三種劑量驗證系統在直腸癌容積旋轉調強放療計劃中的驗證結果比較

江柳清（通信作者）

1 福建醫科大學附屬協和醫院 （福建福州 350001）；2 福建省腫瘤智能影像與精準放療重點實驗室 （福建福州 350001）；3 福建省消化、血液系統與乳腺惡性腫瘤放射與治療臨床醫學研究中心 （福建福州 350001）

結直腸癌是我國常見惡性腫瘤，放射治療是治療直腸癌的主要手段。有研究表明，術前或術后同步放化療結合全系膜切除術是Ⅱ/Ⅲ期直腸癌標準的治療方案[1-3]。容積旋轉調強放療（volumetric modulated arc therapy，VMAT）作為新型的直腸癌放射治療技術，不僅能減少周圍膀胱和小腸等危及器官的劑量，提高靶區劑量的均勻性和適形性，還能減少治療時間，提高治療效率[4]。由于VMAT 計劃的劑量率、機架旋轉角度和速度及多葉準直器葉片位置在出束過程中不斷變化，為保證患者劑量投照的準確性和治療的安全性，必須在放射治療前對治療計劃進行劑量驗證[5-6]。

Delta4 三維半導體矩陣作為主流的VMAT 三維劑量驗證系統，具有良好的劑量響應、劑量率響應和角度響應特性[7-8]；但需要將治療計劃移植到模體上進行劑量計算和驗證，增加了模體擺位和連接線路的時間，且可能會引入擺位誤差[9]。電子射野影像系統（electronic portal imaging device，EPID）是加速器自帶的位置驗證和劑量驗證系統，具有良好的劑量線性響應、測量重復性和穩定性，空間分辨率高，且擺位方便[10-12]。EDose 系統和Portal Dosimetry 系統（PD 系統）是基于EPID 研發的劑量驗證系統，已經被廣泛的應用于IMRT和VMAT 的劑量驗證中[13-16]。與Delta4 相比，EDose 系統和PD 系統擺位簡單，使用方便，驗證效率高。Delta4、EDose 和PD 三者系統性能和精度的差別可能會影響直腸癌VMAT 的劑量驗證結果。因此，本研究采用γ 分析方法，比較Delta4、EDose 和PD 3 種劑量驗證系統在直腸VMAT 計劃劑量驗證中的γ 通過率差異，旨在為臨床劑量驗證選擇合適的驗證系統和評價標準提供數據支持，現報道如下。

1 材料與方法

1.1 患者資料與治療計劃設計

回顧性選取2022 年10 月至2023 年2 月在福建醫科大學附屬協和醫院接受放射治療的45 例直腸癌患者，其中男31 例，女14 例；年齡32～80 歲，平均（60.00±11.00）歲；計劃靶區體積490.36～1 361.70 cm3，平均（743.34±170.93）cm3。所有患者的VMAT 治療計劃在Varian Eclipse（V15.6）系統設計，采用179°～181°順時針和181°～179°逆時針兩個全弧照射；采用6 MV 光子線模式，各向異性解析算法（anisotropic analytical algorithm，AAA），計算網格2.5 mm × 2.5 mm，劑量率600 MU/min。其中23 例患者接受短程放療，計劃靶體積（planning target volume-clinical target volume，PTV-CTV）劑量為2 500 cGy/5 次，22 例患者接受長程放療，計劃大體腫瘤靶體積（planning target volume-gross target volume，PTV-GTV）5 000 cGy/25 次，PTVCTV 劑量為 4 500 cGy/25 次。

1.2 治療設備與驗證系統

所有病例均在Eclipse 系統上創建驗證計劃，在Varian 公司生產的Trilogy 直線加速器上實施治療和驗證。本研究使用的驗證系統包括Delta4 系統、EDose 系統和PD 系統，具體內容如下：

