电子射野影像装置用于放射治疗的研究进展

董化江 孟慧鹏 丁红军 孙小喆 郑爱青 梁克明 张艳龙 王鹏

300309天津，武警后勤学院人体解剖与组织胚胎学教研室（董化江、王鹏）；300162天津，武警后勤学院附属医院放疗中心(孟慧鹏、孙小喆、郑爱青、梁克明）；300072天津大学精密仪器与光电子工程学院（董化江、孟慧鹏、丁红军、张艳龙）

电子射野影像装置用于放射治疗的研究进展

董化江 孟慧鹏 丁红军 孙小喆 郑爱青 梁克明 张艳龙 王鹏

300309天津，武警后勤学院人体解剖与组织胚胎学教研室（董化江、王鹏）；300162天津，武警后勤学院附属医院放疗中心(孟慧鹏、孙小喆、郑爱青、梁克明）；300072天津大学精密仪器与光电子工程学院（董化江、孟慧鹏、丁红军、张艳龙）

用于放射治疗的电子射野影像装置（EPID）探测器主要有荧光屏摄像机系统、扫描矩阵电离室系统和有源矩阵平板探测器系统。基于非晶硅的有源矩阵平板探测器EPID，由于其具有使用方便、分辨率高、采集效率高及性能稳定等特点，已成为近年来用于放射治疗的主流探测器系统。EPID最初主要用于放射治疗的患者靶区位置和射野的验证，后逐步用于放疗设备本身的质量控制。目前的研究方向主要是用于放射治疗的剂量验证。相信通过深入了解EPID特性，开发相应的算法及软件后，其用于放疗设备的常规质量保证、实现在线位置验证和剂量验证等将成为一种常规方法。

电子射野影像装置； 放射治疗； 质量保证； 剂量验证

Fund program:Seed money from the Affiliated Hospital of Logistics University of CAPF(FYM201620, FYQ201608)

0 引言

电子射野影像装置（electronics portal image device,EPID）是利用探测器矩阵在射野出束方向获取图像的一种成像系统。EPID早期主要用于X线放射治疗的射野验证[1-4]。近几十年来，随着三维适形放疗（three dimensional conformal radiation therapy, 3DCRT）和调强放疗（intensity modulation radiated therapy,IMRT）技术的不断发展，其应用于放疗患者治疗前/后过程中的靶区位置和射野形状验证的技术也得到了充分发展。EPID在放射治疗质量控制方面的研究较多，包括加速器自身的质控，如射束的平坦度和对称性分析、半影分析、光野和射野一致性分析等；加速器附件如多叶光栅（Multi-leave collimators,MLC）到位精度验证等；同时也有部分用于剂量验证的尝试[5-10]。近年来，EPID自身的物理特性逐渐被揭示，其具有高分辨率、快速采集数据、强抗辐射能力、使用方便并能即时显示二维图像等优点，将其用于放射治疗剂量验证的研究亦越来越广泛[11-15]。本文就EPID用于放射治疗的进展进行综述。

1 电子射野影像装置

20世纪50年代，Andrews设计了第一个电子射野影像装置（EPID）系统，用于监测2 MV X线的治疗，实现了放射治疗中射野验证的无胶片化。然而，受当时条件的限制，其图像质量较差，随后的研究为开发放疗中实时验证产品奠定了基础[1-2]。随着计算机和数字成像技术的迅猛发展，用于荧光探测器系统、扫描矩阵电离室系统和有源矩阵平板探测器系统的EPID已发展成为商业化产品并得到广泛应用[1，3-4]。

1.1 荧光屏摄像机系统

荧光屏摄像机系统（camera-mirror-lens-based EPIDs）以荧光屏为射线探测器，包括X射线转换器、成像装置和信号转换装置。其中X射线转换器整体是一个荧光屏，由1.5 mm左右的金属板（通常为不锈钢或铜）和硫氧化钆组成，是射线探测器最重要的部件。成像装置包括透镜、反射镜、摄像机。射线束通过金属板转换为高能的电子（包括射束与荧光屏作用产生的高能电子），高能电子直接入射至荧光屏上，或与荧光屏作用形成可见光。荧光屏下方的反光镜可反射部分透过荧光屏的可见光，通过透镜和摄像机的信号经数字化处理后最终形成图像并显示。如美国GE公司的TargetView就采用了此类系统，其缺点主要是体积庞大，影响患者的正常摆位；优点则体现为其具有较高的空间分辨率、较大的成像范围及较快的成像速度。

