基于EPID宮頸癌IMRT驗證的不同Gamma通過率參數影響分析

鄭旭亮，邢曉汾，崔桐，張軍，彭金鑫

山西省腫瘤醫院放療技術室，山西太原030013

前言

國內放療患者的常規劑量驗證方式是將患者的治療計劃移植到水模體或組織等效模體,采集數據，并與相應計劃數據進行比較。臨床上有多種劑量驗證方法，如使用指形電離室測量點劑量，膠片［1-4］、二維電離室矩陣（MatriXX）、二維半導體矩陣（MapCHECK）［5-6］測量平面劑量，Compass、Delt4、非晶硅電子射野影像系統（Electronic Portal Imaging Device,EPID）［7］測量三維劑量。近年來，不管是使用二維電離室矩陣或EPID等驗證工具，多采用3%/3 mm標準Gamma 分析評估放療驗證計劃的通過率，通過率滿足計劃驗證要求即可實行放療［8-9］。經過相關應用測試，EPID可有效應用于臨床劑量驗證，具有較好的臨床應用價值［10-11］。本研究使用Varian EPID 作為驗證工具，分析Portal Dosimetry（PD）軟件不同參數下宮頸癌計劃的EPID Gamma通過率，為今后的臨床及計劃驗證工作制定相應的Gamma通過率標準與限值。

1 材料與方法

1.1 一般資料

隨機選取山西省腫瘤醫院放療技術室80 例宮頸癌術后放療患者，中位年齡42歲，病理分期均為中晚期，其中T2期29例、T3期36例、T4期15例。80例患者隨機平均分到兩臺同型號加速器上進行治療。

1.2 材料和設備

CT定位使用荷蘭Philips Brilliance Big Bore；治療計劃系統為美國Varian Eclipes 13.5；加速器選用Varian Unique-1、Varian Unique-2，X射線能量6 MV；圖像采集設備為aS1000型EPID，有效探測范圍（30×40）cm2，像素768×1 024，像素大小0.39 mm×0.39 mm；分析軟件為Eclipes軟件模塊PD系統。

1.3 CT掃描及IMRT計劃制訂

患者取仰臥位，腹部熱塑型體模固定，行CT 掃描（層厚3 mm），圖像以DICOM 格式通過Varian網絡傳入Eclipse 計劃系統。由同一主任醫師勾畫靶區與危及器官，隨后固定一位資深物理師應用各向異性分析算法制訂宮頸癌術后放療7 野三維適形調強（Intensity-Modulated Radiotherapy, IMRT）計劃，角度取0°、52°、104°、156°、208°、256°、308°，放療劑量46 Gy，單次劑量2 Gy，劑量率600 MU/min。

1.4 使用EPID進行IMRT驗證及圖像采集

使用Eclipse 13.5 計劃系統創建患者PD 驗證計劃，設置源到EPID 探測器距離SID=100 cm、機架角度（Gan）和準直器角度同治療計劃一致。通過劑量預測軟件（Portal Dose Image Prediction,PDIP）獲得預測劑量圖像。

執行驗證計劃前，對加速器輸出量進行校準，測試機架、多葉準直器到位精度，EPID位置以及成像精度，保證行本實驗的兩臺加速器相關參數基本一致。在加速器上執行PD驗證計劃時，EPID需伸展到位且射束方向無遮擋，照射獲得每個射野驗證圖像，數據自動上傳到Eclipse PD系統并保存。

1.5 PD驗證計劃的Gamma通過率

通過PD 系統，對比各角度驗證圖像與預測圖像劑量分布差異，并取所有角度的Gamma 通過率和的平均值為該驗證計劃的整體Gamma 通過率，分析驗證結果。參數（標準劑量差異、距離符合度）設置為1%/1 mm、2%/2 mm、3%/3 mm，劑量閾值設置為10%。 分析條件包括Global Gamma Evaluation（PD_Global）和Local Gamma Evaluation（PD_Local）。PD_Global 和PD_Local 為Varian PD 軟件的相關選項，通常情況下，較為常用的是PD_Global。Global簡單表述即為兩點間差值與處方劑量的比值；Local 則為兩點間差值與該點劑量的比值，因此高劑量區兩點差值越大比值越低，或者劑量越低的區域比值越低，所以PD_Local 在射線邊緣、低劑量區、子野銜接處、葉片縫隙等位置有更高的敏感性。

