PD与Dolphin验证系统在乳腺癌调强放疗计划剂量验证中的应用

李 克 张战民 邱凌平 阙与清

随着放疗技术和设备的发展,乳腺癌放疗计划的难度和复杂性逐步提升,其计划执行过程的可靠性受机架旋转的稳定性、旋转速度、剂量率稳定性、多叶光栅叶片到位的精度等多因素影响[1-3]。为保证放疗计划能够可靠执行,治疗前的剂量验证显得尤为重要,在放疗过程中,对患者接受的实际剂量分布与TPS的计划剂量间的差异进行实时监测并及时修正,从而确保患者实际接受的剂量与计划系统计算的剂量一致[4-5]。近年来,三维剂量验证方法逐渐应用于临床,其中最新的三维剂量验证设备包括 Dolphin-COMPASS(IBA Dosimetry,德国)[6],Delta4 Discover (ScandiDos,瑞典)[7]和ArcCHECK-3DVH(Sun Nuclear Corporation,美国)[8]等。有较多研究已经证明了Dolphin-COMPASS 系统测量的准确性[9-10],国内也报道了一些 Dolphin-COMPASS 系统用于剂量验证的工作,但都集中在鼻咽癌和肺癌等部位的三维剂量验证[11-12],而乳腺癌的三维剂量验证研究较少。在患者治疗之前,结合放射治疗加速器的情况,为临床医生提供患者详细的二维和三维γ通过率及各个器官可能受照剂量值,通过配套软件分析实际照射下的计划靶区和危及器官的剂量体积直方图(Dose-volume Histogram,DVH)信息和γ值,验证直线加速器对放疗计划的执行能力,有助于放射治疗计划的安全执行,具有重要临床意义。然而,迄今为止,没有研究报告Dolphin穿透电离室矩阵和非晶硅射野影像系统PD对乳腺癌患者的计划进行剂量验证通过率的对比研究,因此,本研究基于现有的三维验证设备Dolphin-Compass验证系统和VitalBeam加速器自带的非晶硅射野影像系统PD,对乳腺癌调强放疗计划进行剂量验证的通过率进行对比研究,并对验证结果进行γ和DVH分析。现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取医院 2020年5月至2021年12月收治的12例左侧乳腺癌调强放疗的女性患者,所有患者都采用Klarity全碳纤维多功能体位固定板结合头颈肩部塑形垫进行固定,靶区与正常器官均由同一放疗医师勾画,使用两个半弧的VMAT治疗计划,患者的放射治疗次数为25～30次不等,靶区剂量50～60 Gy。

1.2 设备与软件

采用VitalBeam型直线加速器(美国Varian公司);治疗计划系统采用的是Eclipse 15.5(美国Varian公司)和Pinnacle 9.10(荷兰Philips公司);验证设备选用加速器自带的非晶硅射野影像系统PD和第三方剂量验证设备Dolphin穿透电离室矩阵加配套的Compass软件系统(德国IBA公司)。

1.3 剂量验证方法

PD验证。先在Eclipse 15.5治疗计划系统上创建PD验证计划,再将PD计划传输到加速器,使用加速器自带的非晶硅射野影像系统PD对验证计划进行剂量采集,对验证计划与实际测量的吸收剂量进行对比分析,得出整体的γ通过率。

Dolphin验证。先将包含CT数据、结构、计划和剂量的Dicom数据包从TPS中导出到Compass验证系统,使用Compass软件系统自带的CCC(collapsed cone convolution)算法进行独立计算,进行TPS计划的核查;然后将穿透电离室矩阵Dolphin插入直线加速器治疗头并执行放射治疗计划,将实测数据回传到Compass系统进行剂量重建计算,得到验证计划在CT图像上的三维剂量分布,将中心点所在冠状层面导出后,可获得Compass系统的二维验证计划文件,最后对文件分别进行γ和DVH分析。

评价标准。差异指标包括γ通过率、靶区和危及器官相关剂量参数。二维剂量验证:采用γ分析方法,分析的标准为阈值水平(TH)取10%时,剂量偏差在2%、3%以内,位置偏差2 mm、3 mm以内的通过率(γ≤1时,该计算点通过;γ>1时,该点不通过)。三维剂量验证:靶区参考指标为D1、Dmean和D99,危及器官主要参考指标为D1和Dmean。Compass软件中的剂量差异值Diff(%)计算公式为:Diff(%)=|(Dcompass-DTPS)/DTPS|×100%。

1.4 统计学处理

应用SPSS 24.0统计软件对数据进行分析,两组间差异选择t检验,3组及以上差异选择方差分析,计数资料进行χ2检验,P<0.05认为差异有统计学意义。

2 结果

基于PD实测的剂量图与TPS计算剂量图的对比见图 1;基于Compass计算的剂量图与TPS计算剂量图的对比见图2;基于Dolphin实测的剂量图与TPS计算剂量图的对比见图3。

图2 Compass计算的剂量图与TPS计算剂量图的对比

2.1 二维γ通过率的比较

12例乳腺癌患者计划剂量验证γ通过率的比较结果如表1所示。采用PD和Dolphin设备在TH=10%标准下,剂量偏差3%、位置偏差3 mm的γ平均通过率均在95%以上,符合临床要求,其中PD的γ平均通过率为(99.77±0.25)%,Compass计算的γ平均通过率为(98.02±0.69),Dolphin实测重建的γ平均通过率为(95.08±1.03)%。采用PD和Dolphin设备在TH=10%标准下,剂量偏差2%、位置偏差2 mm的γ平均通过率在90%以上,也能够满足临床要求,其中PD的γ平均通过率为(98.91±0.45)%,Compass计算的γ平均通过率为(94.38±0.75),Dolphin实测重建的γ平均通过率为(91.45±1.57)%。PD验证结果明显高于Compass计算和Dolphin实测的验证结果,通过χ2检验对三者的γ通过率进行分析,差异有统计学意义(P<0.05)。

