SRS MapCHECK与EDOSE在立体定向放疗计划剂量验证中的对比

袁玲，刘颖，徐瑶瑶，张红利，张晓鹏，王鑫，石兴源

广州医科大学附属第五医院放疗科，广东广州 510700

前言

近年来，立体定向放疗（Stereotactic Radiotherapy,SRT）是放射技术的热点之一，包括立体定向外科手术（Stereotactic Radiosurgery,SRS）［1］和立体定向体放疗（Stereotactic Body Radiotherapy,SBRT）［2-3］，具有分次剂量大、射野面积小、剂量梯度陡峭等特点［4］，对直线加速器的机械质量控制和剂量验证设备的探测精度有很高的要求［5-6］。美国Sun Nuclear公司专门为SRT计划开发了一套剂量验证设备：SRS MapCHECK 系统，该系统是由1 013 个半导体组成的二维矩阵平板，是目前市面上空间分辨率较高的矩阵探测器，相邻半导体之间物理间距为2.47 mm，整个平板的探测面积为77 mm×77 mm［7-8］。广州瑞多思医疗公司开发的EDOSE剂量验证系统直接利用直线加速器自带的电子射野影像系统（Electron Portal Imaging Device,EPID）采集射线的信号，生成EPID影像，并转换成剂量分布［9］。以Varian Trilogy自带的EPID 设备为例，共有1 024×768 个有效像素点，有效探测面积为400 mm×300 mm，相邻探测点的间距为0.39 mm，空间分辨率几乎仅次于胶片的探测器。可见，SRS MapCHECK 系统和EDOSE 系统均适用于SRT计划的剂量验证［10］，本研究拟针对基于多叶光栅（Multi-Leave Collimator,MLC）的SRT 计划，比较这两种系统的优缺点。

1 资料和方法

1.1 病例资料

选取2019年3月～2020年11月期间29例行SRT的患者，其中脑转移14例，原发肺癌3例，肺转移10例，肝转移1例，胸膜转移1例。患者年龄为13～77岁，中位年龄55岁，平均年龄46.79岁。

1.2 实验材料与设备

1.2.1 设备材料电子直线加速器（美国Varian 公司Trilogy）6 MV FFF光子线，自带一套非晶硅平板探测器（美国Varian 公司IAS1000）。治疗计划系统为Eclipse 13.6。

SRS MapCHECK（美国Sun Nuclear公司）剂量验证系统包括MapCHECK平板探测器、StereoPHAN模体和SNC Patient 分析软件。在剂量验证之前，将SRS MapCHECK 插入StereoPHAN 模体，并在Phliips Brilliance Big Bore CT模拟机行CT扫描，扫描参数为120 kV、350 mAs；最后CT 图像经网络转输至Eclipse TPS，患者的治疗计划移植到此CT图像，即可开展下一步的剂量验证工作。

EDOSE剂量验证系统（广州瑞多思医疗有限公司，EDOSE V5.0）有一套虚拟圆柱形模体的CT图像（电子密度为1.00 g/cm3，直径28 cm，高度28 cm），将此CT图像导入Eclipse TPS，并移植患者的治疗计划，生成验证所需的计划剂量在虚拟模体深度为14 cm处XY平面的累积剂量。

1.2.2 校准剂量验证设备根据国家规程对Varian Trilogy直线加速器进行刻度［11-12］，然后按美国医学物理学家学会（AAPM）的TG-142和TG-58号报告对Trilogy加速器的EPID设备进行质量控制［13-14］。

首先，采用三维水箱验证直线加速器的射线平坦度和对称性，测量中心轴百分深度剂量与射野中心轴的离轴比曲线，使得离轴比曲线的平坦度和对称性在误差范围内。具体操作步骤为：采用IBA三维水箱结合CC13指形电离室（2个）及其他配套工具，将静电计固定于加速器出射线位置2 m以上的位置；调节水箱的水平（使探头在水箱中水平运动的深度偏差在1 mm内）；调节运动偏差（探头沿中心轴，即AB和GT方向上运动偏差在1 mm内）；设置探头零点位置，修正电离室的测量深度；水面SSD为100 cm时，测量中心轴百分深度剂量，再开10 cm×10 cm 的射野，测量电离室位于水下10 cm时的射野中心轴的离轴比曲线。

然后，采用IQA质控软件（广州瑞多思医疗有限公司）将EPID升高至SSD100 cm处，开10 cm×10 cm的射野，对在6 MV FFF射线100 MU时获取的剂量影像进行平坦度和对称性分析，保证EPID测量得到的平坦度和对称性与三维水箱数据一致（误差范围内）。

