ArcCheck探測螺旋斷層放療誤差的敏感性

閆冰，吳愛林，薛旭東，張紅雁，吳愛東

1.中國科學技術大學附屬第一醫院/安徽省立醫院放療科，安徽合肥230001；2.中國科學技術大學附屬第一醫院西區/安徽省腫瘤醫院放療科，安徽合肥230001

前言

螺旋斷層放療（Helical Tomotherapy,HT）系統是目前最先進的放療設備之一，其獨創的設計將6 MV加速器安裝于類似CT 的滑環之上，同時保持治療床沿軸向螺旋勻速前進可實現360°螺旋式照射，配合二進制64 葉片氣動多葉準直器（Multi-Leaf Collimator,MLC）使得其與常規直線加速器相比具有調制能力強、靶區周圍劑量跌落快等優點，能在給予腫瘤區域足夠高致死劑量的同時最大程度地降低對周圍關鍵器官或正常組織的損傷［1］。由于HT系統獨特的動態方式及其功能結構的復雜性，因此在照射過程中，MLC 需要調制上萬個子野且需要機架旋轉與治療床及MLC 保持同步，錯誤的MLC 開合時間或同步將直接影響患者的治療劑量分布，因此與傳統直線加速器相比，HT 對治療計劃的驗證提出了更高的要求［2］。傳統的Tomotherapy 計劃質量保證（Quality Assurance, QA）是把膠片夾在Cheese 模體中間平面內，并在模體中央插入指形電離室，通過分析膠片Gamma通過率及指形電離室的絕對劑量偏差來確定治療計劃是否滿足臨床需求，這一方法相對繁瑣耗時。目前，越來越多的醫院采用三維驗證設備取代膠片實施治療計劃QA，可以大大簡化整個QA 流程［3-6］。因此，本研究通過模擬治療計劃執行過程中機器可能出現的誤差，驗證ArcCheck 三維探測器對這些誤差檢測的靈敏度，以期為HT 系統的QA 提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 儀器和設備

ArcCheck是Sun Nuclear公司生產的三維劑量驗證系統，由1 386 個N 型半導體探頭以1 cm 螺距螺旋分布于圓柱型PMMA模體內，探頭距模體表面2.9 cm，通過測量射線的入射和出射劑量來驗證患者的治療計劃［7］。ArcCheck腔體中心處插入帶有PTW0.6cc指形電離室的有機玻璃插件，用于絕對點劑量的驗證。根據ArcCheck 使用手冊要求，在使用ArcCheck 驗證HT 時，選擇TomoTherapy 模式且應用測量不確定度選項。其中，TomoTherapy 模式指ArcCheck 不會對測量數據進行后期處理及校準，包括角度計算、射野尺寸、角度校準及非均勻修正；測量不確定度選項指由于受ArcCheck測量中1%不確定度的影響，軟件會將該劑量誤差帶入劑量對比中。

1.2 TOMO DQA(Delivery Quality Assurance)計劃設計

選取9 例在中國科學技術大學附屬第一醫院（安徽省立醫院）放療科行HT 的鼻咽癌患者，所有患者均在Tomotherapy 計劃系統上完成計劃設計。上述所有治療計劃射野寬度2.5 cm，調制因子2.2～2.6，螺距0.43，且均符合臨床靶區處方劑量和危及器官劑量限量的要求。利用TOMO DQA 軟件將計劃移植至ArcCheck 模體，移動模體保證靶區位于模體中心，劑量網格選取為fine，重新計算模體內的三維劑量分布，并將劑量及治療計劃按照DICOM RT 標準導入至SNC patient軟件作為參考劑量。

