Machine Performance Check束流均匀性改变对Portal Dosimetry计划剂量验证的影响

姚凯宁，王若曦，吴昊，弓健，刘卓伦，张健，冯仲苏，杜乙

北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所放疗科/恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室，北京100142

前言

随着调强技术以及多叶光栅（Multileaf Collimator,MLC）等先进技术和设备的应用，放射治疗的精准性不断提高，但同时治疗计划的复杂性也随之增加，因此治疗计划的剂量验证尤为重要［1-2］。已有文献证明电离室、胶片、电离室/半导体矩阵等工具可用于计划剂量验证［3-6］，但是存在测量效率低，受患者数量限制的问题，而Portal Dosimetry（PD）剂量验证方式由于其准确性高、操作方便等特点，目前在临床中的应用较为广泛［7-9］。PD 计划剂量验证依赖于加速器机载电子影像系统（Electronic Portal Imaging Device,EPID）。

同样以EPID作为探测器监测加速器性能的还有MPC（Machine Performance Check）系统［10-11］。MPC是瓦里安TrueBeam 系列加速器内置的参数检测程序，可利用EPID 质控加速器的剂量输出一致性（Beam Output Change）和束流均匀性（Beam Uniformity Change）［12］。束流均匀性可以提示探测器、滤波系统（Filter System）和束流偏转的改变。统计本中心的MPC 数据发现，加速器出现了MPC 束流均匀性偏差异常增大的现象，分析原因大致有两种：一是束流改变（包括绝对剂量、束流对称性和测量深度改变）；二是设备老化（即EPID 探测器间一致性变差）。我们通过利用三维水箱测量加速器束流，排除了束流改变的可能，说明引起MPC 束流均匀性变化的原因是设备老化。

由上述可知：PD 计划验证和MPC 均以EPID 作为探测器，并且MPC 束流均匀性改变提示探测器间的一致性变差。本研究以PD 验证计划的结果为指标，探究MPC 束流均匀性变化对PD 计划验证的影响，为临床MPC均匀性的阈值设定和EPID 的校准频率提供参考，充分发挥MPC 的监测作用，保证PD 计划剂量验证的准确性。本研究还将列出本中心EDGE 加速器一年间MPC 束流均匀性的结果作为参考。

1 材料与方法

1.1 设备选择

MPC 是瓦里安TrueBeam 系列加速器独有的，本研究选择EDGE 加速器作为数据采集的机器，该加速器配置的EPID 型号为aSi1200，影像板尺寸为43 cm×43 cm，像素数量为1 280×1 280，分辨率可达到0.34 mm，允许最大剂量率为2 400 MU/min，因此支持非均整（Flattening Filter Free, FFF）束流的测量和计划验证［13］。MPC 束流均匀性的计算公式如下［14］：

其中，x和y代表加速器的铅门位置，X和Y代表铅门大小（为了减少钨门位置的影响，MPC 仅测量射野13.3 cm×13.3 cm 的区域）。束流均匀性代表射野中间80%区域内输出剂量的最大差值，是与基线对比的相对值，根据国际标准阈值设置为2%［15］。

1.2 EPID校准

EPID 的校准包含暗野（Dark Field）校准、泛野（Flood Field）校准以及绝对剂量校准［16］。校准时首先进行暗野校准，旨在消除暗电流对探测器电路的影响，对于所有能量，暗野校准是统一的。泛野校准在暗野校准后进行，利用暗野校准的结果，多次出束采集探测器的结果同时得到一条校准曲线，根据坏点个数决定是否接受该曲线，目的是调整探测器的响应一致，不同能量需要分开校准。绝对剂量校准在前两个校准的基础上进行，主要是将EPID 的剂量（Calibration Unit, CU）与加速器的剂量（Monitor Unit,MU）对应起来，TrueBeam加速器是1 CU=100 MU的对应关系，不同能量需要分开校准。校准后EPID采集图像的计算公式如下［17］：

其中，I(a,b)为EPID 采集的二维图像，Iraw(a,b)为EPID 采集的原始图像，DF(a,b) 为暗野图像，FF(a,b)为泛野图像，FFmean为泛野图像的平均值。

1.3 病例选择

随机选取2020年12月～2021年2月期间在瓦里安EDGE加速器上首次治疗的患者26例以及10 cm×10 cm的方野计划1例（能量分别为6 MV、10 MV、6 FFF MV、10 FFF MV），所有计划均在瓦里安Eclipse15.6 版本上完成，治疗部位包括头部、颈部、胸部和盆部等，计划类型均为调强计划（容积旋转调强或固定野调强），射野个数为2～4 个。计划设计完成并经医生确认后，物理师制定PD验证计划。

1.4 试验方法

每个临床计划治疗前需完成计划剂量验证，即在无患者的情况下，在EDGE 加速器上执行验证计划，同时通过EPID 进行全程的剂量测量［18-19］，并在计划系统的Portal Dosimetry 模块中分析实测图像与预测图像的γ 通过率［20］，γ 分析标准为3 mm/3%和2 mm/2%，剂量阈值为10%。在MPC 均匀性已经超出阈值的情况下，本研究中所有患者均执行两次验证计划，第一次是在EPID 校准之前，第二次是在EPID 校准之后，对比两次测量的图像剂量以及γ 通过率。通过分析EPID 校准前后图像和γ 分析的差异，探究MPC 的束流均匀性改变对PD 计划验证的影响。

1.5 数据处理及统计学方法

采用SPSS 25.0进行统计学分析，数据不符合正态分布，采用相关样本非参数检验，P<0.05表示差异具有统计学意义。数据图表采用SigmaPlot 10.0 软件完成。

