基于医用直线加速器轨迹日志进行放射治疗剂量投照的质控

马阳光，麦日珍，李国文，韩 滨，孔凡洋，冀传仙，姬腾飞，刘乐乐，郭跃信

1)郑州大学第一附属医院放射治疗部 郑州450052 2)郑州大学第一附属医院医学装备部 郑州 450052 3)郑州大学第一附属医院放疗二科 郑州 450052

以三维适形放射治疗(three-dimensional conformal radiation therapy,3D-CRT)、调强放射治疗(intensity modulated radiation therapy, IMRT)、容积旋转调强放疗(volumetric modulated arc therapy, VAMT)为代表的精确放疗技术，能在大幅提升靶区剂量的同时，使周边正常器官受较小的影响，从而提升放疗疗效和患者生存质量。但伴随这些新技术而来的还有繁多的放疗数据，这些数据在计划系统(treatment planning system, TPS)生成后传到网络，而后传到加速器执行。保证这些数据准确传输和执行是保证患者接受安全、准确治疗的关键。利用加速器日志进行剂量验证和质控已有报道[1-7]，但现有手段主要为剂量比对，评估结果单一，不能很好反映放疗数据是否被准确传输和执行。

TrueBeam加速器在执行放疗计划时，其监控系统会每20 ms对各参数进行一次监测，监测所得各参数值被以二进制格式记录到一后缀名为.bin的文件中，该文件即为轨迹日志。射线束每中断一次，产生一个轨迹日志文件。轨迹日志较前代日志(Dynalog，文件后缀.dlg)具有更快的数据采集频率(前代为50 ms)，记录信息也更丰富。本研究使用Matlab编写程序，从轨迹日志及计划中提取参数并作分析，评估TPS中设定数据与实际执行数据的偏差，对放射治疗剂量投照进行质控。

1 材料与方法

1.1材料医用直线加速器TrueBeam，可同时支持3D-CRT、IMRT和VMAT技术；外照射TPS Eclipse 13.5，可用于制定3D-CRT、IMRT和VMAT放疗计划；网络系统Aria，用于存储、传输与控制放疗计划；均为美国瓦里安公司产品。Matlab 2016a软件(美国MathWorks公司)，用于编写程序读取和分析计划及日志中的信息。

1.2轨迹日志轨迹日志中记录有患者姓名、编号(ID)、射线能量、放疗技术、机架角、小机头角、剂量率、多叶准直器叶片(multi-leaf collimator,MLC)位置、控制点、投照剂量、射野名称、投照时间、治疗床旋转及平移位置等信息。每个参数均有期望值与实际值两组数据。表1为执行IMRT计划所得不同日志文件中记录的参数情况。

1.3质控流程通过验证计划系统生成的各放疗参数是否被加速器准确执行，判断剂量投照准确性。图1是利用轨迹日志验证放疗剂量投照准确性的流程图。首先利用Matlab编程读取计划和日志信息，而后按照流程进行处理分析。各种放疗技术所选定的比较参数及Dynalog、轨迹日志所包含的参数情况见表1。

1.3.1 日志离散化 因轨迹日志中信息间隔为20 ms，而计划文件中仅在每个控制点处有一组数据，前者数据分辨率较高，比较前需对日志信息离散化，使其数据分辨率与计划文件保持一致。首先利用线性插值法对日志中信息进行插值处理，得出各整数控制点处各组参数值，而后与计划中控制点序数相匹配。

1.3.2 基础信息比对 比较日志与计划中患者姓名、ID、治疗机、射线能量是否一致，判别是否调用错误的计划，保证投照计划与接受治疗的患者匹配关系正确。

1.3.3 射野参数比对 主要比较各控制点处铅门位置、各MLC位置、剂量率、投照剂量数、机架角度、小机头角度、治疗床角度和位置等参数。此外，由各控制点处MLC位置、剂量率、投照剂量，计算出该时刻投照通量分布，对期望与投照通量分布进行γ比较，实现类似剂量验证的质量评估。

1.3.4 参数一致性标准 参考美国医学物理学家协会TG142号报告[8]、TG119号报告[9]以及Baozhou等[10]的报道设定参数比对误差允许限，如下：机架角、小机头角设为0.5°，铅门、MLC位置设为2 mm，投照剂量设为3%，通量γ通过率差别不大于10%(比对条件为：3%/3 mm，阈值选为10%全局最大值)[11]。

图1 利用轨迹日志验证放疗剂量投照准确性流程

表1 Dynalog与轨迹日志记录的IMRT参数及不同放疗技术质控参数的选择情况

Y：包含或选择；N：不包含或未选择

1.4可靠性验证对一项传至Aria的IMRT计划引入人为误差。将第65控制点处A侧所有叶片闭合1.5 mm，第79控制点处小机头角度旋转10°，第120控制点处A(左)、B(右)方向、G(机头)、T(靶区)方向铅门位置均增大5 mm。最后将修改前和修改后的计划在加速器执行，并利用上述程序验证。

1.5临床病例测试选取3D-CRT、IMRT、VMAT放疗病例各6例，由Eclipse制定计划并经Aria传输至TrueBeam执行，利用1.3中的程序及流程对测试结果进行分析比较，验证TrueBeam加速器执行计划的准确性。

2 结果

2.1计划信息的读取所有测试Matlab所读取的基础信息与Eclipse中显示的一致。前者所得铅门、MLC位置精度均达到10-5mm，Eclipse中对应精度分别为1 mm、0.01 mm。此外，程序还从计划文件中读取了计划制定物理师、设备厂商、CT图像名称、放疗参数执行误差允许限、患者摆位几何条、计划批准状态、软件版本号等信息。计划文件显示，3D-CRT计划控制点个数由子野数目决定，IMRT、VMAT计划单个野控制点个数分别为166、178。

