫瘤醫院放療科 （福建福州 350014）

隨著放療技術的快速發展，調強放療（intensity-modulated radiation therapy，IMRT）和容積旋轉調強放療（volumemodulated arc therapy，VMAT）越來越普遍地被用于腫瘤患者的治療中。相對于傳統的常規放療，IMRT和VMAT技術以更高的調制自由度實現對治療靶區的高劑量和高適形度照射，同時又更好地保護了周邊危及器官（organ at risk，OAR）[1-2]。但是，它們在實施過程中涉及較多的動態變化參數，增加了放療計劃的不確定性，因此，在臨床治療前需對每例患者的放療計劃進行劑量驗證[3]。目前，國內外已有較多關于不同驗證工具、驗證軟件和評估方法的應用報道[4-5]，且劑量驗證也成了每家放療中心必做的常規質控項目，但尚無統一的標準參數來反映和評估劑量驗證結果的充分性和可信度。本研究回顧性分析了于我院行調強放療的2 487例患者的計劃驗證結果，探討相應評價標準下，不同病種部位、計劃系統和驗證工具的γ通過率的置信度區間，為開展新的調強放療中心或使用新調強設備時，對其調強放療系統進行臨床劑量驗證的總體劑量精度評價提供一種量化的γ通過率參考范圍。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2017年6月至2019年7月于我院行調強放療的2 487例癌癥（鼻咽癌、喉癌、腦轉移癌、乳腺癌、食管癌、肺癌、直腸癌、宮頸癌、前列腺癌等）患者，按照治療病種部位分為頭頸部腫瘤778例、胸部腫瘤830例、腹部腫瘤879例。

1.2 方法

采用Pinnacle V9.2、Oncentra V4.3及Monaco V5.1.1計劃系統進行計劃設計，并采用IMRT 或VMAT 技術。

計劃驗證：采用ArcCheck 和MapCheck2（Sun Nuclear，美國）分別進行三維和二維劑量分布的測量，其中，采用ArcCheck 驗證的計劃，保持計劃原有的照射野特點（IMRT按照實際照射野角度執行，VMAT 單弧/多?。?；采用MapCheck2驗證計劃，將IMRT 計劃的照射野機架角度統一歸零，首先將患者計劃移植到對應的驗證模體上，并計算模體上的劑量分布，計算網格設為2.0 mm，最終導出劑量文件與測量的劑量文件進行比對；驗證前分別對驗證工具進行探頭響應的一致性校準，且針對每臺加速器進行絕對劑量標定并獲取相應絕對劑量校準文件。

驗證結果分析：按照病種部位（頭頸部、胸部和腹部）、計劃系統（Pinnacle、Oncentra 及Monaco）和驗證工具（ArcCheck/MapCheck）的不同，將計劃驗證結果進行歸類整理，采用絕對劑量的γ 值分析法對患者計劃的劑量分布進行分析比對，并錄入數據；γ 分析評價標準分別選取3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mm，低劑量區的閾值設定為10%。

置信限（confidence limit，CL）的計算：本研究將采用AAPM TG-119號報告[6]提出的CL 定義量化放療計劃驗證γ 通過率的可信度，其表達如下， CL=（100-mean）+1.96σ，其中，mean 為計劃驗證γ 通過率的平均值，σ 為標準差；當驗證的劑量分布與計劃系統計算的劑量分布進行比較時，一般都有差異，在95%的置信水平下，如果偏差小于CL 值，則認為該差異可以被接受，即驗證通過，反之驗證失敗。

1.3 統計學處理

建立Excel 數據庫，采用SPSS 19.0統計軟件進行數據處理，計量資料以±s 表示，采用F 檢驗，對3%/3 mm、3%/2 mm 和2%/2 mm 評價標準下的γ 通過率進行析因分析，檢驗各因素對γ 通過率的影響情況，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 γ 通過率的基本統計量分析及析因分析結果

2 487例調強放療計劃的3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mm評價標準的總體平均γ通過率分別為（98.1±1.8）%、（96.2±3.0）%和（92.1±5.4）%。按照病種部位、計劃系統和驗證工具的不同進行分類比較，相應3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mm評價標準下，絕對劑量的平均γ通過率結果見表1。經3×3×2析因分析統計，病種部位（因素A）、計劃系統（因素B）和驗證工具（因素C）三因素的析因分析結果見表2。不同病種部位間的3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mm γ通過率差異有統計學意義，胸部＞頭頸部＞腹部（F=29.97、20.09、29.66，P＜0.01）；不同計劃系統間的3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mm γ通過率差異有統計學意義，Monaco＞Oncentra＞Pinnacle（F=33.36、22.69、35.94，P＜0.01）；不同驗證工具間的3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mm γ通過率差異有統計學意義，MapCheck＞ArcCheck（F=7.34、16.76、25.32，P＜0.01）。此外，病種部位與計劃系統、病種部位與驗證工具、計劃系統與驗證工具對γ 通過率的影響均有交互作用（P＜0.01）。

