利用胶片剂量拟合测量呼吸门控时间延迟

陈黎，李光俊，白龙，全红，柏森

1.四川大学华西医院放射物理技术中心，四川成都610041；2.武汉大学物理科学与技术学院，湖北武汉430072

前言

在放疗中，呼吸运动导致的胸腹部肿瘤运动会在治疗过程中产生明显的几何和剂量学不确定性［1］。呼吸门控技术是呼吸运动管理的有效方式，但是存在潜在的误差，其中重要的误差来源就是系统时间延迟［2-4］。呼吸门控的时间延迟会降低治疗效率甚至使靶区剂量偏移，增加危及器官的剂量。目前测量呼吸门控时间延迟的方法多依赖于移动的模体和胶片的使用［5-6］，将胶片显色部分的实际长度与没有门控延迟时的理论长度比较，计算相应的时间延迟,这种方法依赖于对胶片变色部分边缘的识别。为了增强胶片显色部分边缘的对比度，需要在多个呼吸周期内进行门控治疗，但是在每个呼吸周期内门控信号进入或离开门控窗时，系统的延迟时间可能都不相同，会造成胶片显色部分边缘模糊，除此之外，模体移动胶片的速度、光束半影等也会导致边缘模糊，存在一定的测量误差。因此,本研究提出一种基于胶片剂量分析的方法，不依赖于对胶片显色部分边缘的识别，可以更准确地测量门控时间延迟。

1 材料与方法

1.1 仪器和设备

本研究所用的仪器和设备是Catalyst 系统与呼吸运动模体。Catalyst系统是一种基于光学表面技术的体外监测系统（图1a），基于可见光对体表进行3D连续成像，从而在放疗期间进行实时运动监测［7］，通过连锁装置控制盒（Beam Interlock）与加速器连接用于呼吸门控或实时追踪放疗。系统在x、y、z 方向的最大扫描范围分别为800、1 300、700 mm，呼吸信号的采集频率优于15 Hz，研究表明体表监测系统对患者的呼吸运动有较高的实时运动监测精度［8-9］。QUASAR 呼吸运动模体［10］可以通过电脑来控制位移平台在头脚方向运动，进而带动胸壁平台在前后方向模拟胸部呼吸运动（图1b）。通过Catalyst 系统对胸壁平台进行实时运动监测可以实现基于振幅的呼吸门控治疗，门控窗的范围需要手动设置。在Catalyst 系统窗口中选择合适的扫描范围，调整摄像机扫描参数获得符合临床要求的图像，呼吸运动监测点的半径为10 mm（图1c），当监测点进入门控窗时，触发信号会自动发送到加速器使其开始出束。

图1 仪器和设备Fig.1 Instruments and equipments

1.2 门控延迟时间的测试

将EBT3（International Specialty Products,Wayne,NJ,USA）胶片固定在模体的移动平台上并置于加速器等中心处，胶片前后各加一块2 cm 厚的等效水材料用于剂量建成和提供背向散射。在Varian Edge 加速器上设置大小为2 cm×2 cm 的射野，6 MV 能量500 MU，剂量率为600 MU/min，控制模体的移动平台带动胶片做周期为6 s 的匀加速运动，且运动过程中始终保持射野在胶片上，同时通过Catalyst 系统监测胸壁平台的运动作为门控信号。胶片的运动与移动平台的运动一致，其运动公式为：

其中，a、b是系数，T是运动周期。根据Catalyst 系统监测的呼吸运动曲线，拟合的运动公式为：

其中，Min 和Max 分别是Catalyst 系统监测的呼吸运动曲线的最大值和最小值。实验中以运动幅度的60%设置门控窗，设置门控窗口的范围为55.4～60.0 mm，呼吸信号则在吸气阶段第1.1 s进入门控窗。

图2为加速器门控延迟的示意图，由于时间延迟的存在，当呼吸信号进入（离开）门控窗时，加速器开始（停止）出束的时间有所延迟。其中，ton和toff分别代表在一个呼吸周期内门控治疗实际开始出束与停止出束的时间。实验中通过模体带动胶片穿过方形射野，由于胶片的运动使得在胶片上形成一个2 cm 宽，长度大于2 cm 的黑色区域，比较胶片的实际剂量曲线与拟合剂量曲线，从而计算出呼吸门控的时间延迟。为减少实验误差，重复测量10次。