最后，EDOSE根据TPS在虚拟圆柱形模体上计算的方野剂量的三维分布提取百分深度剂量信息，推算虚拟圆柱形模体其他厚度的平面剂量（对于直径为28 cm 的圆柱形模体，为厚度14 cm所在平面）。接下来进行EDOSE剂量验证系统的物理建模（此模型命名为M_0），具体操作如下：将Varian Trilogy直线加速器的治疗床远离射线照射区域，EPID板调整到等中心平面，在6 MV FFF 模式下，利用EDOSE 系统分别用采集2 cm×2 cm、4 cm×4 cm、6 cm×6 cm、10 cm×10 cm方野的基于EPID的剂量分布；然后Ecplise TPS模拟生成上述相同照射条件下的TPS剂量分布，在EDOSE系统中，匹配EDOSE剂量分布与TPS剂量分布，调整模型参数，使得它们的百分深度剂量曲线、离轴曲线（Profile）和输出因子（Scp）尽可能重合。Dose二维治疗前模型假定EPID为均匀的水模体，EPID采集的信号定义为水模体中心层面的剂量，通过提取TPS的百分深度剂量信息将水模体中心层面的剂量换算到圆柱形模体中心层面的平面剂量。其中EPID的剂量［15］分布表示为：

虚拟模体中平面剂量分布Dij表示为：

其中：

式中，K1(dij)为EPID的散射核；(dij)为虚拟模体散射核；虚拟卷积核K3(dij)和高斯分布函数f(rij)对相对剂量进行修正。参数μ1、μ2分别描述散射核靠近原点中心快速跌落部分、远处拖尾缓慢下降部分；参数c1、c2分别为EPID散射核与虚拟模体散射核的系数；参数cr为高斯分布函数的系数。通过调整这4个参数（μ2、c1、c2、cr）来调整模型计算虚拟模体中心层面的剂量分布。

SRS MapCHECK系统的校准过程如下：首先进行SRS MapCHECK 探测器的矩阵刻度，然后将它插入StereoPHAN模体中，调整治疗床使得探测器的中心与机械等中心重合，6 MV FFF能量的5 cm×5 cm方野出束200 MU，在MapCHECK系统中输入TPS模拟计算得到的探测器中心点剂量，即可完成校准工作。

1.3 不同方野的剂量验证

方野的剂量验证是考察验证设备及系统可靠性的第一步，是开展患者治疗计划验证的前提。本实验利用Ecplise TPS，在EDOSE虚拟圆柱形体模中设计一些方野（2 cm×2 cm、4 cm×4 cm、6 cm×6 cm）的单野照射计划，以体模中心为计划中心，能量为6 MV FFF，机架角度和准直器角度均为0°，每个方野的机器跳数均为100 MU，计算剂量并导出体模等中心平面的剂量分布（TPS剂量分布）；然后将Varian Trilogy直线加速器的治疗床远离射线照射区域，EPID板调整到等中心平面，执行上述方野的计划，EDOSE系统获取它们的剂量分布（EDOSE剂量分布）；最后在EDOSE系统中比较分析TPS剂量分布与EDOSE剂量分布的绝对剂量γ通过率（3%/3 mm）。同样利用Ecplise TPS，以StereoPHAN模体的MapCHECK探测器中心为计划中心，设计上述方野的计划，按上述相同的照射条件计算剂量并导出RD剂量文件，Varian Trilogy直线加速器执行计划，MapCHECK系统采集剂量分布，SNC Patient软件导入RD剂量文件，设置坐标，获取等中心平面的TPS剂量分布，与MapCHECK剂量分布进行比较，计算两者的绝对剂量γ通过率（3%/3 mm）。

1.4 SRT计划的剂量验证

29例基于MLC的SRT计划均由Ecplise V13.6 TPS设计，使用6 MV FFF能量，3～6个非共面弧，铅门大小均大于3 cm×3 cm，分次剂量为6～12 Gy，治疗次数为1～7次。在Ecplise V13.6 TPS中，以EDOSE虚拟圆柱形模体的中心为计划中心，将29例SRT计划分别移植到该模体中，计算剂量并导出它们在等中心平面的剂量分布（TPS剂量分布），按上述验证方野剂量的摆位条件，Varian Trilogy直线加速器执行29例SRT计划，EDOSE系统获取它们的剂量分布（EDOSE剂量分布），最后在EDOSE系统中分析每一个计划的TPS剂量分布图与EDOSE 剂量分布的绝对剂量γ 通过率，γ标准有3%/3 mm、3%/2 mm、3%/1 mm、2%/2 mm、2%/1 mm、1%/1 mm。同样利用EcpliseTPS，以StereoPHAN模体中的MapCHECK探测器中心为计划中心，将29例SRT计划分别移植到模体中，计算剂量并导出RD剂量文件，Varian Trilogy直线加速器执行计划，MapCHECK系统采集剂量剂量分布，SNC Patient软件从RD文件中获取等中心平面的TPS剂量分布，与MapCHECK 剂量分布进行比较，计算两者的绝对剂量γ通过率，γ标准有3%/3mm、3%/2 mm、3%/1 mm、2%/2 mm、2%/1 mm、1%/1 mm。

