呼吸门控放射治疗中时间延迟的测量方法

吴泇俣，嵇卫星，张建英

复旦大学附属中山医院 放疗科，上海 200030

引言

随着调强放射治疗、立体定向放射治疗等技术的发展，放射治疗进入了“精准放疗”的时代[1]。精准放疗可使靶区内剂量更高、分布更均匀，以获得更大的治疗增益比[2]。在放射治疗过程中，呼吸运动导致的肿瘤位移会对实际治疗剂量的分布造成影响；尤其随着高剂量率照射技术的广泛应用，呼吸运动的影响不可忽视[3-6]。研究表明，呼吸运动曲线的峰-峰值为20～30 mm，胸及腹部放疗受呼吸运动的影响较明显[7]。根据AAPM TG-76号报告的建议，对肿瘤运动幅度较大患者的呼吸运动进行管理十分必要[8-9]。临床上常见的有屏气技术、呼吸门控技术、动态肿瘤跟踪技术等呼吸运动管理技术[10-12]。在呼吸门控放射治疗中，患者全程自由呼吸[13]，技术人员设置门控窗即每个呼吸周期中进行照射的范围，在治疗中对患者呼吸运动进行监测，反复在门控窗对应的固定时相或振幅范围内进行照射[14-15]。呼吸运动的监测可使用立体X线成像技术对体内肿瘤标记物进行定位追踪，也可对体外的标记物进行定位作为体内肿瘤运动的替代[8,16-20]。

如图1所示，在呼吸门控放射治疗中，获取呼吸信号、产生控制信号、加速器接收且对控制信号响应并打开/关闭射束等环节均可能存在时间延迟；各环节时间延迟的总和被称为呼吸门控系统时间延迟[21]。若推迟打开射束或提前关闭射束可能导致治疗效率低下，若提前打开射束或推迟关闭射束则可能导致“靶区丢失”而增加风险[17]。AAPM TG-142号报告建议年检中应对呼吸门控系统的时间延迟进行检测，为保证空间位置的不确定性在±2 mm内，所以在肿瘤以不大于20 mm/s的速度运动时，时间延迟应不大于100 ms[22]。AAPM TG-198号报告对在加速器上执行测量给出建议，利用运动模体模拟运动、通过胶片或电子射野影像装置（Electronic Portal Imaging Device，EPID）等可测量时间延迟[23]。目前，有不少研究对不同型号的直线加速器以及呼吸门控系统的时间延迟进行测量，为能够选择一种快速且准确的测量方式用于呼吸门控系统的日常质控，本文对文献中时间延迟的测量方法进行了整理总结。

图1 呼吸门控系统的时间延迟示意图

1 常用的测量方法

放射治疗中常见的商用呼吸门控系统有RPM系统（Real-Time Position Management，Varian Medical Systems，美国）、Catalyst系统（C-RAD AB，瑞典）、SyncTraX系统（Shimadzu，日本）等，与不同型号医用直线加速器组合用于呼吸门控放疗。在对组合系统的时间延迟进行测量时，常用工具有运动模体和胶片、EPID、电离室、示波器等。

1.1 基于空间位移的测量方法

Jin等[24]提出通过比较EPID和呼吸运动监测系统分别记录的标记物运动曲线在时间上的差获得时间延迟。测量时，使用6%的门控窗大小，相较于呼吸运动的速度认为EPID采集的为标记物的瞬时位置。在不同门控水平、相同门控窗大小的条件下，测量多组标记物位置和对应时间点的数据，绘制成时间-位移图像，将其与红外相机记录的标记物运动曲线匹配并计算在时间轴上的相对距离可得到系统的时间延迟。

Woods等[21]的方法也使用EPID记录运动标记物的位置，但计算时间延迟的方法不同，其测量中，将一个静止状态位于等中心点的标记物放置在速度可调节的运动模体上，记录同一门控水平、不同速度下标记物的位置并计算与等中心位置之间的位移。速度-位移曲线可以用公式(1)表示。

其中，y表示位移，v表示速度，τ则表示时间延迟，b是修正项。对记录数据进行线性拟合，线性方程的斜率即为时间延迟。这种方法通过多次测量不同运动速度下的位移进行拟合，且每一次改变速度时保持门控窗和门控水平相同，能够提高测量的准确性和可重复性。

Smith等[25]提出了一种测量呼吸运动周期的不同阶段胶片曝光长度并与理论运动位移对比计算时间延迟的方法。如图2所示，将运动周期分为4个部分，即AB、BC、CD、DE。利用呼吸门控使胶片在一个运动周期的4个部分分别曝光。胶片上每一段曝光部分的长度理论上应为运动振幅的一半，因存在时间延迟，实际长度或短或长。在已知运动模体的速度时，通过长度的差值即能够计算时间延迟。认为A、C和E为较稳定的点，不会随着时间延迟的变化而移动，而B点和D点为能够观测到时间延迟的点，因此由AB段和DE段胶片曝光部分长度与理想长度差异计算出的是关闭射束时的时间延迟，而BC段和CD段对应的是打开射束时的时间延迟。