1.3 Tomotherapy照射誤差模擬與測量

每一個DQA計劃都是由XML及sinogram兩個治療文件組成，其中XML定義了治療計劃的射野寬度、機架旋轉周期、機架起始角度、治療床運動速度等參數，sinogram文件定義了在照射期間MLC每個葉片的開閉時間。為模擬治療過程中的系統誤差，將XML 及sinogram文件導入至自編程序（Matlab2014b）中，分別模擬機架旋轉周期偏差±1%、±2%、±3%、±4%，治療床運動速度偏差±1%、±2%、±3%、±5%，機架起始角度偏差1°、3°、5°，MLC葉片開啟時間（Leaf Open Time,LOT）延長1%、2%、3%、4%及MLC 32、42號葉片被卡住情況（即在照射期間32及42號葉片一直處于打開狀態），每一位患者原始DQA計劃由自編程序自動生成上述25種誤差計劃所對應的XML及sinogram文件，同時將每種誤差計劃所對應的文件通過Tomotherapy的calibration procedure程序導入數據服務器。計劃修改步驟中值得注意的是機架旋轉周期、治療床運動速度、MLC運動在整個計劃照射期間三者相互同步，治療床運動速度及MLC開合時間均由機架旋轉時間定義，因此修改機架旋轉周期需要同步修改治療床運動速度及sinogram，從而保證治療床運動速度及sinogram與原計劃相同。

將ArcCheck 置于治療床上，并按照患者的無誤差DQA 計劃擺位。使用MVCT 行影像引導，從而減少擺位誤差對DQA 的影響。由于Tomotherapy 在照射結束后均會將床返回至初始擺位位置，因此對同一患者的所有誤差計劃均不再重新擺位，從而保證患者原計劃與誤差計劃測量時模體位置一致，以避免擺位不確定度對整個實驗的影響。

1.4 結果分析

將ArcCheck模體中電離室測量的誤差計劃的絕對劑量與相應患者無誤差計劃測量的絕對劑量進行比較，當誤差絕對值大于3%且行配對t檢驗具有統計學意義時，認為該誤差可通過點劑量檢測。

Gamma分析是將誤差計劃測量結果與其相應患者原計劃計算得到的模體劑量分布進行比較，其中劑量閾值10%，采用全局歸一，通過率標準分別取3%/2 mm和2%/1 mm。統計所有患者原計劃以及誤差計劃的平均驗證通過率，并利用高斯函數擬合原計劃及誤差計劃的平均通過率，生成誤差圖［8］，依照最大值歸一化誤差圖，并以臨床常用的90% Gamma 通過率為誤差閾值，計算得出ArcCheck在機架旋轉周期、機架起始角度、治療床運動速度、MLC 葉片開啟時間上的臨床可檢測誤差閾值。以治療床運動速度誤差為例，誤差圖的具體計算方法為：對于9 例計劃，分別統計出無誤差計劃通過率及±1%、±2%、±3%、±4%每一種誤差情況的誤差均值，利用Matlab軟件中的數據擬合工具箱，采用高斯函數擬合不同誤差情況下的誤差均值。以90% Gamma 通過率為閾值，根據擬合函數計算可檢測誤差的最小值Emin和誤差最大值Emax，如圖1所示。

圖1 誤差圖（高斯擬合曲線用于計算在90%通過率下的誤差值）Fig.1 Error curve(Gaussian fitting curve is used to calculate the errors at 90%Gamma passing rate)

2 結果

所有患者的原計劃采用3%/2 mm、2%/1 mm的平均Gamma通過率分別為97.49%±1.08%、73.38%±4.31%，滿足AAPM-TG218規定的誤差標準。

2.1 治療床運動速度誤差對Gamma通過率的影響

添加治療床運動誤差后，所有的誤差計劃點劑量及Gamma 通過率均出現不同程度的下降，治療床運動速度正向誤差即治療床運動速度增加時點絕對劑量減少，反之點劑量增加，如表1所示。以點劑量閾值3%作為誤差檢測條件并行配對t檢驗，發現僅當治療床運動速度降低5%時，誤差才被檢測出（P＜0.05）。利用高斯函數擬合不同標準的治療床誤差計劃通過率，3%/2 mm、2%/1 mm 兩條曲線擬合精度R2分別為0.999、0.998，如圖2所示。通過歸一化擬合曲線，在兩種Gamma通過率標準（3%/2 mm和2%/1 mm）下對應的治療床運動誤差，ArcCheck 可檢測的上下限閾值分別為-1.58%、1.38%和-0.69%、1.27%。

表1 9例DQA計劃引入治療床運動誤差后的點劑量偏差及Gamma通過率（%,± s）Tab.1 Point dose deviations and Gamma passing rates for 9 DQA plans with and without couch movement errors(%,Mean±SD)

