ArcCHECK结合3DVH在容积旋转调强放疗剂量验证中的应用研究

冯瑞兴

青海大学附属医院 肿瘤放疗科，青海 西宁 810001

引言

旋转调强放疗（Intensity Modulated Arc Therapy，IMAT）的概念最早是由Yu[1]提出，其旋转照射过程中剂量率恒定。而强度调制则将射野等角度转化为多叶准直器（Multi-Leaf Collimator，MLC）形成的大量静态子野，并利用多个叠加的弧实现，但当时缺少有效的计划系统和控制系统。随着放射物理学、计算机控制技术等的进步，Otto[2]提出了容积旋转调强放疗（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT），其在照射过程中机架旋转速度、MLC运动、剂量率可以连续变化，极大提高了照射效率，在临床中已普遍应用[3-5]。然而VMAT拥有的多参数动态变化，使得放疗执行过程中不确定性更多，因此其质量保证（Quality Assurance，QA）非常关键。否则一旦剂量不能准确按治疗计划系统（Treatment Planning System，TPS）设计的那样投照到肿瘤患者，可能造成肿瘤控制失败或产生严重放疗并发症。

以往仅仅使用点剂量和二维平面剂量验证的方式不能完全适用于VMAT，目前更倾向使用三维剂量验证系统，而ArcCHECK拥有1386个半导体探头螺旋分布于圆柱形模体，契合了VMAT旋转照射的方式。但是应用ArcCHECK行剂量验证仅使用γ分析法并不能分析靶区和危及器官具体受到照射的剂量体积参数。因此，本文研究ArcCHECK三维剂量验证系统结合配套的3DVH软件对VMAT计划进行剂量验证，探讨其临床应用的可行性。

1 材料和方法

1.1 设备材料

瓦里安Trilogy直线加速器，配置有60对MLC；飞利浦Pinnacle3Version 9.8 TPS；IBA标准剂量水箱，内径：长300 mm，宽300 mm，高220 mm；IBA DOSE-1剂量仪和FC65-G 0.65 cc电离室；Sun Nuclear公司ArcCHECK三维剂量验证系统（包含SNC Patient Version 6.2.3软件），模体长21 cm，呈圆柱形，并有1386个呈螺旋分布的半导体探头，探头间距为1 cm，有效探测面积：0.8 mm×0.8 mm；Sun Nuclear公司3DVH Version 3.2软件。

1.2 研究对象

随机选取2017年1月至2017年6月青海大学附属医院肿瘤放疗科收治的20例肿瘤患者，其中头颈部肿瘤鼻咽癌5例，胸部肿瘤食管癌和肺癌各5例，腹部肿瘤直肠癌5例。所有患者采用仰卧位，热塑膜进行体位固定，CT扫描的图像信息传输至飞利浦Pinnacle3Version 9.8 TPS进行三维重建，主管医生勾画靶区，每例患者重新设计VMAT计划，采用179°～181°逆时针和181°～179°顺时针的两个全弧照射，准直器角度为0°，治疗床角度为0°。

1.3 ArcCHECK的校准

（1） ArcCHECK模体的探头位于表面下2.9 cm，其等效水深为3.3 cm。因此，将IBA水箱按SSD=86.3 cm摆位，水深3.3 cm，并放置电离室，射野大小10 cm×10 cm，加速器出束200 MU，测量绝对剂量三次，记录平均值。

（2）将ArcCHECK模体对准激光灯摆位，SSD=86.7 cm，连接线缆和电脑，打开SNC Patient Version 6.2.3软件自动行本底校准（初次摆位时还需进行旋转和倾斜校正）。

（3）根据软件提示的摆位方式、射野大小、MU数，行矩阵探头个异性校准，Normalized Reference Profile曲线所示的比值位于1～1.05之间表示对称性良好（图1）。

（4）在射野大小10 cm×10 cm，加速器出束200 MU，输入第1步记录的绝对剂量平均值，完成绝对剂量校准。

图1 矩阵探头个异性校准的Normalized Reference Profile曲线

1.4 剂量验证方法

1.4.1 γ通过率评估

在TPS中将20例患者的VMAT计划移植到ArcCHECK模体上重新计算剂量，并把RT Plan和RT Dose文件导入SNC Patient Version 6.2.3软件，使用患者计划出束，ArcCHECK模体下测量，评估每例患者的γ通过率，并保存测量结果的*.acml文件，γ通过率使用的标准为3 mm，3%，阈值10%。

1.4.2 靶区和危及器官剂量体积参数比较

将TPS中患者VMAT计划的RT Plan、RT Dose、RT structures和CT images文件导入3DVH Version 3.2软件，并打开患者剂量测量结果的*.acml文件重新进行剂量计算，采用剂量微扰算法（Planned Dose Perturbation，PDP），比较靶区和危及器官3DVH重新计算结果与TPS计算结果剂量体积参数的偏差，剂量体积偏差（%）=（3DVH重新计算值-TPS计算值）/TPS计算值×100%。