1.5 不同物理模型对EDOSE剂量验证的影响

EDOSE系统是通过射线追踪和迭代计算法方法，将EPID采集的影像转换为虚拟圆柱形体模表面的射野通量，再结合物理师建立的机器物理模型，通过筒串卷积算法得到模体等中心平面的剂量分布。可见，物理师建立的物理模型能否准确地反映直线加速器的物理性能，对生成模体等中心平面的剂量分布有很大的影响。EDOSE系统主要通过调整4个参数（μ2、c1、c2、cr），使得EDOSE系统的物理模型尽可能地吻合加速器的物理性能。而这4个参数有许多不同的组合，受个人知识与经验等主观因素的影响，不同物理师可能会建立不同的EDOSE物理模型，造成同一计划的剂量验证结果也可能不一样。为此，广州医科大学附属第五医院的3名物理师独立地建立各自的EDOSE物理模型（分别命名为M_1、M_2、M_3），与本文第1.2节介绍的物理模型M_0，一共4个不同的物理模型。在EDOSE系统中，分别对29例SRT计划计算基于不同物理模型的γ通过率（3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm）。

1.6 统计学分析

使用SPSS V26.0软件对29个SRT计划的EDOSE系统的γ通过率与MapCHECK系统的γ通过率进行配对t检验，P<0.05表示结果有统计学差异；以M_0模型的γ通过率为基准，对它与其余模型的γ通过率行配对t检验，P<0.05表示结果有统计学差异。

2 结果

2.1 方野的剂量验证结果比较

SRS MapCHECK对方野2 cm×2 cm、4 cm×4 cm、6 cm×6 cm、10 cm×10 cm的绝对剂量γ通过率（3%/3 mm）均为100%；EDOSE系统的绝对剂量γ通过率（3%/3 mm）稍低，但均大于91%，且随着方野面积的增大，γ通过率增加。详见表1。

表1 SRS MapCHECK 与EDOSE的方野绝对剂量γ通过率比较（%）Table 1 Comparison of gamma passing rate of absolute dose for square fields between SRS MapCHECK and EDOSE(%)

2.2 29例SRT计划的剂量验证结果比较

SRS MapCHECK系统在29例SRT计划的绝对剂量γ通过率均高于EDOSE系统，具有统计学意义（P<0.05），两者的γ通过率（3%/3 mm、2%/2 mm、1%/1 mm）分别相差0.14%±0.26%、2.07%±2.27%、15.25%±10.6%。详见表2。

表2 SRS MapCHECK 与EDOSE的29例病例绝对剂量γ通过率比较（%,±s）Table 2 Comparison of gamma passing rate of absolute dose for 29 cases between SRS MapCHECK and EDOSE(%,Mean±SD)

表2 SRS MapCHECK 与EDOSE的29例病例绝对剂量γ通过率比较（%,±s）Table 2 Comparison of gamma passing rate of absolute dose for 29 cases between SRS MapCHECK and EDOSE(%,Mean±SD)

系统SRS MapCHECK EDOSE P值3%/3 mm 99.76±0.39 99.62±0.33 0.013 3%/2 mm 99.45±0.89 98.55±1.17 0.001 3%/1 mm 96.94±2.67 89.95±4.54 0.000 2%/2 mm 98.60±2.14 96.53±2.41 0.000 2%/1 mm 93.34±5.04 83.62±6.45 0.000 1%/1 mm 87.25±7.61 72.00±8.78 0.000

2.3 4个不同物理模型对EDOSE剂量验证结果的影响

以物理模型M_0为基准，其它3个模型与M_0均有统计学意义（P<0.05），平均γ通过率（2%/2 mm）的偏差分别是5.1%（M_1vsM_0）、1.8%（M_2vsM_0）和1.8%（M_3vsM_0）。详见表3。