表1 基于PD和Dolphin验证系统获得的12例左侧乳腺癌患者计划的γ通过率/%

图1 PD实测的剂量图与TPS计算剂量图的对比

2.2 三维DVH的比较

基于Dolphin-Compass验证系统获得的12例左侧乳腺癌患者计划靶区(PTV)的D1、Dmean和D99的相对偏差和危及器官的D1和Dmean的相对偏差如表2所示。CCD为COMPASS独立计算与TPS计算结果的差异;CRD为COMPASS 从Dolphin探测器测量中重建结果与TPS计算结果的差异; D1为1%结构体积所接受剂量的百分比差异;Dmean为结构平均值(%)所接受剂量的百分比差异;D99为99% 结构体积所接受剂量的百分比差异。PTV对应的D1、Dmean和D99采用Compass计算和Dolphin测量重建均存在差异性,差异值范围在5%以内,两组对比均存在统计学差异(P<0.05)。对于危及器官,本研究只选择左肺(患侧肺)和心脏做了D1和Dmean的比较,结果显示,只有心脏的Dmean差异较大,存在统计学差异(P<0.05),其余均无统计学差异,见表2。

表2 基于三维剂量重建的PTV和OAR剂量体积直方图偏差

3 讨论

本研究选用非晶硅射野影像系统PD 和Dolphin穿透电离室矩阵两种验证系统对左侧乳腺癌调强放疗计划的验证进行了研究。两种验证设备各有优势,PD作为加速器自带的非晶硅射野影像系统,验证时不需要将照射野角度归零,不用考虑摆位误差和电离室角度等问题,且具有极高的灵敏度和分辨率、重复性好、成像速度快、具有更高的工作效率、可用于实时监测等优点,现已经广泛地用于调强计划的剂量验证[13]。Dolphin穿透电离室矩阵是一个带有1513个平面平行电离室的二维阵列,拥有40 cm×40 cm的全射野输出测量范围[14],测量时直接悬挂在加速器的机头,不需要将计划移植到模体重新进行计算,只需在机架和小机头均处于0°状态时打开电源即可连接软件的测量系统。这两种验证系统都省去了传统剂量验证系统对模体进行摆位和连接各种线揽的烦琐过程,极大地提高了物理师的工作效率,避免了模体摆位可能产生的误差,具有更高的工作效率。传统的二维剂量验证采用的伽马分析尽管提供了关于直线加速器是否按计划运行的有价值的理解,但单纯γ通过率与ROI绝对百分剂量差异之间仅存在弱相关性,即便获得的γ通过率较高,在某些较为敏感的解剖结构处仍可能出现较大的 剂量偏差。为了克服这些限制,除了伽马通过率外,还需要在QA程序中加入剂量体积直方图(DVH)信息,以提供全面的患者特异性预处理QA,这将提供洞察实测重建剂量和TPS计划剂量之间观察到的差异与目标和周围正常结构的相关性[15-16]。

本研究在二维γ通过率的研究中,尽管PD验证结果高于Compass计算和Dolphin实测的验证结果,差异有统计学意义(P<0.05),但是它们在3%/3 mm的γ平均通过率≥95%,在2%/2 mm的γ平均通过率≥90%,均都能满足VMAT临床计划验证的需求,且在X和Y方向的Profile表现出了比较高的一致性。因此只能认为相对Dolphin来说,PD具有更高的分辨率和测量精度。但是PD是单一平面的剂量验证,无法判断患者计划整体是否与机器照射得到的测量剂量相一致,而且没有具体的解剖信息,不能清晰看到偏差出现的位置,对临床的指导意义有限。Dolphin-Compass三维验证系统可以弥补传统的二维剂量验证的不足,并能给出与患者解剖结构相关的体积剂量误差、γ通过率、误差的位置等信息,有利于临床的评估。

本研究基于Dolphin-Compass的三维剂量验证对乳腺癌进行治疗前的独立三维剂量验证工作,将独立三维剂量计算和三维剂量重建的剂量分布进行了比较,结果显示所有结构的γ通过率在2 mm/2%标准中大于90%,而在3 mm/3%标准中则大于95%。由Compass独立三维剂量计算和Dolphin三维剂量重建获得的PTV对应的D1、Dmean和D99均存在差异性,差异值范围在5%以内,这可能是因为相对于Compass独立三维剂量计算,影响Dolphin三维剂量重建结果稳定性的因素更多,如穿透电离室矩阵的平均受照体积、几何分辨率和自衰减等不确定性的影响,此外,由于Dolphin穿透电离室矩阵安装在直线加速器的机头,因此无法检测它与机架、准直器和工作台旋转相关的误差。对于择左肺(患侧肺)和心脏的D1和Dmean的比较,只有心脏的Dmean差异较大,存在统计学差异,可能是因为相对于患侧肺,心脏受到的平均剂量很小,另外研究中发现绝大部分患者的心脏差异值较大的点处于探测器边缘,这与吴仕章等发现剂量差异与剂量采集最大面积具有相关性的结论一致[17]。

综上所述,借助PD可初步比较TPS计算和测量剂量的分布差异,而Dolphin-Compass验证系统可进一步提供病人靶区和危及器官详细的剂量参数信息,有助于病人治疗计划的安全实施和放疗医生的临床决策。