Octavius验证系统用于旋转调强三维剂量验证的研究

马晓春 蔡宏懿 李冬云 郭逸潇

甘肃省人民医院，甘肃 兰州 730000

容积旋转调强放疗（VMAT）和快速旋转调强放疗（RapidArc）技术通过变动剂量率、多叶光栅（MLC）叶片的运动、机架速度甚至极小狭长野来优化束流强度以更高效满足临床靶区及危及器官的要求，同时有效缩短了整个治疗时间［1，2］。此技术的实现要求更复杂的治疗计划系统（TPS）算法，其计划的准确实施要求机架旋转与剂量率和MLC位置的变化精确同步。因此，为确保治疗中处方剂量传输的精确保证治疗安全，在计划用于病人治疗前需进行3D剂量验证［3，4］。目前常用的三维验证系统，如Delta4、Arc Check和COMPASS利用Plan dose perturbation（PDP）法得到修正的3D剂量分布［5-7］，通过用测量值校准计算值来得到模体内的3D剂量分布，而Octavius验证系统用于三维剂量重建无需TPS的数据且消除了角度依赖。本研究采用此系统对我院88例RapidArc计划进行验证，通过在不同标准下对测量与计算剂量分布进行比较探讨影响3D剂量重建精度和通过率的因素，为RapidArc患者的精准治疗提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 病例选择 根据AAPM 119号报告对IMRT测试基准计划的选取建议［8］，本研究选取88例不同部位RapidArc计划，其中24例头颈部均为鼻咽癌患者，34例胸部均为肺和食管单靶区，30例盆腔均为多靶区宫颈癌和直肠癌计划。所选患者KPS≥70分或ECOG评分为0～1，拟放疗部位既往未接受过放疗。

1.2 加速器和计划系统 Varian EDGE直线加速器，由60对多叶光栅叶片组成，中心40对叶片宽度为2.5mm，两端各10对叶片宽度为0.5cm和1cm，叶片最大运动速度为2.5cm/s，6MVX射线，剂量率600MU/min，所有计划包括两个或多个非零准直器角度的圆弧或段弧，同时采用铅门自动跟随技术以更好地减少叶片间的漏射。Eclipse13.6计划系统，计算网格0.25cm，使用Photon Optimizer优化算法（PO-13.6.23），最终剂量计算使用各向异性解析算法（anisotropicanalyticalgorithm，AAA）。

1.3 Octavius验证系统 Octavius验证系统的基本组成包括：新升级的Octavius 729矩阵、旋转模体、倾角仪、控制单元和Verisoft 7.1剂量分析软件，729矩阵由729个空气电离室组成（尺寸：0.5cm×0.5cm×0.5cm），所有电离室等间距排成27cm×27cm矩阵，相邻两个电离室中心间距为1cm，模体直径320mm，长343mm，SSD=84cm，相对电子密度1.016，HU值16，物理密度1.05g/cm3（实际上各个放疗中心旋转模体的电子密度是不同的，当把CT值设为16HU时，相应的电子密度值和物理密度值存在微小的偏差，我院使用的旋转模体相对电子密度是1.0187，物理密度1.0227g/cm3），分辨率为0.1m Gy，角度范围±360°，使用绝对剂量测量模式。探测器矩阵通过倾角仪随加速器机架的旋转而旋转，并始终保持与射线束垂直来进行测量，如图1所示，为得到最精确的剂量数据和剂量与机架角度数值之间最佳的相关性，测量过程中Verisoft软件每隔200ms会进行测量数据整合。对于一个两分钟的RapidArc计划，Octavius直接测量超过400 000个剂量点，这些点分布在整个圆柱形模体内。