1.6 統計學分析

所采集數據利用SPSS19.0 軟件進行統計學分析，統計結果以均數±標準差表示。PD驗證計劃各角度Gamma 通過率比較使用單因素方差分析與配對t檢驗。Unique-1、2各角度Gamma通過率比較使用多因素方差分析。加速器間整體Gamma通過率比較使用配對t檢驗。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 PD驗證計劃的Gamma通過率

EPID 采集各角度劑量圖像560 例，獲得不同設置參數的數據3 360 個。使用PD 軟件分析各角度照射野平面劑量分布時，選取PD_Global、PD_Local 的Gamma 評估參數，分別為PD_Global/PD_Local（3%/3 mm、2%/2 mm、1%/1 mm）。EPID 驗證計劃各角度Gamma通過率見表1、表2。

表1 Varian Unique-1 EPID驗證計劃各角度Gamma通過率（%）Tab.1 Gamma passing rate of each gantry angle of Varian Unique-1 EPID verification plan(%)

表2 Varian Unique-2 EPID驗證計劃各角度Gamma通過率（%）Tab.2 Gamma passing rates of each gantry angle of Varian Unique-2 EPID verification plan(%)

2.2 PD驗證計劃各角度Gamma通過率的分析

經單因素方差分析，比較同一臺加速器各角度之間Gamma通過率。選擇PD_Global 3%/3 mm，各角度之間對比差異不顯著，Unique-1（F=1.214,P=0.300）、Unique-2（F=0.784,P=0.584）；在選擇其他參數時，P＜0.05表示差異有統計學意義（表3）。

表3 不同參數設置下各角度間Gamma通過率分析Tab.3 Analysis of Gamma passing rates between angles under different parameter settings

經配對t檢驗，參數為PD_Global（2%/2 mm、1%/1 mm）時比較同一臺加速器各角度的Gamma 通過率。當Gan=0°時，Gamma 通過率最高，與其他角度差異顯著（P＜0.05）；當Gan=104°或256°時，Gamma通過率較低，且與其他角度差異顯著（P＜0.05），但Gan=104°與Gan=256°相互間差異不顯著（P＞0.05）；當Gan=52°、156°、208°、308°時，它們相互間差異不顯著（P＞0.05）。設置條件為PD_Local（3%/3 mm、2%/2 mm、1%/1 mm）比較同一臺加速器各角度：當Gan=0°時Gamma 通過率低，與其他角度差異顯著（P＜0.05），剩余角度之間差異不顯著（P＞0.05）。Gan=0°時的驗證圖像、PD_Global 3%/3 mm 和PD_Local 3%/3 mm 下的Gamma通過率圖像示例見圖1、圖2。

圖1 驗證圖像及EPID采集圖像Fig.1 Verification image and image obtained by EPID

圖2 PD_Global 3%/3 mm和PD_Local 3%/3 mm下的Gamma通過率圖像Fig.2 Gamma passing rate images under PD_Global 3%/3 mm and PD_Local 3%/3 mm

將同一參數下Gamma通過率數據整合，經多因素方差分析，兩臺加速器的Gamma通過率差異顯著（P＜0.05），任意相同角度之間比較，只有PD_Global 3%/3 mm參數下Gamma通過率差異不顯著（P=0.080）（表4）。

表4 相同參數設置下同角度Gamma通過率分析Tab.4 Analysis of Gamma passing rate at the same angle and the same parameter setting

2.3 兩臺加速器間PD整體Gamma通過率的分析

經配對t檢驗，PD 驗證計劃設置條件為PD_Global 1%/1 mm、PD_Local 1%/1 mm時，Unique-2的Gamma 通過率高于Unique-1（P＜0.05），差異顯著具有統計學意義（表5）。