表1 9例DQA計劃引入治療床運動誤差后的點劑量偏差及Gamma通過率（%,± s）Tab.1 Point dose deviations and Gamma passing rates for 9 DQA plans with and without couch movement errors(%,Mean±SD)

治療床負方向誤差代表治療床變慢，正方向誤差代表治療床運動速度變快

治療床運動誤差/%點劑量偏差Gamma通過率3%/2 mm 2%/1 mm-5-3-2-1 0 1 2 3 5 3.13±1.05 1.69±0.67 1.03±0.49 0.46±0.35 0.00±0.00-0.81±0.49-1.27±0.59-1.69±1.01-2.65±2.11 32.03±6.69 60.80±6.64 82.41±3.67 94.96±1.81 97.49±1.08 91.66±2.03 84.06±5.20 77.61±7.64 65.86±8.41 13.27±3.85 24.76±3.08 38.69±3.95 60.46±5.38 73.39±4.31 67.95±3.44 63.69±6.86 58.85±8.14 49.95±7.98

圖2 不同通過率標準下治療床運動速度誤差與Gamma通過率擬合曲線（誤差棒代表最大及最小通過率）Fig.2 Fitting curve of Gamma passing rates under different Gamma criteria with and without couch movement errors(the error bar shows maximum and minimum passing rates)

2.2 機架旋轉周期誤差對Gamma 通過率及絕對劑量的影響

采用不同通過率標準的平均Gamma通過率及點劑量偏差如表2所示，在所測量的8 個誤差計劃中，點劑量偏差均未達到3%檢測閾值。擬合3%/2 mm、2%/1 mm 通過率標準下的Gamma 通過率，兩條曲線擬合精度R2分別為0.998，0.999，如圖3所示。對于機架旋轉周期誤差，歸一化誤差圖曲線后，采用3%/2 mm標準時，ArcCheck 可檢測的上下限閾值為-1.68%和1.31%；采用2%/1 mm 標準時，ArcCheck 可檢測的上下限閾值為-0.69%及0.69%。

圖3 不同Gamma通過率標準下機架旋轉速度與Gamma通過率擬合曲線（誤差棒代表最大及最小通過率）Fig.3 Fitting curve of Gamma passing rates under different Gamma criteria with and without gantry rotation errors(The error bar shows maximum and minimum passing rates)

表2 9例DQA計劃引入機架旋轉周期誤差后的點劑量偏差及Gamma通過率（%,± s）Tab.2 Point dose deviations and Gamma passing rates for 9 DQA plans with and without gantry rotation errors(%,Mean±SD)

表2 9例DQA計劃引入機架旋轉周期誤差后的點劑量偏差及Gamma通過率（%,± s）Tab.2 Point dose deviations and Gamma passing rates for 9 DQA plans with and without gantry rotation errors(%,Mean±SD)

機架旋轉周期負方向誤差代表機架旋轉周期減少，正方向誤差代表機架旋轉周期變長

機架旋轉周期誤差/%點劑量偏差Gamma通過率3%/2 mm 2%/1 mm-4-3-2-1 0 1 2 3 4 1.31±0.51 0.64±1.40 0.25±0.91-0.28±0.84 0.00±0.00-1.05±0.76-1.74±0.87-2.21±1.02-2.99±1.35 50.28±6.55 64.48±7.40 83.52±1.71 93.73±1.74 97.49±1.08 88.78±4.26 83.05±4.41 75.50±5.00 68.68±7.30 20.55±4.84 27.98±5.32 39.52±2.82 58.18±4.34 73.39±4.31 61.70+3.97 56.45±8.65 53.17±9.50 48.78±11.10

2.3 機架起始角度對Gamma 通過率及絕對劑量的影響

機架旋轉起始誤差計劃分別選取起始角度誤差1°、3°、5°，點劑量偏差均未達到3%檢測閾值。點劑量及采用不同通過率標準的平均Gamma通過率如表3所示。通過插值分析，機架起始誤差在3%/2 mm 及2%/1 mm 兩種通過率標準下，ArcCheck 可檢測的閾值分別為2.50°、2.06°。

表3 9例DQA計劃引入機架起始角度誤差后的點劑量偏差及Gamma通過率（%,± s）Tab.3 Point dose deviations and Gamma passing rates for 9 DQA plans with and without gantry starting position errors(%,Mean±SD)

