准直器角度误差对脑转移瘤VMAT计划Gamma通过率的影响

邓官华，黄爱花，陈丽霞，罗龙辉，戴鹏，张平，赖名耀，山常国，黄庆，蔡林波

1.广东三九脑科医院肿瘤综合治疗中心，广东广州510510；2.广州中医药大学祈福医院呼吸内科，广东广州511495；3.南方医科大学生物医学工程学院，广东广州510515

前言

脑转移瘤是成年颅内常见的恶性肿瘤之一，随着医疗技术的发展，肿瘤患者生存时间的延长，约10%～30%的肿瘤患者会发生脑转移［1］，且有约50%的脑转移瘤患者为多发脑转移瘤［2］。容积旋转调强技术（VMAT）能实现更好的靶区均匀性、适形度及剂量跌落更快，常作为治疗多发脑转移瘤的首选治疗技术［3］。相对于传统固定野调强技术，VMAT 计划的计算复杂度更高，对加速器机械精度要求更为严格［4］。为了保证放疗过程中的安全性，治疗前都需要对VMAT 计划进行剂量学验证。目前，多数放疗中心在进行放疗计划剂量验证时采用Gamma通过率来判断VMAT 计划是否合格［5-8］。Gamma 通过率受到Gamma 分析标准、剂量分布分辨率、准直器叶片（Multi-Leaf Collimator,MLC）到位精度及角度精度等多种因素的影响。现有的大多数文献，主要集中研究摆位误差［9-10］、剂量分布分辨率［11-12］及MLC 到位精度［4,13-14］对Gamma 通过率的影响。准直器角度误差对单中心多发脑转移瘤VMAT 计划的Gamma 通过率是否有影响，相关文献报道较少。本质上讲，Gamma 比较法是一种定量比较两种剂量分布的方法，它不仅可以用于计划系统计算分布与测量分布之间的比较，同时还可以用于两种测量分布或者两种计算分布之间的比较［15-16］。因此，本研究通过旋转准直器角度模拟准直器角度误差大小来分析单中心多发脑转移瘤VMAT 计划中准直器角度误差对Gamma 通过率的影响。

1 材料与方法

1.1 一般资料

选取2018年1月～2019年6月广东三九脑科医院肿瘤综合治疗中心收治确诊为多发脑转移瘤患者21例，其中男10例，女11例，年龄29～74岁，肿瘤的体积为（0.7～68.7）cm3。

1.2 仪器设备

美国Varian UNIQUE 直线加速器，配备60 对全自动独立MLC，中心40 对MLC 宽度为0.5 cm，两端各10 对MLC 宽度为1.0 cm，采用滑窗调强运动模式，计划剂量率设置为400 MU/min。放疗计划系统为Varian Eclipse 13.6，射线能量为6 MV X 线，剂量算法为各向异性解析算法（Anisotropic Analytical Algorithm,AAA）［17］，计算网格设置为2.5 mm。

1.3 VMAT计划设计

所有患者均采用VMAT 动态调强滑窗技术照射，采用3～4 条弧，其中1～2 条为共面弧，2 条非共面弧，等中心位于各个肿瘤中心与等中心之间的距离之和最小的位置［18］，如图1所示。为了避免Varian MLC 沟槽效应的影响，准直器角度设置为10°或350°。计划靶区（PTV）处方剂量为24 Gy，8 Gy/次。正常组织约束条件为［19］：脑干Dmax＜23.1 Gy，延髓Dmax＜21.9 Gy，晶 体Dmax＜7 Gy，视 神 经Dmax＜17.4 Gy。VMAT计划设计完成并得到医生确认后，将此治疗计划作为模板计划。

图1 多发脑转移瘤VMAT计划等中心设置示意图Fig.1 Iso-center setting of volumetric modulated arc therapy for multiple brain metastases

VMAT计划执行过程中准直器角度误差模拟：在模板计划的基础上，改变准直器角度，保持其他参数不变，模拟准直器角度误差。准直器的旋转偏移角度为±0.5°、±1.0°、±1.5°、±2.0°，“+”号误差为顺时针方向旋转误差，“－”号误差为逆时针方向旋转误差。例如，+0.5°表示VMAT 计划中每条弧的准直器角度旋转偏移0.5°。不进行通量优化，重新计算剂量分布，然后分别输出每个计划等中心水平面的剂量分布图，输出时剂量分布的分辨率设置为0.392 mm/像素［11］。所有生成VMAT 计划，均不作为实际执行治疗计划，仅限于实验参数比较。