1.2.1 Delta4 系統

該系統是由瑞典ScandiDos 公司開發的三維劑量驗證系統，由Delta4 模體和劑量分析軟件組成。Delta4 模體由兩個正交的半導體陣列平板嵌在一個直徑22 cm、長40 cm 的圓柱形聚甲基丙烯酸甲酯模體中，該半導體陣列平板面積為20 cm×20 cm，內共有1 069 個尺寸為0.78 mm2的p-Si 型半導體探頭。中心6 cm×6 cm 區域內的半導體探頭間距為0.5 cm，其余區域為1 cm。劑量響應最小為1 mGy。

1.2.2 EDose 系統

該系統是由廣州瑞多思公司開發的用于治療前和在體的劑量驗證系統，由非晶硅aS1000 EPID、EDose 5.0 軟件組成，有效的探測面積40 cm×30 cm，共768×1 024個有效像素點，相鄰像素點間距0.39 mm。

1.2.3 Portal Dosimetry 系統

該系統是Varian Trilogy 直線加速器配備的劑量驗證系統，包括非晶硅aS1000 EPID 探測器和內置于Eclipse15.6 系統的PD 軟件模塊，有效的探測面積、像素點及相鄰像素點間距均同EDose 系統，根據EPID 獲取的圖像采用射野劑量圖像預測算法（portal dose image prediction，PDIP）計算劑量預測分布圖。

1.3 劑量驗證方法

1.3.1 Delta4 系統方法

將完成的VMAT 治療計劃移植到Delta4 的CT模體上，由于Delta4 模體是放在治療床板上執行驗證，床板會對劑量產生影響，所以為計劃添加虛擬床板。采用AAA 算法進行劑量計算，創建驗證計劃。然后將驗證計劃的計劃文件（RT plan）、劑量文件（RT dose）通過網絡傳輸并導入到Delta4 軟件中。測量前對Delta4 進行參考點校準、絕對劑量校準、相對劑量校準和方向性校準，將Delta4 模體置于加速器治療床上，利用激光燈和十字線進行準確擺位，并連接加速器和Delta4 的信號線及電腦網線。驗證計劃前在加速器上先執行射野10 cm×10 cm，機架角度為0°、90°、180°和270°，每個射野跳數為100 的盒式計劃，得到每日校準因子，校正當日加速器絕對劑量輸出不穩定的誤差，然后再執行驗證計劃，測量結果采用配套的Delta4 劑量分析軟件進行分析。

1.3.2 EDose 系統方法

打開EDose 服務器，在Eclipse 計劃系統中將患者的CT 圖像、結構文件（RT structure），計劃劑量文件（RT dose）、計劃文件（RT plan）傳輸至服務器上。伸出EPID 至離源距離100 cm 處，測量前對EPID 進行暗野、泛野及絕對劑量校準。打開EDose 軟件執行驗證計劃，采集EPID 射野劑量圖像并保存至服務器上。在Edose 客戶端上打開患者驗證計劃，計算三維劑量，并與計劃系統的劑量進行對比分析。

1.3.3 Portal Dosimetry 系統方法

在Eclipse 系統上基于患者的治療計劃創建PD驗證計劃，設置源至EPID 的距離（source-imager distance，SID）為100 cm，通過PDIP 算法計算劑量預測分布圖，并在計劃排程中為每個照射野添加Integrated Image。測量前對EPID 進行暗野、泛野及絕對劑量校準，將EPID 置于SID 為100 cm 的位置并實施照射，獲取的劑量驗證圖像自動保存，在TPS 的PD 模塊中合成射野劑量圖像并與Eclipse 計算的射野劑量預測圖像自動配準，然后進行γ 分析。

1.4 劑量對比分析

采用γ 分析方法比較計劃系統計算的劑量與3 種系統實際測量得到的劑量之間的差別，設置劑量閾值為10%，選擇絕對劑量模式，采用4 種γ 評價標準（3%/3 mm、3%/2 mm、2%/3 mm、2%/2 mm）進行γ 分析。

1.5 統計學處理

采用SPSS 27.0 統計學軟件進行數據分析，采用Shapiro-Wilk 檢驗分析各組的γ 通過率是否符合正態分布。若數據不符合正態分布所以采用中位數和四分位數間距M（Q1，Q3）表示。利用Kruskal-Wallis 檢驗比較三種驗證系統在不同評價標準下的γ 通過率，三者γ 通過率比較，差異有統計學意義時，進一步采用兩兩比較的Bonferroni 校正法檢驗兩種系統之間的γ 通過率差異，以P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