1.2 扫描矩阵电离室系统

荷兰癌症研究所Meertens等于20世纪80年代中期开发了第一个扫描矩阵式电离室系统（scanning matrix ionization chamber EPIDs），代表性的系统后来应用于Varian加速器中[2-3]。此类系统的射线探测器采用扫描液体电离室（scanning liquid ionization chamber，SLIC），其基本组成包括SLIC和对应的控制单元及系统软件。控制单元用于控制图像采集与生成的模数转换过程；系统软件则是对图像的显示增强、存储以及摆位误差的探测等进行后处理。系统最重要的部件为SLIC，由1.27mm×1.27mm的单元组成256×256的液体电离室矩阵，其灵敏面积为32.5 cm×32.5 cm；1 mm厚的异辛烷作为电离介质填充在电离室的高压电极之间；1 mm厚的钢板作为剂量建成材料覆盖在电离室上方。任一行的256个电离室接通300 V极化电压后，256个静电计同时读取这一行电离室的电流，形成一行图像信号，依次接通不同行的电离室即能得到整个灵敏体积内的图像信号，时间约为5.9 s。采用快速采集方式其时间能减少到1.5 s，但对图像的分辨率影响较大。

该探测器系统的最大缺陷是成像速度慢且射线利用率低，转化为可测量的高能光子信号仅为入射线束的1.5%左右；其优点为结构紧凑轻便，类似内置的暗盒且影像失真度较小[16]。

1.3 有源矩阵平板探测器系统

有源矩阵平板探测器系统（active matrix flatpanel imager EPIDs）由于探测器采用非晶硅（amorphous silicon，a-Si）或非晶硒（amorphous selenium, a-Se）等固体材料的半导体矩阵，因此也被称作固体探测器系统。两种材料的探测器结构相似，常见的非晶硅阵列（amorphous silicon array）单个像素块均由光电二级管和薄膜晶体管组成，每个光电管与对应的晶体管耦合且紧贴荧光转换板。光电二极管由顶层透光金属、本征型层、P型层和铬层组成。薄膜晶体管是一种场效应管（field effect transistor，FET），其源级、栅极、漏极分别与光电管、控制线和数据线连接，由信号控制其开通和截止。采集图像信号时，整个FET阵列保持负压处于截止状态，光电二极管的电容不断收集由荧光转换的光电二极管本征层电子空穴对，使光电管不断充电，改变FET的控制电压；数据线输出存贮在光电二极管的信号，并由计算机处理为数字信号后生成一行数字图像，随后该行FET线的电压回到初始状态。重复上面的步骤得到整幅图像，通过改变每行FET的电压直到生成每一条FET线上的图像。固体探测器有两种工作方式：直接方式和间接方式，两者主要区别在于射线束转化为电信号的方式。用非晶硅直接将射线转化为电信号的为直接方式；由闪烁体把射线变成可见光，再用非晶硅光电管生成电信号的为间接方式。

目前，最主流的商用非晶硅EPID系统为美国Varian公司的a-Si500-Ⅱ型EPID，其有效测量面积为40 cm×30 cm，分辨率可达0.78 mm。由于其具有体积小、成像视野大、效率高及分辨率高等特点，已逐步取代了荧光屏摄像机系统EPID和扫描矩阵式电离室系统EPID。