图1 729矩阵插入圆柱形模体随机架同步旋转

1.4 Octavius系统3D剂量重建方法 Octavius算法基于模体内某个特定深度的测量剂量和PDD曲线，沿着连接探测器和射束中心的射线重建剂量。SSD=85cm处 4cm×4cm，10cm×10cm 和 26cm×26cm 大小射野的PDD是必要的，其他射野的PDD用于提升重建算法的精度。无需使用TPS的剂量信息，3D剂量重建算法如下［10］：利用水与模体材料电子密度之间的关系，将水中测量的PDD转换为模体内的PDD。在当前的机架角度（时间）考虑探测器面板上的一个探测器（当前探测器），测量这个位置的剂量DDet（以Gy为单位）。通过当前探测器创建一条到射束中心的射线并确定来自辐射探测器的当前射野大小。依据文献在FF射束模式［11］或FFF射束模式下［12］对非中心轴TPRs应用校正。在模体内，使用适合当前射野大小的PDD，根据方程（1）重建沿着射线到当前探测器r距离处以Gy为单位的剂量值D（r），并对所有机架角度和探测器依照此方法重建剂量值，然后通过线性插值将得到的剂量值整合成2.5mm分辨率大小的3D剂量值。对于Octavius 729探测板，从模体的外壳移除3cm厚的一层得到直径和长度均为26cm的圆柱体内的剂量栅格（此区域不存在探测器）。

沿着射线的剂量D（r）由测量的当前探测器剂量DDet（0）得到，关系如下：

这里PDD（r）和PDD（0）分别是距离当前探测器r和当前探测器位置处的百分深度剂量值，散射辐射由当前探测器周围的探测器造成，对于RapidArc计划，将近110万个剂量点通过这种方式重建，重建约需25秒。

1.5 电离室矩阵的校准 与标准剂量比较的剂量校准测量应在每次测量前进行，以便将探测器响应和加速器输出的变化因素并入剂量测量中。729电离室矩阵有两种校准方式［13］：一是依据出厂时提供的校准因子Kuser和国际原子能组织（IAEA）第398号报告中的方法进行中心电离室的相互校准来测量插入了电离室面板的模体内的剂量；二是通过使用由TPS提供的期望值和因子Kcross（TPS计算值与矩阵面板中心电离室测量值的比值）对中心电离室进行交叉校准（cross calibration）。由上述两种方法之一得到的校准因子将被应用到整个探测器矩阵，本研究选择交叉校准方式对剂量进行修正。

1.6 验证与评估方法 连接好Octavius系统并进行600 MU以上的预热照射［9］，调取验证计划以QA模式进行测量数据的采集。利用VeriSoft 7.1对计算与实际测量的剂量分别在最大剂量点归一（Max dose）和参考矩阵对应点处剂量归一（Local dose）两种方式下以3%/3mm、3%/2mm和2%/2mm的标准进行3D体积通量验证的γ评估，阈值10%。通过应用更严格的3Dγ评价标准，使用球体的DTA（距离偏差标准）来计算3Dγ指数，算法评估位于DTA半径内所有相邻平面的点，计算整个体积中每个体元的γ值。因此本研究选择横断面（transverse，T）、冠状面（coronal，C）和矢状面（sagittal，S）进行评价，来检测临床相关错误或误差，验证不同空间方位的剂量响应是否存在差异。

1.7 统计学方法 使用SPSS 19.5软件进行数据分析，采用均数±标准差表示，并对三个层面和三个部位所有数据行组内正态性检验（Kolmogorov-Smirnov检验）和组间方差齐性检验，符合者采用单因素方差分析（one-wayANOVA，F检验），反之采用Kruskal-Wallis秩和检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 三个层面3Dγ指数分析结果 三个层面的通过率结果显示出横断面具有最好的剂量一致性。Local和Max dose两种方式下横断面3%3mm的通过率都在95%以上，冠状面与横断面的通过率平均差异≤10.63%，冠状面与矢状面的差异≤1.28%。见表1。

2.2 三个部位模体内3Dγ指数分析结果 相同的γ标准下胸部计划平均通过率最高，Max.dose方式下对于3%/3mm、3%/2mm和2%/2mm的标准分别为97.3%、94.7%和 90.2%，头颈 95.3%、91.2%和81.6%，盆腔95.1% 、90.8% 和 78.8%（F=8.878，3.461，0.393，P=0.000，0.039，0.677）。见表 2。

