鼻咽癌调强计划分野和大野Portal Dosimetry剂量验证的分析比较

时飞跃，王敏，赵紫婷，秦伟，赵环宇，魏晓为

1. 南京医科大学附属南京医院（南京市第一医院） a. 肿瘤放疗中心；b. 医疗设备处，江苏 南京 210006；2. 南京医科大学 医学物理研究中心，江苏 南京 210029

引言

鼻咽癌（Nasopharyngeal Carcinoma，NPC）是最常见的头颈部恶性肿瘤之一，由于肿瘤靶区形状复杂且周围有较多重要器官，因此临床上患者多采用放射治疗的方式进行治疗。调强放射治疗（Intensity Modulated Radiotherapy，IMRT）不仅能为靶区提供高度适形的剂量分布，而且能够保护周围的危及器官和正常组织，是目前治疗NPC的主流放疗技术[1]。由于NPC的肿瘤靶区形状复杂，周围需要保护的危及器官较多，因此其IMRT计划也比较复杂，一般采用7个或9个射野的布野方式。为了确保NPC计划复杂的剂量分布准确传输到患者身上，需要对IMRT计划进行剂量验证。近年来，电子射野影像装置（Electronic Portal Imaging Device，EPID）越来越广泛地被应用于IMRT和容积旋转调强（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）计划的剂量验证中[2-4]。使用基于非晶硅EPID的瓦里安Portal Dosimetry（PD）系统对放疗计划进行剂量验证，具有操作简单、使用方便、显示结果及时等诸多优点[5]。瓦里安医用直线加速器的多叶准直器（Multi-leaf Collimator，MLC）因为采用独特的驱动设置，所以大靶区射野（即大野，Large Field）会自动生成2～3个分野（Split Field）[6]。加速器在执行上述治疗计划时可根据是否支持大野调强，选择按照大野或分野方式出束。对于由治疗计划生成的PD剂量验证计划，早期软件版本只支持按照每个分野出束，后来可以选择按照大野或分野出束。由于NPC靶区尺寸较大，其IMRT计划的射野多为大野。关于分野和相应大野Portal Dosimetry剂量验证结果的差异和联系，尚未见报道。本研究通过对NPCPD剂量验证计划的分野和大野进行比较分析，得到两种射野Gamma通过率的相关数据差异，为物理师评估NPC调强计划的PD剂量验证结果提供有益的参考和指导。

1 材料与方法

1.1 病例选择

选取2016年6月至2018年6月南京医科大学附属南京医院（南京市第一医院）收治的NPC患者11例。所有患者均为初次治疗且病理或细胞学证实为NPC，放疗计划（或首程放疗计划）采用9野计划设计，并且每个治疗射野均为由两个分野组成的大野。排除治疗射野为非大野，或由三个分野组成的大野的病例。患者相关统计资料见表1。因NPC患者肿瘤靶区较多且不同患者情况不同，故表中只选取PGTV的体积（VPGTV）和所有靶区的总体积（VPTV-Sum）进行统计。 表中总剂量是特指给予PGTV的总剂量。以P1-P11对11例患者计划进行编号。

表1 NPC患者的统计资料

1.2 验证计划的制作与执行

在放疗工作中，使用瓦里安Eclipse 8.6治疗计划系统设计制作IMRT治疗计划。上述11例NPC患者均采用9野调强方式，机架角度分布如下：280°、300°、320°、340°、0、20°、40°、60°和80°。治疗计划制作完成后，制作治疗计划的PD剂量验证计划，由PDIP算法计算得到计算（预测）剂量图像。本单位Portal Dosimetry版本为8.6.23，因此每个大野（Large Field）在PD验证计划中分成2～3个分野。本研究为了统计分析及论述方便，选取的每个调强计划中的射野，都是能够分成2个分野的大野。更高版本的Portal Dosimetry（版本10.0及以上），治疗计划的大野在制作PD验证计划时，可以选择生成大野或分野来进行验证。

使用Clinac iX直线加速器出束，执行上述PD验证计划。验证计划执行结束后，在PD软件模块里使用Gamma分析工具，对计算剂量分布和测量剂量分布进行比较，获取每个分野的Gamma通过率值等剂量验证结果。分析参数距离符合度、标准剂量差异和剂量阈值分别设定为3 mm、3%和10%。

1.3 大野数据的获取

选取的11例NPC患者的治疗计划，其射野均为大野。每个大野在PD验证计划中分成两个分野。对每一例PD验证计划，导出每个分野的计算图像和测量图像的DXF文件。对于测量图像的DXF文件，通过将两个分野DXF文件中两个数字矩阵相加，得到相应大野测量图像的DXF文件。对于计算图像的DXF文件，首先将每个分野DXF文件中的数字矩阵乘以相应的MU值，乘积结果矩阵记为M，然后将M矩阵相加，从而得到相应大野计算图像的DXF文件。最后将计算和测量两类DXF文件导回PD软件模块，然后使用PD的相应分析菜单和工具，从而实现对大野进行Gamma分析[7]。图1所示为两个分野合成一个大野的示意图。a和b两个分野的计算剂量分布合成大野c的计算剂量分布；d和e两个分野的测量剂量分布合成大野f的测量剂量分布。

图1 两个分野合成一个大野的计算和测量剂量分布示意图

1.4 统计分析与比较

11例PD验证计划，每例计划有18个分野，共计有198个分野，对应了99个大野。统计所有分野和大野Gamma通过率的最大值、最小值、平均值和标准差的数据。使用符号G表示射野的Gamma通过率，用ΔG表示分野和大野Gamma通过率的差异。ΔG=G (SF)-G (LF)，其中G （SF）和G（LF）分别表示分野和相对应大野的Gamma通过率值。对ΔG进行统计分析，除了统计最大值、最小值、平均值和标准差，还统计ΔG的绝对值大于3%和5%的个数及所占比例。对每一例PD验证计划，分别对18个分野和9个大野，统计最大值、最小值、平均值和标准差。对两种射野的上述四个统计参数，分别使用配对t检验进行比较分析，以P＜0.05为有统计学差异。