45 例直腸癌患者的VMAT 計劃采用Delta4、EDose 和PD 系統驗證的γ 通過率結果如圖1 所示，隨著γ 評價標準逐漸嚴格，3 種劑量驗證系統的平均γ 通過率逐漸下降，方差逐漸變大。在3%/3 mm、3%/2 mm、2%/3 mm 的評價標準下，3 種驗證設備的平均γ 通過率均＞95%，均滿足臨床要求，其中在3%/3 mm 的評價標準下，3 種驗證設備的平均通過率均＞98%。在2%/2 mm 評價標準下，Delta4 系統的平均γ 通過率＞95%，EDose 及PD 系統的平均γ 通過率均＞90%。

圖1 4 種評價標準下Delta4、EDose 和PD 系統的γ 通過率比較

3 種驗證設備在4 種評價標準下的γ 通過率比較結果如表1 所示，在3%/3 mm 的評價標準下，Delta4、EDose 及PD 系統的平均通過率分別為99.90%，98.34%和98.60%。在3%/3 mm、3%/2 mm、2%/3 mm、2%/2 mm 的評價標準下，3 種驗證系統的γ 通過率比較，差異有統計學意義（P＜0.05）。通過進一步兩兩比較發現，Delta4 系統的γ 通過率高于EDose 系統和PD 系統，差異有統計學意義（P＜0.05）；EDose 系統和PD 系統的γ 通過率比較，差異無統計學意義（P＞0.05）。

表1 Delta4、EDose 和PD 在不同評價標準下的γ 通過率比較[M（Q1，Q3），%]

3 討論

VMAT 計劃的治療前劑量驗證是放射治療日常質控的重要環節，主要用于核查計劃系統計算的精確性以及確保計劃實施的準確性和安全性。本研究劑量驗證是否通過主要采用劑量/距離一致性的γ 分析方法評估。AAPM TG-119 號報告推薦[17]，在評價標準為3%/3 mm，最小劑量閾值為10%的條件下，計劃驗證的γ 通過率＞90%即符合臨床要求，＞95%即為理想的狀態。而AAPM TG-218 號報告[18]則建議使用3%/2 mm 評價標準，γ 通過率容差限值≥95%，干預限值≥90%來判定計劃驗證是否通過。本研究采用Delta4、EDose 和PD 3 種劑量驗證系統對同一患者的直腸癌VMAT 計劃進行劑量驗證。驗證結果表明，無論是3%/3 mm，還是3%/2 mm 和2%/3 mm 的評價標準，Delta4、EDose 和PD 3 種驗證系統的平均γ 通過率均＞95%。即使是更嚴格的2%/2mm 的評價標準，Delta4 系統的平均γ 通過率＞95%，EDose 和PD 系統的平均γ 通過率＞90%，均表明3 種驗證系統在4 種評價標準下的γ 通過率均滿足臨床要求，均可用于VMAT 計劃的劑量驗證。進一步兩兩比較3 種驗證系統的γ 通過率發現，Delta4 系統的γ 通過率高于EDose 系統和PD 系統，EDose 系統的γ 通過率和PD 系統相當。本研究以γ 通過率＞95%為判斷標準，Delta4 系統嚴格的劑量驗證γ 評價標準為2%/2 mm, EDose 和PD 系統嚴格的劑量驗證γ 評價標準為3%/2 mm 或2%/3 mm。