表3 9例DQA計劃引入機架起始角度誤差后的點劑量偏差及Gamma通過率（%,± s）Tab.3 Point dose deviations and Gamma passing rates for 9 DQA plans with and without gantry starting position errors(%,Mean±SD)

機架起始角度誤差/°點劑量偏差Gamma通過率3%/2 mm 2%/1 mm 0 1 3 5 0.00±0.00-1.05±0.76-1.74±0.87-2.21±1.02 97.49±1.08 88.78±4.26 83.05±4.41 75.50±5.00 73.39±4.31 61.70+3.97 56.45±8.65 53.17±9.50

2.4 MLC誤差對Gamma通過率的影響

點劑量并未檢測出LOT 偏差1%、2%、3%、4%這4 種誤差計劃，僅能檢測出32、42 葉片持續開啟這兩種誤差計劃（表4）。通過插值分析，MLC 誤差在3%/2 mm 及2%/1 mm 兩種通過率標準下，ArcCheck可檢測的閾值分別為1.62%、0.52%。

表4 9例DQA計劃引入MLC誤差后的點劑量偏差及Gamma通過率（%,± s）Tab.4 Point dose deviations and Gamma passing rates for 9 DQA plans with and without MLC errors(%,Mean±SD)

表4 9例DQA計劃引入MLC誤差后的點劑量偏差及Gamma通過率（%,± s）Tab.4 Point dose deviations and Gamma passing rates for 9 DQA plans with and without MLC errors(%,Mean±SD)

葉片開啟時間誤差點劑量偏差Gamma通過率3%/2 mm 2%/1 mm 0%1%2%3%4%32葉片持續開啟42葉片持續開啟0.00±0.00 0.08±1.30 0.80±1.05 1.63±0.95 2.36±0.87 3.23±0.69 64.24±42.97 97.49±1.08 91.91±3.49 86.43±5.19 79.05±5.96 71.86±9.48 22.08±11.22 20.00±10.96 73.39±4.31 59.25±7.74 48.63±9.35 41.28±12.75 31.64±11.46 7.81±5.15 6.70±5.34

3 討論

HT 區別于傳統直線加速器，其在治療期間機架旋轉周期、治療床運動速度、二元MLC運動三者之間相互同步，從而獲得更高的劑量調制能力，因此對其治療計劃實施QA 是十分必要的。考慮到目前DQA計劃中常使用膠片及電離室分別測量平面劑量及點劑量，過程比較繁瑣，使用三維探測器可以簡化上述驗證流程，并且在檢測HT 計劃某些誤差方面具有比膠片更好的敏感度［9-10］，因此作為三維探測器代表之一的ArcCheck 也越來越廣泛地應用于HT 計劃的驗證，并分析其對HT計劃驗證的敏感性［11-13］。Deshpande 等［13］對ArcCheck 驗證HT 計劃的誤差敏感性進行分析，表明ArcCheck 可以檢測出與臨床相關的投照誤差，但這項研究僅包括了射野寬度、治療床運動速度、MLC 開合時間誤差。Templeton 等［14］就治療床運動速度、MLC 開合時間、機架起始角度這3個方面的誤差對ArcCheck的敏感性進行研究。但上述的研究并未涉及機架旋轉周期誤差及ArcCheck中心點劑量的敏感性等問題。

HT 計劃是由射野寬度、機架旋轉周期、機架起始位置、治療床運動速度、MLC 正弦圖等參數所定義。在治療過程中，這些參數通過時間相互同步，因此相區別于直線加速器，HT 系統需要額外檢查治療床與機架之間的同步性。根據AAPM TG148 號報告推薦，同步性檢查包括：機架角度、治療床運動速度均勻性以及機架每旋轉一周治療床前進距離的準確性［15］。針對同步性檢查的3種情況，本研究選擇每種情況分別模擬，分別是：（1）通過修改機架起始角度模擬同步性檢查中機架角度誤差；（2）修改治療床運動速度模擬治療床運動速度誤差；（3）在保持葉片開合時間及治療床運動速度不變的情況下，修改機架旋轉周期模擬同步性檢查中的旋轉周期誤差。Deshpande等［16］在放療計劃系統中模擬這3種誤差發現，對于鼻咽癌HT 計劃，當治療床運動速度誤差大于1%，機架起始角度誤差大于2°，機架旋轉周期誤差大于0.5 s時，誤差計劃在劑量學上與原始計劃相比會出現劑量學偏差。本次測量研究發現對于這3 種誤差，在3%/2 mm、全局歸一、劑量閾值10%、90% Gamma 通過率下，ArcCheck 的可檢測誤差上下限閾值分別為：治療床運動速度-1.58%、1.38%，機架運動周期-1.68%、1.31%，機架起始角度2.5°。根據Deshpande等［16］的結果，在大于90%通過率的情況下，測量計劃在劑量學上基本符合無偏差要求，證明ArcCheck 在臨床上可滿足HT的QA要求。