图2 呼吸门控时间延迟Fig.2 Time delay in respiratory gating

1.3 剂量叠加法

胶片照射完成后在黑暗条件下保存24 h，然后按照标记射野方向使用胶片扫描仪（Epson 110000 XL）以150dpi 的分辨率扫描并保存图片。利用FilmQAPro 软件（ISP Advanced Materials, New Jersey, USA）对自显影EBT3 胶片进行剂量曲线校准［11-13］，建立灰度-剂量刻度曲线。将扫描得到的图片导入软件中并转化为剂量图，以20 个像素的宽度沿胶片运动的方向从剂量图中提取剂量曲线，并以表格的形式导入Matlab软件。

利用Matlab 软件实现胶片剂量叠加，其基本原理是采用数学方法模拟加速器的脉冲出束过程，建立以加速器开始出束时间ton与停止出束时间toff为变量的函数，对于指定的ton和toff可以形成特定的理论剂量分布曲线。通过将不同的ton与toff组合，计算胶片相应的理论剂量曲线并与实际剂量曲线比较，计算相应的门控延迟时间。

图3展示了剂量拟合的具体方法。首先，通过非呼吸门控治疗下胶片静止状态的剂量曲线f1(x)、门控治疗中呼吸循环次数k以及加速器的脉冲时间间隔Δt得到加速器一次脉冲出束时形成的脉冲剂量曲线f2(x)，其中：

图3 胶片剂量拟合原理Fig.3 Film dose fitting principle

然后，根据胶片运动的位移公式（1）以及相应的脉冲时间间隔Δt计算出每次脉冲出束时胶片的位置：

其中，［(toff-ton)/Δt］表示不大于(toff-ton)/Δt的整数。

最后，通过将加速器每次脉冲出束形成的剂量曲线平移相应的距离得到剂量曲线在胶片上的位置分布，将相同位置处的剂量进行累加，见式（5），得到在一个呼吸周期内形成的累积剂量曲线。

由于胶片做周期运动，在各呼吸周期内，剂量在胶片上的分布相同，将所有呼吸周期形成的剂量曲线叠加可以得到总的剂量曲线。

以加速器的实际开始出束时间（ton）和停止出束时间（toff）为变量，以1.1 s 到4.9 s 构成ton的变量范围，以4.9 s 到6.0 s 构成toff的变量范围，以10 ms 为时间间隔构建一系列ton和toff，将不同的ton与toff逐一组合计算理论剂量曲线，并计算各像素点剂量与实际剂量曲线中各像素点剂量的累积剂量误差，使用最小二乘法寻找与实际剂量分布最接近的理论剂量曲线。通过将呼吸信号进入和离开门控窗的时间与计算得到的最优解相结合，可以得到相应的门控时间延迟。

2 结果

2.1 门控时间延迟测量

表1列出了10 次测量得到的呼吸门控延迟时间，结果表明门控治疗开始时的延迟时间远大于门控治疗停止时的延迟时间，其中门控治疗开始时的延迟时间约为（252±20）ms，门控治疗停止时的延迟时间约为（10±7）ms。

表1 呼吸门控延迟时间测量结果（ms）Tab.1 Measurement results of delay time in respiratory gating(ms)

图4列出10 次测量中拟合的剂量曲线和胶片实际的剂量曲线，从图中可以看出拟合得到的剂量曲线与胶片的实际剂量曲线有较高的一致性，半高宽处拟合误差不超过5个像素，拟合精度较高。

图4 10次测量中拟合的剂量曲线与实际的剂量曲线Fig.4 Fitted dose profiles in 10 measurements and the actual dose profiles

2.2 拟合误差分析

图5展示了拟合剂量曲线和胶片实际剂量曲线的误差分析结果，分别展示了各像素点对应的剂量误差（图5a）和每次测量中拟合剂量误差的误差棒（图5b）。通过将每次测量得到的实际剂量曲线与拟合的剂量曲线进行比较，结果表明拟合误差约为（8.4±6.4）cGy。

图5 拟合剂量曲线与实际剂量曲线的拟合误差Fig.5 Fitting errors of the fitted dose profiles compared with the actual dose profiles