表1 γ 通過率的基本統計量描述

表2 γ 通過率的3×3×2析因分析結果

2.2 γ 通過率CL 的確定

根據CL的計算公式，對本研究入組病例的γ通過率進行歸納分析。對于頭頸部、胸部和腹部腫瘤，在不考慮計劃系統和驗證工具的情況下，其3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的計劃驗證γ通過率的平均CL值分別為（5.7、9.4、16.2）、（5.1、9.6、19.3）、（5.5、9.9、20.4），表示在95%的置信水平下，3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的計劃驗證γ通過率應分別大于（94.3%、90.6%、83.8%）、（94.8%、89.9%、79.6%）、（94.5%、90.1%、79.6%）；對于Pinnacle、Oncentra和Monaco計劃系統，在不考慮病種部位和驗證工具的情況下，其3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的γ通過率的平均CL值分別為（7.2、12.1、23.0）、（4.6、9.4、18.4）、（4.4、7.4、14.5），表示在95%的置信水平下，3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的計劃驗證γ通過率應分別大于（92.8%、87.9%、77.0%）、（95.4%、90.6%、81.6%）、（95.6%、92.5%、85.4%）；對于ArcCheck和MapCheck驗證工具，在不考慮病種部位和計劃系統的情況下，其3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的γ通過率的平均CL值分別為（5.0、9.6、18.9）、（5.8、9.6、18.3），表示在95%的置信水平下，3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的計劃驗證γ通過率應分別大于（95.0%、90.4%、81.1%）、（94.0%、90.1%、81.2%）。與不同病種部位、不同計劃系統和不同驗證工具相對應的CL值見表3。

3 討論

相對于傳統的常規放療，IMRT 和VMAT 技術實施過程中涉及較多的動態變化參數，增加了放療計劃的不確定性，因此，臨床對IMRT 和VMAT 放療過程中的質量保證工作提出了更高的要求。2008年，美國的放射物理中心（Radiological Physics Center，RPC）報道，在一項IMRT 認證過程中，用頭頸部模體測試了250例的IMRT 計劃，發現71例（28%）計劃的劑量偏差大于7%，可見為保證治療計劃的劑量分布被精確地投照到患者體內，在患者治療前必須對臨床治療計劃進行嚴格的劑量驗證[7]。近年來，有國內外學者的研究表明，IMRT 和VMAT 劑量驗證γ 通過率受治療部位、射野強度調制復雜程度、劑量計算精度、設備的機械精度以及測量的不確定性等因素影響。雖然劑量驗證并不能分別檢測出上述因素的影響程度，但是可以檢測出IMRT 和VMAT 計劃的總體精度是否符合要求[8-9]。