表5 兩臺加速器間整體Gamma通過率的分析Tab.5 Analysis of the overall Gamma passing rates between two accelerators

3 討論

IMRT 技術使靶區得到較高、較均勻的輻射劑量，并使周圍正常組織和器官避免受到不必要的照射，IMRT 實施劑量準確與否關系到治療的最終效果，為保證治療的安全可靠，必須進行準確的劑量學驗證。國內外對劑量驗證方法已經有許多研究，二維電離室矩陣與EPID應用較為廣泛［12-14］。

EPID能夠檢測大多數多葉準直器和較大的準直器誤差，并且對誤差的敏感度取決于Gamma容差限值［15］。本研究表明使用EPID驗證，選擇PD_Global 3%/3 mm參數Gamma 通過率最高，Unique-1、2 分別為96.91%±2.27%、98.62%±1.29%。多個實驗表明EPID于各角度的Gamma通過率測量都可以達到平均95%以上或者更高［16-18］。在講究效率的常規驗證工作中，PD_Global 3%/3 mm條件下測得數據已經能夠滿足要求，繼而快速執行放療。但是通過統計學分析，PD_Global 3%/3 mm參數下各角度之間Gamma通過率沒有顯著差異。而參數設置為PD_Global（1%/1 mm、2%/2 mm）時，其中Gan=0°的Gamma 通過率最高，Gan=104°、256°時Gamma通過率相對較低。重力對多葉準直器到位精度確有影響［19-20］，但是否體現在相對嚴格的Gamma通過率中還需進一步檢驗，能否通過調整小機頭角度使得多葉準直器運動方向和機架角度垂直以此提高Gamma通過率是我們下一步工作的方向。考慮到驗證有兩方面需求，一是保證患者治療精確可靠，二是發現驗證工作中的問題，改進方法。綜合上述兩種情況，筆者認為引進更嚴格的參數，建立更適合的限值條件，是下一步驗證工作的重點。

本實驗發現參數設置為PD_Global/PD_Local（1%/1 mm、2%/2 mm）時，Unique-1、2相同角度之間的Gamma通過率有差異；參數為PD_Global/PD_Local 1%/1 mm時，Unique-2的Gamma通過率高于Unique-1且具有統計學意義，在前期對加速器、EPID進行相關質控以及調試使得兩臺加速器相關參數指標良好的前提下，Unique-2的狀態穩定性更加優秀。加速器的性能狀態在倡導精確放療的背景下是不容忽視的，相同計劃在一臺性能相對較差的設備上對患者實施治療所產生的長遠影響是不能完全評估的，需要更加嚴格地進行設備的質控。

從臨床角度來看，PD_Global/PD_Local Gamma Evaluation的區別在于關注的區域不同，PD_Global更關心高劑量區，PD_Local則把關注點放在了低劑量區。本研究選取宮頸癌7野均分計劃，在Gan=0°劑量平面內的低劑量區域更多，Gamma 通過率最差。因此PD_Local的Gamma通過率取決于射野內低劑量區域的面積，并且PD_Local較PD_Global更加嚴格，Gamma通過率在同一參數條件下低很多。在臨床實踐中，醫師可能會更關注高劑量區域或者50%最大點劑量范圍內的誤差，往往忽略低劑量區。在本研究病例中，低劑量區域通常包括小腸、膀胱等正常組織，當需要評估該區域是否具有臨床意義時，應考慮將PD_Local Gamma Ecaluation納入驗證流程。在嚴謹的驗證工作中，需要將射野范圍內的所有區域都進行相關評價，并且通過大量數據累積得出可靠的PD_LocalGamma通過率限值。

綜上所述，在EPID應用越來越廣泛的同時，需要增加對射野影像裝置、機架角位移、多葉準直器到位精度等設備參數的檢測頻率，并且通過大量數據的累積與臨床相結合，針對不同部位的腫瘤加入相關的分析條件，制定更嚴格的Gamma通過率標準與限值，促使放療更加精確。