2.2日志信息的读取日志头文件主要含MLC数目和类型、射野个数、采样频率及总帧数等。数据部分按照采集时间排列，每帧除包含表1中的信息外，还包括呼吸门控、坐标系类型等。日志中坐标系为瓦里安坐标系，日志读取程序将其转变为常用的IEC1217坐标系。此外，日志中1～60 MLC对应计划中A列左下角到左上角60个叶片，61～120对应计划中B列右下角到右上角60个叶片。离散化可准确使日志信息与计划信息匹配。

2.3可靠性验证所有测试例日志中各参数实际值和计划参数差别分布与日志中各参数实际值和期望值差别一致，且均在允许限内，日志中各参数期望值与计划参数一致。计划修改前后，日志中第65控制点处A侧叶片期望值偏差为1.497 mm，第79控制点处小机头角度期望值偏差10°，第120控制点处AB方向、GT方向铅门偏差分别为4.998 mm、5.002 mm，上述参数实际值偏差平均值分别为1.498 mm、9.998°、4.997 mm、4.999 mm，与人为引入误差一致。

2.4临床日志分析测试例日志中所有参数在所有控制点处的期望值与实际值误差均在容许限内。其中VMAT病例日志中所记录的MLC位置误差、机架角度误差较IMRT、3D-CRT日志中对应误差大，而小机头角度、治疗床角度、治疗床位置误差与3D-CRT结果一致(表2)，这一结果与现有经验一致。图2是一例VAMT日志中各时刻投照剂量、机架角度、120片MLC位置实际值与期望值的偏差情况。

2.5临床计划与日志比对将计划与日志按控制点匹配后，各控制点处各参数值与日志中各参数期望值一致，利用日志中期望值与实际值比较评估计划值与实际值的偏差情况。所有测试投照通量与计划所得期望通量在1%/1 mm标准、10%最大值为阈值条件下做γ比较，得γ通过率均大于99%，图2(右下)为其中1例比较结果的分布。研究中单个3D-CRT病例分析时间均不大于30 s，单个IMRT、VMAT病例分析均在1 min内完成。

表2 不同放疗技术测试例日志中各参数期望值与实际值的差别

图2 各时刻投照剂量(左上)、机架角(右上)、所有MLC(左下)实际值与期望值的偏差情况及γ通过率(右下)比较结果

3 讨论

精确放疗需全流程质控，这是临床精确放疗的共识。与传统质控相比，本研究中的方法具有以下优势：一是能够获取患者实际治疗时剂量投照情况，而非传统方法中的治疗前或治疗后获取的数据；二是既能给出实际投照通量与计划通量γ比较结果，又能显示出每个具体参数在某一时刻的误差情况，结果所含信息更丰富、直观，便于后期问题的查找分析；三是整个流程可自动化完成，快速便捷，且发生人为误差的概率更低。

日志信息离散化是一大挑战。本组1例VMAT测试例，日志中记录信息共有10 093帧，而控制点数仅为533个，这意味着离散化将使日志中大量信息丢失。由日志、计划匹配结果得知，日志中每个数据采集时刻各参数的期望值为计划信息在该时刻的插值。此外，当加速器执行计划时，若某一帧处某一参数误差超过容许限，控制中心会在接下来两帧内对该参数予以修正，若两帧内未能完成修正，将触发联锁，加速器停止治疗。因此，日志离散化虽然丢失了大量信息，但由于上述两个机制的存在，离散化后的日志信息仍能准确地反映加速器执行计划的精准度。

轨迹日志中角度、位置信息记录精度均高于或等于计划信息中的精度。日志中实际角度或位置信息由加速器电位器或其他检测系统反馈得到，精度可靠。而各参数期望值虽然由计划信息插值得到，但其代表着给予加速器的指令，因此其精度也可靠。而计划参数值与日志中的期望值相比，则处于次要地位。此外，Eclipse中各参数有效位数显示较少，仅是计划中对应参数四舍五入后的显示值，实际有效位数以计划文件中的记录为准。

轨迹日志信息丰富，通过建立日志中各参数间关系，可实现对计划执行难度的评估。对所得难度进行分级，给予不同级别的质控措施，可实现精细化放疗质控，使临床质控工作具有更强的针对性和更高的效率。此外，抽取计划及日志中各参数特征值，利用深度学习算法构造模型，实现对投照剂量及潜在问题的预测，可建立剂量投照误差预警系统，对加速器可能出现的误差提前给予警报并及时予以修复[3]。

轨迹日志的采样间隔为20 ms，较高的采样频率使其非常适用于剂量率高达2 400 MU/min的非均整(flattening filter-free, FFF)射线及大剂量立体定向放疗的质量控制[3,12]。本研究中仅对均整射线(flattening filter, FF)常规放疗的质控做了研究，后续将开展针对电子线、FFF、立体定向放疗的研究。

利用轨迹日志质控也存在局限性。一是日志不能反映摆位信息、组织补偿器添加情况、剂量计算准确性等不经过或无法在网络上反映的参数。这些信息还需物理师利用第三方工具手动检测。二是日志的准确性高度依赖于加速器各参数的准确校准，若校准存在问题，日志信息将不准确，此方法也不再可靠。但已有相关研究[13-15]表明日志准确性足以用于加速器放射治疗质控，且日志能够展示出加速器自身执行放疗计划的状态，为临床放疗剂量投照质控工作提供有力支撑。

利用TrueBeam轨迹日志进行放射治疗剂量投照质量控制是一种端对端的数据传输与检测方法，它能够高效、准确地给出结果，省时省力。将此方法与传统方法相结合，能为临床质控工作提供更多信息及更可靠的结果。