2 EPID的应用现状

2.1 位置验证

EPID应用于位置验证主要包括治疗前矫正射野、离线评价患者摆位、治疗间矫正患者摆位、治疗前矫正患者摆位及治疗中调整射野5种形式[3-4]，均以保证射野位置和摆位误差为目的。放射治疗的计划执行阶段不可避免存在误差，有文献报道，实际治疗中射野摆位的50%其误差超过了5 mm。误差太大会导致严重错误，因此通常需要将其限定在一定范围内。传统的位置验证方式是摆位完成后在正位和侧位用胶片拍摄位置验证片，与计划生成的直接数字化X线摄影（DDR）平片进行比较分析。此方法效率低、费用高，因此多数单位进行位置验证的频率很低，通常几星期校验一次，甚至只在首次治疗时验证，其后即使出现较大的摆位误差也无法及时纠正。EPID的出现使这种情况得以改变，其可实现实时成像，无需再去洗胶片，且成像速度快，极大地提高了位置验证的效率；另外，由于其无后续耗材消耗，降低了成本，使得治疗时位置验证的频次可以增加，甚至能做到每次治疗均可验证患者的摆位误差，保证了治疗的精度。

2.2 放疗设备质量保证验证

EPID在加速器照射质量保证（quality assurance, QA）方面的应用研究主要集中在3个方面：①作为一种加速器常规质量控制和验收的快速工具[5，9]。②MLC叶片位置的验证[6-8]。③补偿器的设计与厚度分布的验证[10]。常规的质控项目如射野的对称性平坦度测量、射野的半影测量、照射野的大小测量及形状的验证等，传统方法均需使用胶片和电离室等测量设备进行测量。经过合理配置的EPID可以替代传统的方式进行快捷、高效地测量。将EPID用于MLC叶片到位精度测量时，EPID接收到的图像信号会随MLC叶片的变化而变化，因此EPID不仅可以用于MLC叶片验证、设置特殊序列，还可探测叶片的到位精度，目前可探测到＜0.1 mm的误差。传统补偿器的验证使用电离室完成，时间长，成本较高，用EPID替代能极大地提高效率。文献[10]报道，对于＜4cm厚的钢材质补偿器，其验证精度可达0.5mm。2.3 剂量验证

EPID多用于剂量验证、荧光屏摄像机系统[17]、扫描矩阵电离室系统[18]、有源矩阵平板探测器[11-15]方面的研究。前两种探测器系统由于其自身的缺陷已经逐步被有源矩阵平板探测器取代，特别是使用非晶硅固体探测器的EPID近年来被加速器主流厂家广泛采用，如Varian公司的a-Si 500系列a-Si EPID、瑞典Elekta公司的iViewGT系统。非晶硅EPID不仅使用方便、性能稳定、能耐受长时间的剂量辐照，且其采集效率高、剂量响应线性好，能够得到高分辨率图像，具备进一步重建二维和三维剂量分布的可能。EPID的剂量测量有两种方式，一种是测量射野中剂量透过患者或模体后剩余的剂量，即透射剂量；另一种则在射野中直接测量非透射剂量。剂量验证方法又分为正向和逆向两种，EPID实测的剂量分布与治疗计划系统（treatment planning system, TPS）导出的剂量分布直接比较称为正向方法；用测量到的剂量分布通过算法推算出人体（或模体）内的实际剂量分布再与TPS计划导出的对应平面的剂量分布进行比较称为逆向方法[12,19-20]，进一步拓展还可以实现三维剂量验证，从而可更加全面准确地评价各个器官的受量[21]。正向或者逆向剂量验证方法均可用于透射和非投射剂量测量。

3 EPID用于放射治疗的研究前景

诊断用KV级射线以光电效应为主，光电效应占整个物质相互作用的75%左右，此时物质的电子密度与其原子序数的三次方成正比，是CT等X射线诊断设备区分不同组织的基础。EPID因采用MV级射线成像，此能量范围内物质的相互作用以康普顿效应为主，该效应理论上讲物质的电子密度与原子序数无关，因此很难区别不同组织，因此成像质量不高。近年发展起来的机载锥形束CT（CBCT）采用KV级X射线成像，其成像质量明显优于EPID，但由于EPID采用与治疗同源的射线，无需额外增加辐照，治疗的同时可同步采集数据，实现在线实时验证方面相比CBCT仍然优势明显。今后的研究重点应着重于进一步提高EPID成像质量以及实时的验证算法和相应的控制系统，如利用EPID在治疗过程中跟踪射野的位置并实时对参数进行调整，确保射线束始终照射正确的准靶区等。