表1 88个计划在三个层面的通过率

表2 88个计划模体内的3Dγ通过率

2.3 通过率箱型图 Max.dose方式下满足3%/3mm标准的88个计划整个模体内平均3D γ通过率在95%以上，23例患者的γ通过率范围在90%～95%，3例患者的通过率低于90%。见图2。

2.4 通过率和评估点数 一胸部计划在Max方式下3%/3mm标准的横断面和模体内3Dγ计算结果，可以看出整个模体内通过率低于横断面，评估点数是横断面评估点数约28倍。见图3。

2.5 TPS计算和测量的一肺癌患者三个层面的γ评估结果 图3显示出冠状面和矢状面未通过3Dγ标准的点数明显要多于横断面，验证失败的点主要出现在计划靶区边缘高剂量梯度区域和低剂量区。

图2 88个病人整个模体内Max.dose方式下3%/3mm的3D γ通过率

图3 一胸部计划横断面和模体内Max.dose方式下3%/3mm标准的3Dγ分析结果

3 讨论

Octavius旋转单元的圆柱形设计配套729探测器阵列，消除了角度效应，很适合用于旋转治疗剂量分布的测量。尽管探测器中心间距1cm，但重建算法能够满足将测量剂量重建成2.5mm分辨率的整个模体内3D剂量，并计算了模体内每个剂量单元的体积3Dγ指数，将γ指数研究的范围扩展到与被评估平面临近的剂量平面。此外，此系统可进行单个弧的测量并逐个控制点去比较分析体积剂量［14］。Conor K 等［9］的研究表明，虽然1cm电离室间距的测量剂量与TPS 2.5mm网格计划剂量相吻合，但电离室之间的线性插值将导致更多的错误，与比729探头尺寸更优和空间分辨率更高的1000SRS液体二维矩阵和1500矩阵可得到更准确的剂量数据。

图4 一肺癌计划横断面、冠状面和矢状面的剂量分布在Max.dose方式下3%/3mm的γ评估结果

三个不同层面的3Dγ通过率结果显示出横断面具有最好的剂量一致性，可能的原因是横向视图最容易与患者的横向CT切片上的治疗计划等剂量有关。此外，一旦三维剂量重建网格按照Verisoft软件实践规范的要求设置（体素边长：x=2.5mm，y=10mm，z=2.5mm），测量和计算的剂量矩阵的平面坐标必须相对应，然而对于冠状和矢状面视图，精确像素位置的控制则更少。不同身体部位治疗计划的对比表明单一靶区的胸部计划测量值更接近计算值，导致更高的γ通过率。TG 218报告指出在弧形出束期间，通过率随MU与每部分剂量的比率的增加而降低，这表明高度调制的计划具有稍微较差的QA结果［15］，2%/2mm更严格的标准导致了更低的通过率。与Local方法相比，Max方法得到的γ指数更均匀通过率更高，这是因为它是考虑到最大剂量值计算容差水平的，限制条件较为宽松。TG 218报告建议采用Max方法对γ通过率进行评估，因为Max方法被认为更有临床意义。按照TG218Universal action limits的标准：3%/2mm，10%剂量阈值，γ通过率为≥90%，本研究的结果均达到了IMRT QA的要求且与文献报道的结果基本一致［16，17］。

对比88个病人Max.dose方式下满足3%/3mm标准的整个模体内3D γ通过率发现有26例患者的通过率低于95%，说明此系统用于快速旋转治疗计划剂量验证具有一定的错误计划检出率。对此分别验证了每个弧，发现11例患者单弧验证通过率都高于95%而合成弧低于95%，说明各个弧不通过体素γ指数误差放大，8例单弧通过率均低于合成弧说明出现误差抵消的情况，7例一个弧通过率高于合成弧，另一个弧通过率低于整体通过率。通过率低于90%的3例患者重新验证发现1例两个弧验证通过率都低于95%，另2例两个弧验证通过率不到90%，对这3个计划调整了射野参数重新计算了剂量。

