利用EDR2胶片和EPID实施容积旋转调强治疗性能测试的评估

葛瑞刚，徐寿平，徐 伟，解传滨，丛小虎， 杨 涛

解放军总医院放疗科，北京市，100853

利用EDR2胶片和EPID实施容积旋转调强治疗性能测试的评估

【作 者】葛瑞刚，徐寿平，徐 伟，解传滨，丛小虎， 杨 涛

解放军总医院放疗科，北京市，100853

该文旨在研究和探讨利用EDR2胶片和电子射野影像装置(EPID)实施RapidArc质量保证方法可能。利用两种工具进行比对测试，主要通过检测MLC到位精度、机架和剂量率变化能力及其三者同步控制能力，从三方面评价RapidArc技术性能指标。笔者利用栅栏式设定实施MLC的测试控制，比较静态/动态机架模式下两种工具均显示了较好的MLC精度；通过组合不同剂量率、机架旋转速度以及机架旋转角度范围, 分析照射区域内两种剂量测量方法体现了很好的一致性，两者在区域内平均偏差分别为0.24% 和 0.19%，剂量值均保持在2%以内。EDR2胶片和EPID均可作为RapidArc有效而可靠的检测工具。当然，日常VMAT QA测量过程中利用EPID系统将会提高工作效率。

VMAT；EDR2胶片；EPID；质量保证

0 引言

当今放射治疗随着先进技术的引入已得到较大地提升，但同时其代价是导致了治疗过程中复杂性的增加。容积旋转调强(volumetric-modulated arc therapy，VMaT)作为调强放疗(IMRT)后一种新型延伸技术，与IMRT相比较而言其可潜在地在更短时间和更少MUs条件下获得相对较理想的剂量照射[1-3]。Rapidarc(Varian公司，USa)是目前商用执行VMaT治疗技术之一。治疗期间为了获得最佳适形剂量的精度、效率及可靠性，Rapidarc照射完全依赖于可变剂量率、机架速度及动态多叶准直器（MLc）的控制能力及其同步性[4-6]。Rapidarc技术通过机架围绕患者旋转实现束流照射，若机架速度最大，可获得最小的治疗时间；每角度剂量变化及动态MLc实现对剂量的调制；改变剂量率和机架速度获得可变的每角度剂量。Rapidarc执行过程中面临以下几个问题：一是动态MLc、剂量率和机架速度的同步性；二是机架速度是否足够慢以确保MLc到达准确的位置；三是机架速度需足够慢以确保照射足量剂量(MUs) 或增加剂量率。

近年来直线加速器中VMaT技术的性能测试需要新的临床验收测试和质量保证(Qa)方法，一些文献也相继报道了VMaT临床验收测试及其Qa方法[4-9]。各种Qa工具如胶片、ePID和二维电离室阵列均广泛地应用于VMaT Qa中。为了更好地明确VMaT Qa测试方法，本研究目的是利用Kodak eDR2胶片与电子射野影像装置（ePID）系统地制定和执行VMaT Qa测试，进一步评价VMaT照射期间两种测试工具检测直线加速器性能及其MLc剂量学参数的不确定性和可靠性。

1 材料和方法

本研究中除了利用PTW(德国)等中心固定架、eDR2和ePID等硬件工具外，最重要的是针对Rapidarc动态关键性能需预先设计并制定出相应临床测试程序，以便进行相关测试项的检测。

1.1 加速器束流中心一致性检测

测试前首先需保证照射束流中心的一致性。研究中将胶片固定在PTW公司提供的等中心固定架上，将设定为长2.5 cm×宽0.5 cm的窄条方形射野，在机架90o、0o、270o三种角度，分别束流照射100 MU，并在Vidar Dosimetry Pro扫描仪（美国）上扫描后分析相应的曲线，评价加速器束流中心的一致性。

1.2 静态机架时MLC精度测试

胶片采用篱笆状射野(Picker fence)照射方式，考虑机架在不同角度时重力可能会对MLc精度造成一定影响，因此分别在0o、90o、270o、180o四个机架角度进行照射，小机头角度保持0o，MLc每移动15 mm 照射一个1 mm 宽度射野，分别利用eDR2胶片和 ePID进行测量分析。

1.3 动态机架时MLC精度测试

采用旋转篱笆状射野照射方式，MLc每移动15 mm 照射一个1 mm 的条状射野，在照射过程中保持机架匀速转动，分别用eDR2胶片和ePID进行测量分析。

1.4 MLC到位精度的敏感性测试

重复静态/动态机架条件下MLc精度的系列测试，并且人为引入MLc位置的偏差；分别设定MLc第30号和35号叶片对存在0.5 mm偏差，其中第35号两叶片均偏移0.5 mm，而第30号仅一叶片偏移0.5 mm。通过胶片和ePID定性/定量检测其偏差是否存在，从而判定 eDR2胶片和 ePID测试MLc精度的敏感性。