2 结果

2.1 本中心MPC束流均匀性结果

2020年1月～12月EDGE 加速器MPC 均匀性结果如图1所示，可以看出束流均匀性有系统性升高现象。但自2020年5月以来，升高趋势明显并且速度加快（升高周期约为6～8周），当超过设定阈值2%时，物理师便在束流无误的情况下重新设定MPC基线以保证MPC 可以正常工作。另外从图1 中还可以看出，FFF 束流均匀性的变化较常规束流大，这可能与FFF束剂量随射束角度转向的变化较大有关［12］。

图1 2020年1月～12月MPC束流均匀性的变化Figure 1 Changes in MPC beam uniformity from January to December in 2020

2.2 EPID校准前后图像剂量对比

2.2.1 方野计划的结果 4 个方野计划能量分别为6 MV、6 FFF MV、10 MV 和10 FFF MV，EPID 图像校准前后的剂量见图2（每个能量分别包含inplane和crossplan 两个方向，比较的均为图像中心的Profile），可以看出校准后EPID 测量的剂量在影像板中心附近高于校准前。定量分析校准前后的剂量差异（图3），发现各能量在影像板中心附近的剂量差异均为1%～2%，说明EPID 校准对其剂量测量有一定的影响。

图2 EPID校准前后方野计划的结果Figure 2 Comparison of square field plans before and after EPID calibration

图3 EPID校准前后方野计划剂量差异Figure 3 Dose differences of square field plans before and after EPID calibration

2.2.2 临床计划的结果 26例临床病例的分析结果和方野较为一致，此处仅展示1 个病例的结果（图4）。该病例所选用能量为6 FFF MV，3 个射野在影像板中心处的测量结果均匀性：EPID 校准后影像板中线附近的测量剂量高于校准前。定量分析结果如图5所示，射野1 和2 的剂量差异大于10%，射野3 的剂量差异稍小但也有5%。上述结果表明EPID 校准对治疗前计划剂量验证的结果影响较大。

图4 EPID校准前后单个临床计划结果Figure 4 Comparison of one clinical plan before and after EPID calibration

图5 EPID校准前后单个临床计划剂量差异Figure 5 Dose difference of one clinical plan before and after EPID calibration

2.3 临床计划的γ通过率

按每个临床病例的射野数，分别统计26 例患者的射野1～4，结果如表1 所示，在3 mm/3%标准下，除射野4外，其余3个射野EPID校准后的γ通过率略大于校准前，且差异有统计学意义（P<0.05）。在2 mm/2%标准下，射野1、2、3校准前后差异继续增大（P<0.05），射野4 无差异。图6 为EPID 校准前后γ 通过率分布图，以上结果表明EPID 的校准对验证计划γ 通过率有影响，校准后的通过率有所提高。

图6 EPID校准前后临床病例的γ通过率分布情况Figure 6 Gamma passing rates in clinical cases before and after EPID calibration

表1 EPID校准前后临床验证计划γ通过率（± s,%）Table 1 Gamma passing rates of clinical verification plans before and after EPID calibration(Mean±SD,%)

表1 EPID校准前后临床验证计划γ通过率（± s,%）Table 1 Gamma passing rates of clinical verification plans before and after EPID calibration(Mean±SD,%)

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3 讨论

MPC 作为一种多参数质控软件，能够进行加速器参数的监测以及性能的反映［21-22］。本中心EDGE加速器的MPC结果显示束流均匀性偏差出现异常升高，与系统性偏差（一般在0.5%以内）不同的是［12，23］，EDGE 加速器的均匀性偏差幅度更大（>3%），并且超出阈值的速度加快。经三维水箱精确测量后证明加速器束流不存在问题，即探测器是造成该现象的原因，主要问题可能是EDGE加速器自装机以来大分割治疗的患者居多，具有射野面积小，照射剂量大等特点，并且每位患者均利用EPID 做治疗前的计划验证［24-25］，因此导致设备老化，EPID 影像板中心处的探测器出现过响应现象。由于诸多因素的限制，EPID探测器更换较困难，因此需要根据均匀性的改变来采集MPC基线，以保证该软件能够继续监测加速器。

本研究还探究了MPC均匀性超阈值警告对PD计划剂量验证的意义。统计EPID校准前后计划验证的图像剂量和γ通过率，结果表明对于方野计划，EPID校准前后不同能量的剂量差异为1%～2%；对于临床射野计划，由于MLC的应用以及计划难度的增大，计划的复杂性提高，使校准前后的剂量差异最大可以达到10%。值得注意的是，为了排除影像板边缘的影响，剂量差异只在影像板中心附近统计。从射野的角度看，不同评判标准下EPID校准后的γ通过率大于校准前，除射野4外，其他射野差异有统计学意义（P<0.05）。上述结果表明EPID探测器间一致性的变化对PD计划剂量验证结果的影响较大，提示MPC均匀性阈值为2%是合理的，能够对PD计划剂量验证起到预警和保护作用，这也与已有文献对均匀性阈值的定义一致［14-15］，同时提示EPID应在MPC重新采集基线之前校准。

4 结论

笔者发现本中心EPID 出现设备老化现象，统计分析MPC 结果发现束流均匀性超出阈值的幅度大、速度快，且在FFF 束流中尤为明显，经验证是由于EPID 探测器间的一致性变差引起的。我们利用PD验证计划的图像剂量和γ 通过率探究MPC 均匀性变化对PD 计划验证的影响，结果表明EPID 探测器的一致性改变对PD 计划剂量验证有一定影响，提示临床MPC均匀性阈值为2%时能够对PD计划剂量验证起到预警作用，EPID 应在MPC 重新采集基线之前校准，从而保证验证计划的质量，保证患者放疗的安全性。