掃描式質子放療系統自動化束斑測量與分析方法的設計和應用

劉志鵬，單超，潘靈婧，王宇翔，王遠遠，盧曉明，2

1.中國科學技術大學附屬第一醫院離子醫學中心（合肥離子醫學中心），安徽合肥 230088；2.中國科學技術大學離子醫學研究所，安徽合肥 230088

前言

質子放療因其能量沉積路徑有布拉格峰特性，束流在到達特定深度前釋放很少的能量，而到達特定深度后則釋放其全部能量；因此，相較于傳統光子放療，質子放療可顯著提高腫瘤區域的照射劑量，同時降低周邊正常組織器官的照射劑量，對于肺癌、宮頸癌、頭頸部癌、中樞神經系統惡性腫瘤等諸多癌癥的治療具有明顯的劑量學優勢［1-6］。目前質子放療系統主要分為散射式和掃描式兩種，相較于散射式質子系統，掃描式質子系統具有更高的束流利用效率，針對不同病人定制準直器和補償器，且具有更好的劑量分布［7-9］。掃描式質子放療設備的束流能量范圍跨度較大，可從數十MeV 至數百MeV，在設備調試、建模的過程中需要跨越多個能量檔，從多個束流出射角度采集大量質子束斑圖像［10-13］。

整個束斑測量和分析流程主要分為束斑采集、數據預處理和束斑特性分析。為提升束斑采集效率，Eley 等［14］設計一種連續束斑圖像采集方法，該方法基于Lynx-PT 閃爍體探測器和自定義的束流計劃（能量區間為70～240 MeV，出束能量間隔10 MeV），在束流計劃執行期間，使用該探測器的錄像模式進行多個不同能級束斑的連續采集，其原理是利用ProBeam 質子系統在束流能量切換時產生的約1 s的束流中斷間隔和1.875 Hz 的圖像采樣頻率產生時間差，使不同能量的束斑圖像幀之間生成空白圖像幀，以空白幀為能量區分標識，實現錄像中的所有能級和對應束斑幀的映射與合并。該方法避免了質子系統在Machine QA模式下分次請求不同能量束流的系統準備時間，但同時也引入了Lynx-PT設備錄像模式中由采樣間隙所導致的束斑信號丟失的問題。在實際使用中，Lynx-PT 的采樣間隙不同于探測器連續采樣的死區時間（Dead Time），是隨機出現的，且間隔時間超過0.5 s，這可能是由其軟、硬件系統性能限制所導致。采樣間隙引發束斑質量問題的原理如圖1所示：當某個能量的束流時間完全落入采樣間隙內，則引發束斑的缺失；當某個能量的束流時間與采樣間隙部分重合時，該能量束流的部分質子通量無法被采集，導致曝光欠量。對于人為引發的其他束斑質量問題，如由于光圈的不當設置而造成的所有能級束斑的曝光過量或曝光欠量等，也缺少必要的數據質量控制手段。物理師需要自行調閱錄像，在每一幀圖像中核查束斑的數量是否與束流計劃的能級數量相等，束斑曝光狀態是否過量或欠量，因而占用大量臨床調試時間。本研究從實際臨床應用出發，在馬里蘭質子中心設計的連續采集束斑方法的基礎上進行優化，針對上述數據質量問題配套增加束斑錄像數據質量判斷方法，并結合常用的束斑分析算法，基于LabVIEW 軟件開發環境，以自研軟件（SpotCheck）為載體，形成一套從束斑采集到數據質量控制再到束斑分析的自動化解決方案，從而進一步提升質子臨床調試、束流建模和周期性質控測量的效率。

1 材料和方法

1.1 硬件設備

1.1.1 質子放療系統ProBeam合肥離子醫學中心所配置的瓦里安ProBeam 質子放療系統為筆形束點掃描型放療設施，該系統擁有4 個治療倉，其中3 個為旋轉機架治療倉。通過選能器系統，從回旋加速器引出的質子束流能量從70 MeV 到244 MeV 連續可調。該系統在治療倉的機頭配有插槽，可選配3種不同厚度的射程位移器。治療倉機頭引出的束流在空氣中等中心位置的束斑尺寸為3～6 mm。

1.1.2 閃爍體探測器Lynx-PTIBA 公司的商業化產品Lynx-PT 閃爍體探測器已被多家質子醫療機構應用于臨床調試、科學研究、周期性質控等［15-18］。相較于劑量感應膠片，閃爍體探測器的使用更方便快捷，在保證質子束斑信息實時獲取的同時，其探測器的分辨率和相對劑量探測精度也滿足束斑測量的需要［19］。該設備的有效探測截面大小為30 cm×30 cm，成像分辨率為0.5 mm，可利用其裝配的CCD 照相機對穿過閃爍屏的質子照射通量進行快速成像，生成的圖片像素為10 bit（0-1 023 cnt），曝光強度可通過光圈進行調節。該設備的圖像采集方式可分為照相模式和錄像模式。照相模式下可通過調節設備曝光時間進行束流的一次性成像采集；錄像模式下可設定幀率，對束流進行連續幀采集。其質子束斑的成像效果如圖2所示。