1.4 Gamma指数分析

采用Gamma分析法进行等中心平面剂量分布比较，即将模板计划的等中心平面剂量分布图与准直器角度旋转偏移的等中心平面剂量分布图进行Gamma分析比较，其计算公式如下所示［12,20］：

其中，

式中，r(rm,rc)为c点与m点之间的距离，δ(rm,rc)为c点与m点之间的剂量差。ΔD为剂量差别标准，Δd为距离一致性标准。采用IBA OmniPro-I'mRT（Version：1.7）软件计算Gamma 指数，计算中取最大剂量点为归一点，ΔD和Δd分别取3%/3 mm、2%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm 及1%/1 mm 标准。当γ(rm)≤1时，计算通过，否则计算失败。实际剂量分布的采集采用Varian Unique 自带的a-Si 1000 非晶硅半导体探测器，有效探测面积为40 cm×30 cm，分辨率为0.392 mm/像素。通过OmniPro-I'mRT 可得到剂量分布的Gamma 通过率，对比不同准直器角度误差得到的Gamma 通过率结果，分析准直器角度误差对单中性多发脑转移瘤VMAT计划Gamma通过率的影响。

1.5 统计学方法

采用IBM SPSS 21.0对数据进行统计学处理分析，计量资料采用均数±标准差表示，采用非参数配对Wilcoxon秩和检验，显著性检验水准为0.05，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

图2为无准直器角度误差下，计划系统预测通量图和EPID 实际采集的通量图及3%/3 mm 标准下Gamma 指数的分布图。表1为3%/3 mm 标准下，不同准直器角度误差的Gamma 通过率及统计学差异。从表1可以看出，当准直器角度误差大于0.5°时，其Gamma 通过率具有显著性差异。此外，随着准直器角度误差增大，Gamma通过率的标准差也随之增大。

图3显示为应用3%/3 mm、2%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm 及1%/1 mm 标准作为评价指标时，每种准直器角度误差引起Gamma平均通过率的变化图。在1%/1 mm 标准下，-2.0°、-1.5°、-1.0°、-0.5°、0.5°、1.0°、1.5°、2.0°准直器角度误差的Gamma 平均通过率分别降低4.80%、3.30%、2.00%、0.82%、0.73%、1.50%、2.10%、3.10%。

图4为准直器角度误差为±0.5°、±1.0°、±1.5°、±2.0°时，分别在3%/3 mm、2%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm及1%/1 mm 标准下，其Gamma 通过率的统计学分析结果图。从图4可以看出，当准直器角度误差小于或等于0.5°时，在3%/3 mm、2%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm 及1%/1 mm 标准下，Gamma 通过率无统计学差异（P＜0.05）。例如当评价标准为1%/1 mm 标准时，-2.0°、-1.5°、-1.0°、-0.5°、0.5°、1.0°、1.5°、2.0°准直器角度误差的P值分别为0.003、0.005、0.020、0.593、0.469、0.043、0.030及0.001。

3 讨论

图2 无准直器角度误差中，3%/3 mm标准下Gamma指数分布图Fig.2 Gamma distribution maps with the collimator angle error of 0°under the criterion of 3%/3 mm

表1 3%/3 mm标准下，不同准直器角度误差的Gamma通过率(xˉ± s)Tab.1 Gamma passing rates with different collimator angle errors under the criterion of 3%/3 mm(Mean±SD)

图3 引入准直器角度误差后在不同标准下Gamma通过率的变化图Fig.3 Gamma passing rate changes after introducing different collimator angle errors under difference criteria

图4 不同准直器角度误差下Gamma通过率统计学分析结果图Fig.4 Results of statistical analysis on Gamma passing rates after introducing different collimator angle errors under difference criteria