当前国内外有关射野的对称性平坦度、光野射野一致性及MLC叶片到位精度等放疗设备质控的研究较多[5-10]。EPID基本可以取代很多常规项目的传统手段，其未能大范围推广使用的原因主要是相应的商用软件及结果的精度方面还有待于进一步研究。今后应在具有友好用户体验的软件及其结果的可靠性方面进行重点研究。

近年来，EPID在放疗中的研究热点是其在剂量验证方面的应用。EPID具有在线实时剂量验证的潜力和明显优势，非晶硅EPID不仅具有使用方便、性能稳定、能够得到高分辨率图像等特点；还有学者发现其剂量响应线性和长期稳定性均表现良好，线性测量结果优于1%，重复测量误差小于0.5%[9-10，20-21]。因此EPID的测量结果通过一定的校准不仅可转换成绝对剂量，还能进行剂量分布分析及剂量学验证。理论上a-Si EPID非常适合扩展到剂量学验证测量应用方面，可在临床上实时在线了解患者的实际照射剂量；但由于多种因素的限制，临床上并未能广泛采用。已经尝试应用于临床的商用EPID剂量验证系统也只能进行二维剂量层次的验证，未能体现执行计划时整体剂量分布的准确性，尤其近年采用容积弧形旋转调强放疗（VMAT）技术容积旋转调强计划的验证，必须向三维体剂量验证发展。由于EPID可实时监测患者治疗过程中的射线束变化，能采集到实时的透射剂量分布[13，22]，因此EPID用于剂量验证的发展趋势是剂量引导放疗，即发展类似CT成像的投射剂量反投影算法实现二维或三维的剂量验证算法，最终实现自适应剂量引导放疗。此方法不仅可以在线和离线对剂量进行评价，且可对整个治疗进行跟踪，并根据治疗中的验证结果及时调整治疗计划，因此今后的研究方向也包括开发实时在线评估患者治疗时体内形成实际剂量分布的快速算法及对应的技术和质控工具。

4 结 语

电子射野影像装置（EPID）是一种简单方便且能提高测量效率,减少物理人员工作量的系统，正确、合理配置EPID的参数后，其用于放射治疗的质量保证、位置验证及剂量验证应用前景广阔。相信充分了解其特性，开发相应的算法及软件后，其用于放疗设备的常规质量保证、实现在线位置验证和剂量验证等将成为一种常规的方法。

利益冲突 无

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Research progress of electronics portal image device in radiotherapy

Dong Huajiang,Meng Huipeng,DingHongjun,Sun Xiaozhe,Zheng Aiqing,Liang Keming,Zhang Yanlong,Wang Peng

Department of Anthropotomy and Histoembryology,Logistics University of Chinese People's Armed Police Force, Tianjin 300309,China(Dong HJ,Wang P);Radiotherapy Center,the Affiliated Hospital of Logistics University of Chinese People's Armed Police Force,Tianjin 300162,China(Meng HP,Sun XZ,Zheng AQ,Liang KM);School of Precision Instrument and Opto-electronics Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China(Dong HJ,Meng HP,Ding HJ,Zhang YL)

Meng Huipeng,Email:hongyi1218@163.com

Three kinds of electronics portal image device(EPID)detectors used for radiation therapy are camera-mirror-lens-based EPID,the scanning matrix ionization chamber EPID and the active matrix flat-panel imager EPID.The a-Si EPID has been used as the main source of radiation therapy in recent years because of its advantages such as easy to use,high resolution,high collection efficiency,stable performance and so on.At first,the EPID is mainly used for patient set-up and field verification,and then gradually used for linac specific quality assurance(QA). At present,EPID is mainly used for dosimetric verification of radiotherapy.It's believed that by fully understanding the properties of EPID and developing the corresponding algorithm and software,the conventional QA of EPID for radiotherapy equipment and the online verification of location and dose will become the norm.

Electronics portal image device;Radiotherapy; Quality assurance; Dosimetric verification

孟慧鹏，Email：hongyi1218@163.com

10．3760/cma．j．issn．1673-4181．2016．04．012

武警后勤学院附属医院种子基金（FYM201620，FYQ201608）

2016-04-20）