本研究發現機架旋轉周期及起始角度誤差對中心點劑量的影響較小。對于治療床運動速度、MLC葉片開合時間這兩種誤差情況，ArcCheck 與電離室測量點劑量聯合使用與單獨使用ArcCheck 分析Gamma 通過率相比也并未表現出明顯優勢。Alharthi 等［17］利用ArcCheck 驗證肺癌SBRT 計劃時也證實了點劑量與ArcCheck 聯用并沒有明顯獲益，但同時也指出使用點劑量驗證可保證治療安全及避免極限誤差。

AAPM-TG218 號報告推薦臨床Gamma 通過率標準應采用3%/2 mm、全局歸一、劑量閾值10%、以90% Gamma 通過率作為臨床通過標準，但同時也推薦選擇更為嚴格的通過率標準，如2%/1 mm或1%/1 mm用于檢測局部微小偏差或檢測設備是否存在系統性偏差等［18］。基于此報告，本研究選取3%/2 mm 的Gamma通過率標準時，選擇90%作為誤差檢測標準；選取2%/1 mm 通過率標準時，由于在臨床計劃驗證過程中針對2%/1 mm 并未有通用通過率標準用于判斷計劃是否通過，一般可采用AAPM-TG218 號報告所推薦的方法，即選取20 例患者數據建立通過率標準，而在本研究中由于僅考慮引入誤差后通過率的變化，因此在數據處理上采用曲線擬合的方法，并按照最大值進行歸一后按照90%作為誤差檢測標準，選擇更為嚴格的Gamma標準可以明顯提高誤差計劃的檢測精度，即治療床運動誤差、機架旋轉周期誤差、機架起始角度誤差、MLC 開閉誤差的檢測精度均有所提高。

靶區分布在ArcCheck模體中的位置同樣會影響Gamma通過率指數。 Neilson 等［19］指出利用ArcCheck行HT 計劃驗證時，不應將靶區置于探測器陣列上而是應該將其至于模體中心處，這是由于靶區位于探測器陣列上會使得Gamma分析時歸一點劑量提高，錯誤放大驗證時的通過率。考慮到上述原因，對本研究中所有鼻咽癌HT 計劃進行驗證時，均將靶區中心置于驗證模體中心位置。但由于靶區置于中心位置處，鼻咽部靶區、頸部靶區距離模體邊緣探測器的距離不同，這導致ArcCheck 展開后的劑量分布圖中高劑量區域與治療計劃中的高劑量區域并非一致，也就很難將測量點與靶區及危及器官建立聯系。而TG218 號報告指出，臨床計劃QA 不僅僅只關心Gamma 通過率，更應該分析不通過點的位置分布以及臨床相關性［17］，因此在后續工作中將利用3DVH軟件逐項分析誤差計劃對各個靶區及危及器官的影響。本研究并未利用計劃系統模擬ArcCheck的最小可檢測誤差對治療計劃的影響，但根據Deshpande等［16］的研究結果，最小可檢測誤差對鼻咽癌HT 計劃PTV的影響均小于5%，可以滿足臨床應用。

綜上所述，在鼻咽癌HT 計劃驗證中，僅使用指形電離室驗證點劑量判斷計劃是否通過是不嚴謹的，點劑量與ArcCheck 聯用并未明顯獲益，由于ArcCheck 可以檢測計劃執行中一定大小的各項機械誤差，具有操作簡便、節約檢測成本等優點，可作為除膠片外HT計劃驗證的另一選擇。