随着准直器调强技术在临床上的广泛应用，放射治疗已经进入精确放疗时代［3］。VMAT 作为一种精度要求较高的调强放疗技术，能最大限度将高能射线聚焦于靶区内，最大限度保护周围正常组织和危及器官不受照射。但由于技术本身的特点，微小的误差都有可能对靶区和危及器官的照射量形成较大的影响。在实际临床工作中，计划的剂量分布与实际照射的剂量分布存在一定差异，这可能是患者摆位误差所致，也有可能是加速器本身机械误差的原因。现有的文献主要侧重研究MLC到位精度对调强计划剂量分布的影响，缺乏对准直器角度误差对脑转移瘤VMAT 计划剂量分布影响的分析。在本文中主要探讨准直器角度误差对多发脑转移瘤VMAT计划Gamma通过率的影响。

在本研究中，如表1所示，随着准直器角度误差增大，Gamma 通过率的标准差也随之增大。这提示当准直器角度误差增大时，Gamma 通过率的稳定性有所下降。另外，如图3所示，在相同旋转方向上，准直器角度误差越大，Gamma平均通过率下降越大，且评价标准越严格，其下降幅度越大。例如，3%/3 mm标准下，当准直器角度误差为-2°时，其Gamma 平均通过率下降2.12%，而在1%/1 mm 标准下，其Gamma平均通过率下降4.75%。此外，由图4可知，当准直器角度误差大于0.5°时，在3%3 mm、2%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm 及1%/1 mm 标准下，其Gamma 通过率具有统计学差异（P＜0.05）。在0.5°范围内，虽然Gamma通过率差异没有统计学意义，但是数据的离散度有所增加，稳定性下降。在AAPM TG-142 报告中［21］，要求准直器角度误差要控制在±0.5°内，这与本文的研究结果一致。

根据美国物理师协会的建议，在3%/3 mm 标准下，Gamma通过率需大于90%，调强计划才符合临床要求。Gamma通过率作为评价VMAT计划是否符合临床要求的一个重要指标，其受多种因素影响［9-14］。张达光等［11］、曹午飞等［12］研究表明在剂量分布验证中图像的分辨率对Gamma通过率有显著影响。其试验结果显示Gamma通过率会随着图像分辨率的增大而减小，并建议计划系统输出的剂量分布的分辨率选取为1 mm 更合适。为了避免取样分辨率对Gamma 通过率的影响，在本研究中剂量分布的分辨率选取为0.392 mm/像素，既保证Gamma通过率的可靠性，同时兼顾Gamma 通过率的计算时间。此外，Gamma通过率还与探测器的空间分辨率有关。张建英［7］发现对二维电离室矩阵（IBA Matrixx）进行插值后，调强验证的Gamma通过率显著下降，结果显示使用电离室矩阵固有分辨率进行验证的Gamma通过率最高。在本文中，采用Varian Unique 自带的a-Si 1000 非晶硅半导体探测器进行实际测量，其有效探测面积为40 cm×30 cm，分辨率高达0.392 mm/像素，涵盖计划系统输出剂量分布的分辨率，避免探测器空间分辨率对Gamma通过率的影响。

本文只对准直器角度误差进行单因素研究，但在实际治疗中，往往是多个因素同时存在影响着Gamma 通过率。例如，王清鑫等［4］发现3%/3 mm 标准下，当MLC 整体偏移2 mm 时，Gamma通过率下降7.9%。卢晓光等［22］研究表明准直器的重力效应会对调强放疗计划Gamma 通过率产生影响。另外，本文是针对整个中心平面进行Gamma 分析，一些无关重要的测量点会在计算范围内，这可能会影响到最终Gamma 通过率的数值。AAPM TG-218 报告中［23］，提出理想的Gamma 分析应该针对单个组织、器官或者PTV，所以本研究仍存在一定的局限性，但是对于准直器角度误差对单中心多发脑转移瘤VMAT 计划剂量学验证的影响已有一个初步的认识。

4 结论

本文通过旋转准直器角度模拟准直器角度误差，探讨准直器角度误差对单中心多发脑转移瘤VMAT计划Gamma通过率的影响。实验结果显示在3%/3 mm、2%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm 及1%/1 mm标准下，当准直器角度误差大于0.5°时，其Gamma 通过率具有统计学差异。随着准直器角度误差越大和应用标准越严格，Gamma 平均通过率下降越大。因此，为了保证VMAT 计划执行的准确性，需要对准直器角度做更加严格的质量控制和保证。