在γ 評價標準逐漸嚴格的條件下，3 種驗證系統的γ 通過率逐漸降低，方差逐漸增大，主要是由于系統的敏感性降低導致數值偏低和數據波動變大[18-19]。Delta4 系統的γ 通過率高于EDose 系統和PD 系統，與Huang 等[16]的研究結果一致。為了保證測量結果的準確性，在測量前對Delta4 進行校準，并考慮到治療床對劑量的影響，將虛擬治療床添加到Delta4 驗證計劃中，并在Delta4 擺位過程中調節模體底部到床面的高度與計劃系統中的高度相一致，可能是本研究Delta4 驗證的γ 通過率較高的原因。另外，EPID 和Delta4 測量和擺位的方式不同也是可能的原因之一。EDose 系統和PD 系統驗證是依靠EPID 探測器隨著機架旋轉采集電信號生成EPID 圖像再通過算法轉換成劑量分布。因此，EPID 機械運動的位置誤差會對劑量產生一定的影響[20-23]，而Delta4 模體靜止在治療床上測量，由于其各向同性的特性，可收集任意角度的射線信息。最后EPID 和Delta4 的空間分辨率和靈敏度的差異也是可能的原因之一。影響VMAT 劑量驗證的γ 通過率除了加速器以及計劃系統外，還與驗證系統的幾何結構和性能有關，包括能量響應、空間采樣點和穩定性等[24]。EPID 的有效探測器面積為40 cm×30 cm，像素大小為0.39 mm×0.39 mm；Delta4 的有效探測面積為20 cm×20 cm，半導體尺寸為0.87 mm2，間距為5 mm 和1 cm，對于兩半導體探頭之間的測量點劑量依靠插值計算方式實現。由此可見，EPID 的有效分辨率高于Delta4。本研究中的直腸癌靶區體積大，EPID 內的空間采樣點比Delta4 多，可能較易產生更多不容易通過的點，但驗證結果相對更加真實準確。

本研究中EDose 系統和PD 系統的計劃驗證通過率均＞90%,且通過率相近。EDose 系統和PD 系統都是基于EPID 測量的劑量驗證系統，兩者的區別主要在于算法的不同：PD 系統將EPID 獲取的射野圖像通過PDIP 算法重建二維劑量圖像，并與治療計劃系統預測劑量圖像進行比較；EDose 系統則是將EPID 采集的影像通過反卷積算法得到虛擬圓柱形模體表面的通量，再利用射線追蹤和迭代算法轉換為射野通量，然后基于機器物理模型，利用筒串卷積算法得到三維劑量分布[25-26]，因此，EDose 系統還可以進一步分析靶區和危及器官的劑量與計劃系統的劑量差異。本研究結果一方面驗證了兩系統建立的物理模型和計算算法的準確性，另一方面也說明了EDose 和PD 系統在算法和分析過程方面雖然有所不同，但均能很好地應用于劑量驗證。

雖然γ 分析是當前廣泛使用的劑量驗證評估方法，但是僅通過計劃的γ 通過率比較不足以反映患者體內靶區和危及器官的劑量偏差，未來將考慮基于患者解剖結構的劑量分布、劑量體積直方圖參數比較不同劑量驗證系統的差異[6，27]。另外，本研究選取的是直腸癌VMAT 計劃，其計劃復雜度相對于鼻咽癌、乳腺癌等更低，因此下一步考慮納入更多的其他部位的治療計劃進行對比分析。

綜上所述，無論是3%/3 mm，還是3%/2 mm 和2%/3 mm 的評價標準，Delta4、EDose 和PD 3 種驗證系統的平均γ 通過率均＞95%。即使在2%/2 mm的評價標準下，3 種劑量驗證設備的γ 通過率均＞90%，因此Delta4、EDose 和PD 系統均能較好地用于直腸癌患者VMAT 計劃的劑量驗證。在4 種評價標準下（3%/3 mm、3%/2 mm、2%/3 mm、2%/2 mm），Delta4 的驗證γ 通過率優于PD 系統和EDose 系統，PD 系統的驗證γ 通過率和EDose 系統相近。由于PD 系統和Edose 系統在保證驗證精度的同時，擺位簡單、使用方便、驗證效率高，在臨床應用中可以優先考慮，僅對驗證不通過者利用Delta4 復驗和交叉驗證以確保治療的安全和準確。Delta4 系統嚴格的劑量驗證γ 評價標準可以采用2%/2 mm，EDose 和PD 系統嚴格的劑量驗證γ 評價標準可以采用3%/2 mm 或2%/3 mm。