1.5 MLC速率、剂量率及其机架速率的同步性测试

Rapidarc治疗模式下设置了7个治疗区域，每个区域内设定不同机架旋转速率和剂量率而实现照射剂量相同，剂量率为111～600 MU/min，而机架转速变化体现为各区域0.33～2.33 MU/o，分别使用eDR2胶片和ePID测量分析照射区域内剂量的一致性情况。

为了评估Rapidarc治疗模式中动态MLc速度、机架速度及剂量率变化的能力影响，设定四个区域MLc速度分别为0.46、0.92、1.84和2.76 cm/s，通过不同剂量率(138～554 MU/min)、机架旋转速度(5.5o/s～4.3o/s)以及机架旋转角度范围（Δθ=90o～12.9o）的组合，从而实现四个区域内获得相同剂量的照射。同时为了修正离轴束流强度平坦度的影响，需同时照射相同大小开野的强度分布。根据eDR2和ePID测量结果，通过公式(1)和(2)[8]进行计算，要求偏差在2%以内。通过计算ePID和胶片两种工具剂量强度分布的偏差评估出其动态变化。

2 结果

2.1 加速器束流中心一致性

如图1所示，通过分析胶片上三条窄缝等中心位置的偏差。经过分析得到的误差在0.3 mm以内，说明加速器束流中心的一致性较好。

图1 利用不同角度测量窄束测量束流中心一致性Fig.1 Measurement of center consistency for the narrow beams in different angles

2.2 静态机架MLC精度

图2中分别给出了eDR2胶片和ePID测量固定机架角度时MLc精度的结果。胶片测量MLc到位重复精度在0.3 mm以内；而采用ePID系统测量获得的精度在0.1 mm以内。

图2 静态机架时MLc到位精度测量结果Fig.2 Measurement results of MLc positions for the static gantry

2.3 动态机架时MLC精度

图3中分别给出了eDR2胶片和ePID测量固定机架角度时MLc精度的结果。两种工具检测动态机架的MLc精度为0.1 mm以内；ePID检测结果可以通过Profle观察曲线峰值处像素大小来得以体现。

2.4 EDR2和 EPID测试MLC精度的敏感性测试

图4中分别给出eDR2和 ePID测试MLc精度的敏感性测试结果，从图中可以看出eDR2和 ePID均能明显地辨别0.5 mm偏差，即两种工具均可达到0.5 mm的MLc测量分辨率(图4(a))。而ePID结果则通过Profile峰值可以看出，第30和35号叶片对与正常叶片峰值位置相差的像素值分别为2和1（图4(b)）。

图3 动态机架时MLc到位精度测量结果Fig.3 Measurement results of MLc positions for the dynamic gantry

图4 eDR2和 ePID测试MLc精度的敏感性测试结果Fig.4 Results of the sensitivity test for MLc positions using eDR2and ePID

图5 利用eDR2实施不同剂量率、机架旋转速度的组合与开野的束流强度分布情况Fig.5 Dose comparison with different dose rates and gantry speeds using eDR2

图6 利用eDR2实施不同剂量率、MLc速度、机架旋转速度的联合性能测试结果Fig.6 Results of the performance tests with different dose rates, MLc, and gantry speeds using eDR2

2.5 MLC速度、剂量率和机架速率的联合性能测试

通过设定不同机架旋转速度和剂量率的组合形成四个剂量相同区域，同时考虑开野强度分布对离轴的束流强度给予了平坦度的修正，利用ePID和eDR2胶片剂量测量结果分析了照射区域内剂量，两种测量方法体现了很好的一致性。图5中利用胶片实施不同剂量率、机架旋转速度的组合照射及其开野的束流强度分布情况。表1列出了四个区域内两种工具方法的测量结果，其平均偏差分别为0% 和 0.01%。

表1 两种工具实施不同剂量率、机架旋转速度组合的剂量影响Tab.1 Dose effects of different dose rates and gantry speeds using two kinds of tools

表2 采用两种工具测试不同剂量率、MLc速度、机架旋转速度的性能情况Tab.2 Results of the performance tests with different dose rates, MLc and gantry rates using two tools

通过组合不同剂量率、MLc速度、机架旋转速度以及机架旋转角度范围形成的七个照射区域，使用eDR2胶片与ePID测量七个区域内的剂量，发现两者具有较好的一致性(图6)，eDR2胶片与ePID测量结果平均偏差分别为0.24% 和 0.19%(表2)，测试结果均在2%以内；结果表明VMaT中剂量率、MLc及机架速度变化对剂量影响保持在临床要求范围内。