1.2 參數配置

在束斑采集前須對筆形束掃描（Pencil Beam Scanning,PBS）質子放療系統和Lynx-PT 探測器進行配置，使束斑錄像文件中的束斑能級分布、束斑曝光強度滿足臨床調試和束流建模的需要。PBS 質子放療系統可通過計劃文件直接配置出束方式，依照能量從高到低的順序選擇出束能級并設定各能級束流的位置和機器跳數（MU）。Lynx-PT 則采用錄像模式，幀頻率設置為1.875 Hz。考慮到錄像采集過程中無法改變其光圈的大小，可利用設備曝光量與照射質子通量的良好線性關系，對質子系統不同能量下束流的MU進行迭代優化，使每個預設能級的最大束斑曝光量趨于一致，同時伴隨調整Lynx-PT的光圈大小，使每個束斑的曝光強度在合理的范圍內。鑒于ProBeam 質子系統在低能范圍束流引出效率低，增大MU 會造成束流時間的延長，增加Lynx-PT 不規則采樣間隙出現的概率。因此，在提升束流曝光強度的過程中，應優先改變光圈大小，再適量增加束流的MU。完成對束流計劃文件和Lynx-PT 的參數設置后，可將Lynx-PT 放置于治療倉機頭下方的不同位置，通過設備配套軟件Lynx-2D對束斑進行采集。

1.3 數據預處理

完成束斑采集后需從Lynx-2D 軟件中將錄像文件以DICOM 格式導出，并進行相關的數據預處理。其主要內容是對錄像文件中同能級的相鄰跨幀束斑進行疊加，并與束流計劃中的預設能級一一映射。由于束斑采集過程中Lynx-PT 設備特性限制以及人為因素的引入，需針對束斑錄像的數據質量進行檢測。檢測項目分為束斑的缺漏、束斑曝光過量和束斑曝光欠量。整個檢測過程穿插在數據的預處理流程中（圖3）。在第1步中，對DICOM格式的錄像文件進行解析，將所有圖像幀的像素信息（灰度值cnt）轉化為多個二維數組；接著提取每個二維數組最大灰度值，將最大值與曝光上限閾值進行比較，判斷是否出現曝光飽和。在第2步中，比較每一幀圖像的最大灰度值與計數閾值，進行有效幀判斷，將所有圖像幀分為有效幀（含有束斑圖像信息的幀）和空白幀（只含有背景噪聲的幀）；然后將單個空白幀或連續空白幀作為不同能級束斑的識別標志，合并所有相鄰的有效幀，使每個能級僅含有一張束斑圖像；最后檢索合并后束斑圖像的最大灰度值，并與曝光下限閾值進行比較，判斷是否存在曝光欠量。在第3 步中，對束斑圖像和束流計劃中預設的能級進行映射，并判斷合并后的束斑數量是否與預設能級數量匹配。整個數據預處理流程由SpotCheck 自動執行，數據質量分析結果在軟件的數據預處理面板展示（圖4）。

1.4 束斑特性分析

SpotCheck 在完成數據預處理流程后，將自動執行束斑特性分析流程，該流程和各步驟對應的可配置算法選項如圖5所示。具體步驟有：（1）圖像插值，為可選步驟，可將0.5 mm 分辨率的束斑圖像分辨率提升至0.1 mm。（2）計算所有不同能級束斑的中心點位置。鑒于Lynx-PT 所采集的圖像已經過配套采集軟件的降噪和平滑處理［19］，且ProBeam 系統的束斑具有明顯的高斯特征，束斑圖像中的最大灰度值位置可近似等效為束斑中心點位置，或將束斑最大灰度值80%的等值線圓環的形態學中心等效為束斑中心點。基于圖像灰度值的質心法作為求解束斑中心的常用算法之一也被納入軟件功能模塊中［14,20-21］。（3）提取束斑的profile。基于已求得的中心點位置，尋找束斑圖像中對應的像素位置，基于該像素點坐標分別提取束斑在X 方向上和Y 方向上的一維profile 數據。（4）計算束斑尺寸，基于上一步提取的profile，可使用最小二乘法進行一維高斯擬合，分別求出X 和Y 方向上的束斑尺寸（σx和σy），也可通過計算被提取profile 的半峰全寬（FWHM）再除以2.35 轉化為σx和σy［22］。（5）計算束斑對稱性，基于已求得的兩個方向上的束斑尺寸，通過式（1）計算不同能量束斑的對稱性。束斑特性分析的數據處理流程結束后，所有計算結果將在束斑分析面板中展示（圖6）。