2 结果

2.1 γ 分析结果

20例肿瘤患者VMAT计划γ通过率，见表1。所有患者的γ通过率平均值为（98.1±1.1）%，除了1例鼻咽癌患者的低于95%以外，其余病例的γ通过率均＞95%。

表1 20例肿瘤患者VMAT计划γ通过率（%）

2.2 靶区和危及器官剂量体积参数比较

靶区和危及器官TPS计算结果与3DVH重新计算结果剂量体积参数的偏差见表2～4。其中1例鼻咽癌、食管癌、肺癌、直肠癌的靶区和危及器官DVH比较结果，见图2。从头、胸、腹三个部位肿瘤验证情况看，靶区PTV的D2%、D98%、D50%、Dmean偏差均较小，都在3%以内；危及器官方面，鼻咽癌有1例左、右晶体Dmax偏差分别在8.63%和7.01%，直肠癌有2例左、右股骨头V50偏差大于5%，其余病例的危及器官剂量体积偏差均小于5%。从测量的数据可以看出，鼻咽癌中晶体由于体积小，而且本来限制比较低所以剂量偏差比其他危及器官的大；对评价体积参数的危及器官通常高剂量区体积所占百分数较小，因此偏差也相对大一些。

表2 5例鼻咽癌3DVH重新计算结果与TPS计算结果剂量体积参数比较

表3 5例食管癌和5例肺癌3DVH重新计算结果与TPS计算结果剂量体积参数比较

表4 5例直肠癌3DVH重新计算结果与TPS计算结果剂量体积参数比较

图2 靶区和危及器官DVH比较结果

3 讨论

VMAT技术相比IMRT技术增加了角度自由度，在计划优化过程中可以拥有更优的角度选择性，投照过程机架角度随着控制点改变，MLC同时进行变化，而子野权重变化形成剂量率的变化，理论上靶区的均匀性也会越好[2]。但其多个可变的参数使计划执行过程更加复杂，如机架到位精度、MLC运动精度、剂量率与时间的响应特性等都会影响计划的准确执行。因此，放疗前保证计划剂量准确投照到患者是临床放疗安全、有效实施地关键环节。以往点剂量和二维平面剂量的验证只能提供单个点和平面的剂量信息，剂量验证包含的内容太过局限，因而必须进行多个感兴趣点和平面的测量，给验证工作带来诸多不便。二维验证工具在IMRT不同角度或VMAT旋转照射时表现出角度依赖性，如果不进行修正会带来剂量偏差[6]。以往IMRT使用的单野角度归零进行剂量测量，这样在验证时与实际出束的过程存在很大差异，往往忽略了不同角度时重力对机架和MLC的影响、碳纤维治疗床对射线衰减和散射的影响等，射野归零相比实际角度验证特别在水平线下的角度或90°、270°附近的角度验证结果均明显提高[7-9]。因此，使用ArcCHECK三维剂量验证系统保证了旋转照射中的剂量信息，本研究中三种部位肿瘤VMAT计划γ通过率除1例鼻咽癌为94.2%，其余均＞95.0%，取得了较好的验证结果，与国内外一些研究中的结果类似[10-11]。

γ分析法广泛运用于临床剂量验证系统，它将测量的剂量分布作为参考信息与TPS计算的剂量分布比较，弥补了剂量差异法和DTA（Distance-To-Agreement）法各自的不足，不管是剂量梯度较大的区域还是剂量分布平缓的区域，其计算值的误差较小[12]。然而γ分析法缺乏与临床解剖结构感兴趣区剂量参数的相关性，有些情况下即使γ通过率＞95%也可能出现较大剂量误差[13]。本研究利用3DVH软件PDP算法重建患者剂量分布，提供了靶区和危及器官剂量体积参数信息，在与TPS计算结果的比较中，PTV的剂量偏差均在3%以内，危及器官的剂量体积偏差大部分在5%以内。但是，受VMAT计划执行的复杂性和仪器分辨率的影响，小体积的危及器官或高剂量区体积很小的部分容易偏差较大，但是多大的偏差能为临床可接受，这也是后续需要解决的问题。同时笔者在研究过程中也发现通过3DVH软件的剂量重建，如果整个计划剂量偏差较大，软件计算会有警告提示，这反映出可能是加速器的绝对剂量偏差或摆位误差等较大时带来的剂量偏差，这时就需要物理师对加速器的剂量进行校准或摆位进行验证。

目前，许多剂量验证的研究证实了ArcCHECK与3DVH在临床应用的准确性，特别对MLC运动误差、不同分辨率等情况下验证的结果也做了分析[14-16]。但是，ArcCHECK是一个均匀的有机玻璃模体，而人体各组织是不均匀的，其缺点是模体测量的剂量与人体受照剂量还是有一定误差，3DVH在剂量重建时未考虑非均匀介质的影响[17]。

综上所述，ArcCHECK三维剂量验证系统在临床VMAT计划的剂量验证中仍然是一个快捷、简便的验证工具，而3DVH提供了靶区和危及器官的剂量体积参数，是对ArcCHECK测量的一个延伸，结合这两个方面的验证结果将有助于提高临床肿瘤放疗的安全保障。