表3 3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm 標準下放療計劃的CL

本研究結果顯示，在不考慮病種部位、計劃系統和驗證工具的情況下，2 487例調強放療計劃的3%/3 mm、3%/2 mm 和2%/2 mm 評價標準的總體平均γ 通過率分別大于98%、96%和90%，與楊瑞杰等[9]報道的2 010 例調強放療患者的3%/3 mm 評價標準的平均γ 通過率（97.9±3.4）%很接近。李成強等[5]分析了211例采用ArcCheck 驗證的VMAT 計劃，鼻咽癌、宮頸癌和直腸癌，3%/3 mm 的平均γ 通過率分別為93.5%、95.7%和97.5%。本研究結果顯示，腹部腫瘤的平均γ 通過率略低于頭頸部和胸部腫瘤，分析其原因主要是由于部分婦科腫瘤的靶區范圍較大，超出了驗證工具的有效測量面積，導致頭腳方向的劑量探測點位于高劑量梯度區、劑量跌落區及射野邊緣。從本研究結果來看，γ 通過率還會受所使用的計劃系統品牌的影響，計劃系統的核心部分為算法。Monaco 采用的是蒙特卡羅算法，直接模擬光子與人體組織的相互作用，然后直接計算次級電子在介質中的吸收劑量，目前該算法被認為是放療劑量計算精度最高的算法，尤其在不均勻介質中、建成區和無法達到電子平衡的區域，如小野[10]。Oncentra 和Pinnacle 采用的均是筒串卷積算法，這種算法利用跟蹤入射線在物質中的徑跡來獲取劑量計算矩陣中的所有點的總比釋動能，進而根據物質的化學組成和射線經過的物質密度的變化，收集和沉積被射線穿過的每個體素所獲得的能量或者劑量。然而，表面上Oncentra 與Pinncale 系統采用的算法相近，屬于并行發展的兩種模型，有許多共同點，但是在點劑量核函數的處理上有些不同，不再將射線分為原射線和散射線，計算的劑量是水中的吸收劑量，此方面與Monaco 一樣，計算的是在介質中的劑量。它們之間通過率的差別很可能由于Monaco 和Oncentra 相對于Pinnacle，是直接計算介質中的吸收劑量，Knoos 等[11]的研究表明，這種處理對于骨性結構較多的組織，由于不同的碰撞阻止本領引起的這兩種劑量算法的最大劑量偏差將達到6%。對于驗證工具的選擇，ArcCheck 和MapCheck 兩種驗證工具，前者的平均γ 通過率低于后者（P＜0.01），這是由于使用ArcCheck 驗證時采用實際的機架角度，真實模擬了機架在旋轉過程中可能帶來機架到位精度的影響，以及多葉準直器可能由于重力作用而產生的位置偏差或到位精度的影響。而使用MapCheck 驗證時，傳統的做法是將射野的機架角度歸零，這種方式在驗證中很可能會掩蓋或者缺失一些執行誤差，以致分析結果不能真實地反映實際情況，導致較高的γ 通過率[12]。此外，本研究析因分析的結果發現，病種部位、計劃系統和驗證工具不僅是造成驗證γ 通過率差異的獨立影響因素，而且它們之間還有交互作用，共同作用于γ 通過率。

此外，本研究提出了驗證通過率的CL 水平，用來判斷調強放療計劃的總體劑量精度的可信度。AAPM TG-119號報告通過多中心協作，不考慮病種部位、計劃系統和驗證工具，僅針對點劑量驗證、單野劑量測量和復合野膠片劑量驗證分別給出了3%/3 mm 標準下12.0、7.0和12.4的CL 值，本研究參考該報告，從病種部位、計劃系統和驗證工具等因素出發，回顧性梳理了以上因素對應的CL 值。由于CL 是一個統計學概念，所以它在臨床應用時要求一定的樣本量，通過γ 通過率的均值和標準差計算出95%置信水平下的CL 值，如果CL 值等于或小于本研究結果，則說明調強設備的總體劑量精度是穩定和可靠的，反之則應當對設備的每一步調試工作進行檢查，而物理師在這個環節中起到了至關重要的作用。放療計劃與實際測量之間的計量偏差往往由多種因素共同作用，但主要是治療計劃系統（主要因素，貢獻將近50%）、治療設備和測量過程3個誤差來源[13]。其中，對于治療計劃系統，加速器原始數據的采集、計算模型的建立、軟件操作等都是影響計劃系統劑量計算精度的主要因素。據研究報道，基于劑量和距離差異的γ 通過率對于多葉準直器的穿透因子較敏感，如將計劃系統中10 MV X 線的多葉準直器的穿透因子從3%改為1.5%，調強計劃的3%/3 mm 平均γ 通過率將從80%增加至93.3%[7]。可見，計劃系統參數的調整可以改善調強計劃的驗證通過率。對于治療設備，加速器的劑量輸出、射野特性（平坦度、對稱性）、多葉準直器的到位精度或者定位系統等都有可能產生劑量偏差。而在測量過程中的誤差，主要是由于驗證工具的精度或者設計缺陷、人為的擺位誤差、驗證方式的選擇等造成劑量分布的偏差[14]。

總之，放療的計劃和實施不可能完全一樣，所以臨床中判斷調強計劃的質量是相對困難的，而本研究通過回顧性分析單中心的既往驗證病例的γ通過率，比較了不同病種部位、計劃系統和驗證工具帶來的γ通過率差異及其相互影響情況，并通過大樣本量給出了調強放療計劃γ通過率在95%置信水平下的CL值，即從另一個角度回答了“對于調強放療計劃的γ通過率，需要達到什么范圍才是可以接受和相信的？”，以期為臨床提供實踐經驗和判斷依據。