2 結果

在臨床調試階段，為評價該方法的可靠性，將SpotCheck的束斑尺寸計算結果分別與IBA商業化軟件平臺myQA的計算結果以及質子設備廠商的現場驗收數據進行兩組比對驗證。在第一組驗證中，驗證數據選取空氣中等中心位置上8個機架角度下（相互間隔45°）的Lynx-PT束斑圖像，基于myQA軟件和SpotCheck軟件的計算結果，統計各能級束斑的SigmaX和SigmaY的平均值和標準差。結果如圖7所示，SpotCheck束斑尺寸的計算結果總體略微偏大，SigmaX的最大差值出現在150 MeV，偏差0.06 mm，偏差百分比為1.59%。SigmaY的最大差值出現在200 MeV，偏差0.07 mm，偏差百分比為1.83%，SpotCheck的SigmaY標準差在中、高能量區間略高于myQA的SigmaY標準差。在第二組驗證中，SpotCheck分析的數據和第一組驗證中使用的數據相同，質子設備廠商提供的現場驗收數據則基于該公司自研的束斑影像采集系統（IAS）和束斑分析程序。結果如圖8所示，SpotCheck束斑尺寸的計算結果總體略微偏小，SigmaX的最大差值出現在230 MeV，偏差-0.06 mm，偏差百分比為-1.74%。SigmaY的最大差值出現在230 MeV，偏差-0.07 mm，偏差百分比為-1.89%。SpotCheck的SigmaX標準差在低能和高能量區間略小于廠商驗收數據的SigmaX標準差。

3 討論

3.1 束斑采集與分析效率

束流建模是質子醫療系統臨床調試的重要工作組成。束流模型的建立，除縱向積分深度劑量曲線外，還需要不同高度平面的束斑profile構造出三維掃描點的劑量分布形態。瓦里安的質子計劃系統在建模過程中需要提供機器可調能量范圍內距離等中心不同位置平面上的束斑Xprofile 和Yprofile 數據。基于數據建模和臨床調試的實際需要，合肥離子醫學中心5 號治療室的束斑測量內容如表1所示，累計采集有效束斑1 585 個。若使用傳統單能束斑采集方法，ProBeam 系統每次從束流請求到束流完成耗時約1 min，除去Lynx-PT 設備擺位耗時，僅束斑采集和存儲過程累計耗時約27 h，至少占用4 d 的束流時間。每次變更能量時，需人工更改質子系統的MU參數或更改Lynx-PT 的光圈大小，手動操作頻繁且重復性高。若使用連續采集方法，PBS質子放療系統執行一次束流計劃可投射19 個能級的束斑（70～240 MeV，間距10 MeV，另補充最高能級244 MeV），無需手動改變MU 參數或光圈大小。配合使用SpotCheck 軟件進行錄像數據質量控制，將錄像文件導入軟件即可獲得數據質量分析結果，避免人工核查數十幀束斑圖像，可將整個束斑采集過程壓縮至0.5 d。最后，該軟件極大提升了束斑特性分析效率，無需使用myQA軟件手動執行對錄像文件的逐幀處理分析，可直接獲得錄像文件中所有能級束斑的尺寸，避免數十小時的重復分析工作。

表1 建模束斑采集分類Table 1 Spot acquisition and classification for beam modeling

3.2 數據質量控制效果

在束斑采集過程中發現使用SpotCheck 軟件的數據質量控制方法可準確識別出束斑采集過程中出現的束斑曝光過量、曝光欠量、個別能級束斑缺失等現象，典型的數據質量問題如圖9a～c 所示。不同于束斑采集缺漏造成的異常空白幀序列，PBS質子放療系統偶爾會自發性產生能量切換的不規律延時，產生異常數量的空白幀序列，如圖9d 所示，SpotCheck軟件仍可正確識別此種情況下所有能級的束斑。

4 結論

針對PBS 質子放療系統和Lynx-PT 設備特性所設計的束斑測量與分析方法可快速完成在同一機架角度下多個能級束斑的采集，準確分析出束斑尺寸、對稱性等參數。將數據預處理和束斑特性分析流程嵌入軟件后極大提升了該方法的自動化程度。其數據質量控制功能可及時定位束斑采集過程中由人為操作疏漏或Lynx-PT 采樣間隙所引入的束斑數據質量問題，避免人工數據質量檢查造成的疏漏。在完成所有質子治療室的臨床調試工作后，可繼續進行質子束斑的周期性質量保證方法和流程設計，并嵌入SpotCheck，提升質子系統質控的自動化程度。