表3 EDOSE的4个模型的比较Table 3 Comparison among 4 EDOSE physical models

3 讨论

为保证放疗的实施安全，所有调强放疗计划在用于患者治疗之前，均需在直线加速器上对其剂量分布进行验证。当计划剂量验证的γ 通过率（3%/3 mm）大于90%时，该计划才能用于治疗［16-17］。SRT技术具有分次剂量大、剂量梯度陡、射野面积小的特点，在小体积的肿瘤，特别是靶区与危及器官距离较小的肿瘤中的应用越来越广泛，对剂量验证设备的能量响应灵敏度、稳定性、空间分辨率等方面提出了极高的要求［18-19］，本研究使用的SRS MapCHECK系统采用半导体探测器，灵敏体积小且响应灵敏，很适合SRT计划的剂量验证。EDOSE系统的探测器即为直线加速器自带的EPID设备，已有文献证实EPID设备在剂量验证方面的可行性，EPID的空间分辨率极高，仅次于胶片，能量响应灵敏，能满足SRT计划验证的要求。

从实验结果来看，SRS MapCHECK 系统在29 例SRT 计划的绝对剂量γ 通过率（3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm）均大于基于EPID 的EDOSE 系统，均满足AAPM TG-218号报告［20］计划验证要求，且两者通过率具有统计学差异，本研究认为第一个原因是EDOSE的物理模型差异造成的。EDOSE软件根据EPID测量得到的剂量结合式（1）和（2）计算出虚拟模体等中心层面的剂量，通过调整参数μ2、c1、c2、cr来确定EPID与虚拟模体的卷积核，参数的设置会影响计算公式的卷积核，进而影响计算得到的虚拟模体中心层面的剂量结果，这可能导致推算得到的剂量与TPS计算得到的剂量存在一定差异。第二个原因是EDOSE剂量验证系统依赖EPID采集的图像信息并非是直接测量得到的绝对剂量，而是通过采集直线加速器出束时引起的电信号，生成EPID图像再转换成剂量分布，最后与TPS计算的计划剂量分布进行对比。在信号传输和转化过程中，EPID的剂量响应特性会对剂量和剂量率的响应产生一定误差［21-22］，增加EDOSE剂量验证系统推算得到的虚拟模体中心层面的剂量结果误差，进而导致γ通过率降低。第三个原因是EPID设备的机械偏差，有文献表明EPID在不同机架角度时会有不同的机械偏差，若偏差1 mm时，对测度距离1 mm的γ通过率有影响，若偏差2 mm，则对测度距离2 mm以下的γ通过率有影响，以此类推。

为了保证使用EPID进行剂量验证的可靠性和准确性，需要加强EPID的质量控制，定期采用IQA质控软件采集EPID集合数据或者发现同批测试的验证计划通过率均降低时需要检查机械运动、稳定性、图像质量等项目。在临床应用中，物理模型的建立受人为因素影响较大，在应用某一物理模型进行治疗计划验证前，必须反复验证。EDOSE计划验证系统的最优物理模型应与直线加速器的物理性能相吻合，使得TPS计算得到的验证计划与机器实施出束的剂量相同，保证剂量的准确性。最优模型的建立需要严格执行设备的质控，采集大量的数据，找到最优的参数组合，使得EDOSE的物理模型计算得到的结果与实际剂量相同。

本研究通过采用SRSMapCHECK和EDOSE剂量验证软件结合EPID采集设备对不同方野及29例SRT计划进行绝对剂量验证比较，发现在临床实际应用中，SRS MapCHECK与EDOSE各有优势，均可用于验证SRT计划。SRS MapCHECK通过1 013个N型半导体探测器直接采集SRT计划剂量，不需要考虑剂量和剂量率的响应以及图像与剂量转化的问题，只需要保证探测设备的准确连接和精确摆位，就可以直接得到剂量验证结果。EDOSE软件是基于EPID采集的射线信号来计算剂量验证通过率的，其中EPID在放疗中具有良好的剂量和剂量率线性，且具有很好的重复性，没有角度响应，无需设备连接和摆位，自动化程度高，操作简单方便，节省验证时间，但需定时对EPID的响应特性、稳定性等项目进行检测校准。在EPID各项性能符合标准的情况下，EDOSE剂量验证软件需要结合实际使用的直线加速器及自带的EPID的特性建立合适的物理模型便可用于计划剂量验证。本研究病例数较少，并未单独将SBRT计划及SRS计划、对于单中心多靶点计划及单中心单靶点的计划计划分类进行剂量验证比较。

未来工作将采集更多病例并对病例进行分类，且进行多种设备验证比较，并从计划验证通过率的原理上分析多种设备对于SBRT、SRS计划的优劣，为临床选择合适的验证设备提供依据，为SRT计划的准确性提供保障。