2 结果

对198个分野和99个大野，分别统计Gamma通过率（G）的最大值、最小值、平均值和标准差，统计结果列于表2。对分野和大野，分别统计不同范围G值的射野数目及所占百分比，统计结果如表3所示。对198个分野与相应大野的G值，使用配对t检验进行比较，两组数据没有统计学差异（P=0.095＞0.05）。

表2 所有分野和大野Gamma通过率的相关统计数据

表3 Gamma通过率相关数值的数目及所占百分比

对G值小于90%的射野进行详细分析。有一个大野（记为L1）的G值为88.69%，其对应的两个分野（分别记为S1-a和S1-b）的G值分别为99.92%和98.10%。有两个分野（分别记为S2-b和S3-b）的G值小于90%，分别为89.67%和88.09%，S2-b对应的S2-a和L2的G值分别为99.36%和95.46%，S3-b对应的S3-a和L3的G值分别为99.29%和95.78%，见图2。

图2 分野和大野Gamma通过率的差异（ΔG）

评价一个PD验证计划的结果，不只关注单个射野的数据，还要对所有射野的整体情况进行评价。对11例PD验证计划，计算每例计划分野和大野Gamma通过率的最大值、最小值、平均值和标准差。表4列出了平均值±标准差的数据。对两种射野（分野和大野）的上述四种参数分别使用配对t检验，结果显示除最大值（P=0.004＜0.05）外，最小值、平均值和标准差都没有统计学差异（P=0.550、0.230和 0.734＞0.05）。

表4 NPCPD验证计划分野和大野Gamma通过率的统计和比较

3 讨论

最初EPID的设计目标是解决临床上射野形状、位置和患者摆位验证的问题[8]。后来由于其具有较高的分辨率、较快的获取图像速度及良好的剂量响应特性，使得EPID在剂量验证方面的应用越来越广泛。朱金汉等[9]、李玉成等[8,10]、张朋等[11]，使用EPID进行了二维和三维剂量验证方面的研究。瓦里安的Portal Dosimetry（PD）系统，包含非晶硅EPID和PD软件模块，可用于IMRT和RapidArc放疗计划的剂量验证，可分析得到每个照射野（射弧）的剂量验证结果。黎旦等[12]、张基永等[13]、孟慧鹏等[14]、胡俏俏等[15]、王杰等[5]，使用PD系统对IMRT或VMAT计划进行了剂量验证，并与其他剂量验证设备的验证结果进行了比较。我们前期使用PD系统对NPC和宫颈癌的调强剂量验证计划进行了研究，其中对宫颈癌的研究中涉及了分野与总射野（大野）的PD剂量验证[7]，对NPC的研究中提出了使用计划的总射野评价PD剂量验证结果的方法[16]。

在射线出束过程中，瓦里安23EX、Clinac iX、Trilogy等加速器的MLC叶片可以运动，但是Carriage不可以运动，且MLC最大伸出范围为15 cm。因此当IMRT计划中靶区尺寸较大导致射野X接近15 cm时，射野会自动分野，原始的照射野（大野）会分成2～3个分野，每个分野有不同的Carriage位置。杨波等[17]、Wei等[18]、杨涛等[19]比较了调强分野与固定钨门技术在大靶区肿瘤放疗中的剂量学参数和治疗效率。本研究中，选取的每例NPC治疗计划均采用9野射野分布，每个射野均为大野，由治疗计划制作PD验证计划时每个大野分成两个分野。

由198个分野和99个大野Gamma通过率的统计结果可见，分野和大野整体的G值都比较高，表明这些NPC调强放疗计划射野参数的网络传输和治疗实施比较准确。由198个分野和相应大野的配对t检验结果可见，分野和大野的Gamma通过率没有统计学差异。由对三组个别射野（L1，S1-a，S1-b ；L2，S2-a，S2-b；L3，S3-a，S3-b） 的Gamma通过率的分析可见，两个G值偏小的分野合成大野的G值可能较大；G值较大的大野对应的其中一个分野的G值也可能偏小。由图1及表3中ΔG和ΔG绝对值的统计数据可见，分野和大野Gamma通过率的差异整体上较小，其中ΔG为0.26%±2.21%，ΔG的绝对值为1.38%±1.75%。由ΔG的统计还可见，绝大部分（大约95.98%）射野的ΔG值在-5%～5%的范围内，大部分（88.38%）射野的ΔG值在-3%～3%的范围内。由表1、表2及相应统计数据可见，11例PD验证计划，每例计划中大野Gamma通过率值的平均值都大于96.5%，分野Gamma通过率值的平均值都大于97%表明，这些PD验证计划的剂量验证数据结果较好。配对t检验的结果表明，对PD验证计划大野和分野分别统计的最小值、平均值和标准差都没有统计学差异（P＞0.05）。

综上所述，对于NPC固定野调强计划的PD剂量验证计划，分野和相应大野的Gamma通过率总体上差异较小，但也有极少部分分野和相应大野的Gamma通过率差异较大。对于每例PD验证计划所有射野Gamma通过率的平均值和标准差，分野和大野的数据结果没有统计学差异。本研究的数据和分析结果，可为物理师使用基于EPID的瓦里安PD系统评估NPC调强计划的剂量验证结果，提供了有益的参考依据。