3D剂量验证γ通过率的影响因素主要有以下几点：①测量过程中的误差，比如电离室的部分体积效应，MLC叶片位置误差（随机和系统）和叶片速度精度、机架旋转稳定性、治疗床运动稳定性和射野稳定性（平坦度、对称性、输出量、剂量率、低MU子野）等。Bin Yang等［16］发现Varian TrueBeam机架角度和运动速度均存在不同程度的偏离，每个控制点实际机架角度偏离在0.4°以内，剂量率偏离范围是-0.20%～0.38%，当机架以6°/秒的速度运动时，最大机架角度偏离将达到1.5°，机架位置的误差将导致测量剂量射线发生角位移。Mohammad等［17］对应用于动态RapidArc计划验证的Octavius模体和729电离室矩阵的灵敏性和分辨率进行测试发现1mm的MLC位置误差能引起1%的局部剂量误差。本研究每次数据采集前均进行机器性能检查（machine performance check，MPC），发现 MLC最大位置误差是0.5mm，由此得出本研究中MLC的位置误差对测量剂量的影响在1%以内。②TPS的误差，主要包括三个方面：一是射线的性能参数，其采集精度的可靠性强烈依赖于数据采集人员的水平高低；二是射束和MLC模型，非均质性校正的使用和建模；三是剂量计算所使用的算法精度，文献报道Eclipse计划系统AAA算法存在1%～3%的剂量计算误差，在有空腔（如肺组织）存在的情况下TPS计算误差甚至可达基础误差的3～5倍［18-20］。③测量系统的误差，根据厂家的数据倾角仪和旋转单元存在±1°的固有容差，Octavius系统依赖于倾角仪的精度来确定探测器总是垂直于射线束，这将造成机架和探测器矩阵不完全垂直的状态以及倾角仪传输机架角度微小的误差，文献报道模体与机架同步旋转产生最大0.4°的偏差，倾角仪传输机架角度存在0.7°的偏差［4，9］。而对于旋转单元随机架旋转的同步性，本研究实验数据采集过程中，连接好Octavius验证系统并启动模体上的角度自修正按钮完成方向性校准后，手动转动机架观察旋转单元随机架运动的机械容差，分别在模体上添加四条横向标记线，将机架转到45°、90°、135°、180°、315°、270°、225°再转回0°反复观察发现机架和模体的旋转存在0°～±1°的偏差，其中最大偏差出现在90°和270°。④是计划复杂程度的不同导致计划系统计算误差不同，器官结构和限制条件较多、剂量分布更复杂、剂量梯度变化更大的鼻咽癌患者和盆腔计划通过率相对较低。这是因为所选胸部计划均为单一靶区，靶区内不存在剂量梯度，子野优化较简单，而头颈和盆腔等复杂肿瘤由于各靶区处方剂量大小不一存在一定剂量梯度，子野优化相对复杂，剂量计算误差相对增加。另一方面，陡峭的剂量梯度影响通过γ标准的点数。对于更严格的2%/2mm标准，单一靶区的平均通过率远高于多靶区计划，由此推断复杂靶区和陡峭的剂量梯度对3D剂量重建精度有影响，重建过程中会引入更多的错误从而导致更低的通过率。

综上所述，Octavius模体内3D剂量分布对治疗传输的精度提供了更全面的评估，RapidArc计划在被执行前应进行3Dγ通过率分析，计划验证的γ通过率受多种因素影响，并与肿瘤部位及计划复杂度相关。Octavius验证系统的旋转模体是均匀组织，而真实人体结构由一系列非均匀组织构成，TPS在非均匀组织中计算的误差远大于均匀组织。因此下一步工作通过将TPS中病人的CT导入VeriSoft软件，进行计划和测量DVH图的对比，实现实际病人体内的3D剂量重建。