3 讨论

容积旋转调强作为目前较为先进而主流的调强放疗技术之一，容积调强实施过程中要求 MLc动态运动速度、机架转动速度和剂量率同时变化并予以匹配，从而实现对肿瘤靶区束流调制目的。因此容积调强治疗技术的质量保证(Qa)和质量控制(Qc)相对于常规调强有所不同且其要求应更加严格。王清鑫[11]等研究发现即使MLc位置出现2 mm的位置误差，VMaT计划在3%/3 mm条件下剂量验证通过率仍有可能大于90%，因此MLc系统必须进行独立的质量保证。

eDR2胶片和ePID系统均是目前常用的Qa检测工具。eDR2胶片作为最常用放疗质量验证工具之一，可用于剂量验证及MLc精度检测等多种用途。但是eDR2胶片使用过程中仍存在校准、冲洗以及使用繁琐等问题[12-13]。ePID系统作为加速器自带的成像设备，最初设计是应用于日常患者摆位的需要；但目前临床应用的非晶硅ePID具有良好的剂量响应特性[14]，也已广泛用于剂量验证、MLc精度等Qa检测。Richart J等[15]报道了基于ePID剂量进行动态MLc质量保证，发现ePID具有成像分辨率高、响应速度快、图像便于后续处理的优点。Létourneau D等[16]也报道ePID始终保持与机架同步转动，与照射野方向保持垂直，可以有效地避免角度依赖问题。Liu B等[17]利用ePID系统发展了一套Qa技术可以同时验证VMaT治疗中机架角度和照射MLc的束流强度分布。

本研究对容积旋转调强中加速器性能进行较为详细地测试和分析。王佳舟[18-19]等研究结果显示利用ePID建立了不同加速器厂商VMaT Qa的相同测试方法和标准，从而有效地将定量探测能力保持到 0.2 mm 误差以内；而加速器中多叶光栅等系统误差小于 0.5 mm。本研究中测试结果也发现，若采用eDR2胶片和等中心固定架会存在近0.3 mm的系统误差(如图1、2所示)，较ePID测量系统误差大；因此将MLc叶片的人为偏差设置为0.5 mm。最后本研究对MLc速度、剂量率合并机架速率进行联合测试，并通过设定七个不同区域检测动态变化对剂量的影响，胶片与ePID测量的剂量具有较好的一致性，平均偏差分别为0.24% 和 0.19%。三者的同步控制变化对剂量的影响几乎可以忽略，测量结果符合预期。另外，Teke T等[20]利用加速器Rapidarc治疗过程中所记录的文件(Log files)基于蒙特卡罗模拟可以实现对特定患者的剂量验证；事实临床中同理一般可利用MLc Dynalog、ePID或Linac log文件有效地分析与评估VMaT治疗过程中Qa情况[21-22]。对于可操作性及其相应偏差阈值的常规Qa而言，测量项应设计为简单而可靠。本研究结果表明，胶片或ePID在其VMaT Qa中均显示了较为满意的结果。相对而言，eDR2胶片工具因其具有分辨率高，更适合在临床验收测试中运用，以便建立起VMaT性能的基准Qa体系。而ePID作为一种强大的测试工具，其使用方便、重复性好、效率较高，推荐可作为常规质控的手段。必要时也可利用胶片予以对比测试，从而建立起有效的VMaT临床验收测试和Qa方法是很有必要的。

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RapidArc Delivery Performance Using EDR2Film and EPID Measurement

【 Writers 】GE Ruigang, XU Shouping, XU Wei, XIE Chuanbin, CONG Xiaohu, YANG Tao
Department of Radiation Oncology, PLA General Hospital, Beijing, 100853

VMAT, EDR2flm, EPID, quality assurance (QA)

R815

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.03.018

1671-7104(2016)03-0221-04

2016-02-19

国家自然科学基金（61171005）

葛瑞刚，e-mail: gangzi_8888@163.com

徐寿平，e-mail: shouping_xu@yahoo.com

【 Abstract 】This study describes the development and implementation of EDR2flm and electronic portal imaging device (EPID) during RapidArc QA. The tests were designed to evaluate RapidArc performance using EDR2flm and EPID tools. The accuracy of MLC position during gantry rotation, the ability to vary and control the dose-rate and gantry speed, the synchronization of variable MLC speed and dose-rate were examined. The picket fence test of MLC in stationary gantry and RapidArc modes were implemented. The flm and EPID showed a good consistency. During the evaluation of MLC speed, gantry speed and dose-rates, the dose of different parts in a feld showed a good agreement, with the mean deviation of 0.24% vs 0.19%. The analysis of dose value was less than 2%. This study demonstrated that EDR2flm and EPID system can be used as reliable and effcient quality assurance tools for RapidArc delivery performance. Of course, the use of VMAT QA with EPID increases the effciency of routine QA.