3 讨论

研究表明部分肿瘤接受的剂量降低7%～15%时将显著降低肿瘤的局部控制率［14］。放疗中当靶区在分次内的运动超过5 mm 时需要进行呼吸管理，目前常用的呼吸运动管理方式主要包括呼吸门控技术、屏气技术［15］、强制浅呼吸法、呼吸同步技术［16］。采用呼吸门控技术可以减少靶区的外扩边界，从而降低正常组织接受的剂量，降低并发症的风险。根据AAPM 报告，当肿瘤运动的速度为2 cm/s 时，延迟时间应小于100 ms［17］。采用呼吸门控技术时，呼吸信号进入门控窗口与呼吸信号离开门控窗口时，系统的时间延迟对放疗的影响不同。呼吸信号进入门控窗时系统的时间延迟会降低治疗效率，呼吸信号离开门控窗时系统的时间延迟会导致部分正常组织接受过高的剂量或部分靶区漏照，因此在临床使用前应测试呼吸门控治疗的延迟时间［6］。

Smith 等［18］测试了RPM 系统引导Varian 加速器进行基于振幅和相位的呼吸门控治疗时的时间延迟，结果表明呼吸信号进入门控窗，加速器开始出束时的时间延迟约为（120±30）ms，呼吸信号离开门控窗门，加速器停止出束时的时间延迟约为（110±20）ms。RPM 为红外系统，需要在患者身上放置反射块，而本研究中采用的Catalyst 为光学表面系统，不需要反射块，可以更好地获得患者的体表图像。Freislederer等［5］使用Catalyst系统引导医科达加速器进行呼吸门控延迟时间的测试，门控治疗开始时的延迟时间约为（851±100）ms，门控治疗停止时的时间延迟约为（215±69）ms，与实验结果存在一定的差异。很多因素会导致系统的时间延迟，包括数据的采集、处理，设备之间通讯的延迟以及硬件对门控信号的响应时间［6］。呼吸门控的时间延迟不仅受加速器参数的影响［19］，而且受门控设备的影响，即使对于相同类型的加速器，使用不同的门控系统得到的门控延迟时间也不同。因此，对于任何一种新的门控设备，都应当测试其引导加速器进行呼吸门控治疗时的时间延迟，为临床使用提供参考。

胶片单曝光测量法已被广泛应用于门控延迟时间的测量，目前常用的分析方法依赖于对胶片变色部分边缘的识别，会影响测量精度。Chugh 等［6］使用刻度尺测量胶片显色部分条纹的长度，不确定度为±0.5mm，相应的延迟时间的测量误差为16～135 ms。Zheng等［20］根据强度分析来确定曝光范围的长度，测量的精确度取决于确定曝光带两端的局部最大强度的准确度，通过使用4 mm 的圆锥，强度差异的5%约对应于不确定度的0.1 mm，对延迟时间造成的误差约为10～30 ms。本研究中采用的剂量叠加法不依赖于对胶片变色部分边缘的识别，通过对胶片剂量曲线的拟合，延迟时间的精度为1～10 ms，有较高的时间分辨率，可以精确地测量门控延迟时间。

胶片剂量拟合法是基于加速器状态稳定，在每个呼吸周期内的延迟时间相同且每次脉冲出束的剂量分布完全相同的前提来拟合剂量曲线。但是在实际的门控治疗中，虽然加速器设定的剂量率较小，剂量率从零增加至稳定剂量率所需的时间较短［21］，但是仍会造成拟合剂量曲线与实际剂量曲线之间的剂量偏差。除此以外，各个呼吸周期内系统延迟时间并不完全相同，也会导致拟合剂量曲线与实际剂量曲线之间的剂量偏差。其次，已有研究表明，不同的呼吸曲线引导加速器进行呼吸门控时的延迟时间可能不同［6］，研究中仅采用规律的呼吸曲线作为门控信号来测试加速器的时间延迟有一定的局限性。但是，胶片剂量拟合法同样可用于测试不规则的呼吸曲线引导加速器进行呼吸门控治疗时的时间延迟，具有一定的应用价值。

4 结论

剂量叠加法具有较高的测量精度，可以用来精确测定呼吸门控治疗中的时间延迟，结果表明加速器开始出束时的门控延迟时间明显大于100 ms，将显著增加患者的治疗时间。停止出束时的延迟时间远小于100 ms，符合AAPM 报告的标准，不会造成靶区剂量不足而正常组织接受较高的剂量。