图2 呼吸运动曲线的分段示意图

Chugh等[26]也使用了相同的方法，在测量中对运动周期中的AB段、BC段分别进行了曝光以测量关闭射束和打开射束的时间延迟。Freislederer等[27]也使用类似的方法在50 %门控水平下测量了系统的时间延迟。

Chang等[28]提出了一种使用胶片进行单次曝光即可测量呼吸门控时间延迟的方法。原理如下：运动模体以周期为T的正弦函数运动，呼吸门控设置有固定门控窗，表示为θ1和θ2，其对应的距离L0为理论胶片曝光部分的长度；因时间延迟导致的相对门控窗的偏移可以分别用角度α和β表示，实际开、关射束位置对应的距离为胶片曝光部分的长度Lm。正弦函数在固定周期内有恒定的角速度，则胶片理论曝光长度（L0）与实际长度（Lm）之间的关系与开、关射束的时间延迟Tbeam-on、Tbeam-off可表示为式(2)～(4)。

测量距离时，以胶片曝光部分两端局部最大强度一半处的两点之间的距离作为Lm，根据公式(2)～(4)计算时间延迟。使用单次曝光的方法获得呼吸门控的时间延迟，需假设Tbeam-on和Tbeam-off的值相同（即α=β）；若Tbeam-on和Tbeam-off不相同，可以设置不同的门控窗进行2次或以上的曝光以获得α和β的值，使用最小二乘法计算时间延迟。

一般情况下，医用直线加速器射束打开的时间延迟大于射束关闭的时间延迟[29]。除前两种方法外，以上其余方法均能够分别测量射束打开、关闭时的延迟；这些方法需测量胶片曝光部分的长度，所以对胶片曝光部分边缘的清晰度有较高的要求[30]。部分方法在测量时需要使用锥筒保证曝光部分为细长条，锥筒在使用时会存在半影，当与空间测量中一定的不确定性对应的强度变化能够被检测到时，测量方法才可行[28]。除半影外，模体运动的速度等因素也可能导致曝光部分边缘模糊而引起测量误差。

1.2 基于剂量拟合的测量方法

Chen等[31]提出一种剂量卷积拟合法测量时间延迟的方法，利用最小二乘法评估理论计算的剂量曲线与实际胶片测量的剂量曲线的差异，并且寻找最优解以获取呼吸门控的时间延迟。实际测量时，在运动模体上放置胶片，采用方形射野在对应门控窗内对胶片进行曝光，使用胶片分析软件读取得到实际剂量曲线。理论计算模拟了实际射束使胶片曝光的过程，用公式(5)表示模体的运动曲线。

其中，a为运动曲线最大值和最小值之间的差值，T为运动周期的一半，b为运动曲线的最大值。依据测量得到的静止状态下的剂量曲线、呼吸周期的数量以及加速器脉冲信号之间的间隔可以获得加速器每一个脉冲的剂量曲线f(x)；根据运动曲线和脉冲信号时间间隔可以获得每一脉冲从加速器出射时所处的位置xn，它可以用公式(6)表示。

其中ton表示射束打开的时间，toff表示射束关闭的时间；结合xn和狄拉克函数δ(x)则得到g(x)，见式（7）。

将g(x)与f(x)进行卷积运算，则可以得到整个呼吸门控照射的剂量曲线。将射束打开和关闭的时间看作变量ton’和toff’，在门控水平对应的时间范围内以Δt为时间间隔可以获得多组ton’和toff’；通过最小二乘法寻找它们的最优解就代表了实际的射束打开和关闭的时间，与理论时间相比就可得到射束打开和关闭的时间延迟。

这种基于卷积计量拟合的方式对胶片对比度没有高要求，不依靠对胶片曝光部分边缘的识别，相较于使用胶片测量运动距离的方式，其准确性更高[31]。

1.3 基于辐照时间的测量方法

Cui等[32]通过测量实际出束和关闭射束的时间来计算时间延迟。测量中，通过IBA MatriXX 平板探测器对加速器出束进行探测，测量有门控和非门控时开、关射束之间的照射时间。测量完成后，根据公式(8)～(9)计算即可得到结果。

Evans等[33]在对占空比进行测量时采用了与Cui等[32]相似的方法。实际占空比等于实际门控辐照时间与非门控辐照时间的比值，理论占空比等于门控窗对应的辐照时间与呼吸周期的比值。测量时，使用IVC（Single Pulsemeasurement Ionization Chamber）记录非门控照射时间和门控照射时间，进一步计算即可得到呼吸门控的时间延迟。

Santos等[34]利用相同的原理，使用模体、马达、单片机、光电二极管等制作了一个运动模体，并且基于Matlab编写了分析软件。通过导入RPM系统的*.VXP文件，计算测量的照射时间与门控窗对应理论值的差值，减去自制模体自身带来的时间延迟即可得到呼吸门控的时间延迟。

上述方法基于对照射时间及非照射时间的监测完成，它们不会区分打开或关闭射束的时间延迟，但相比于使用胶片、EPID的方法，其便捷性有所提升。

1.4 基于系统内部信号的测量方法

Saito等[29]通过比较监测电离室信号与呼吸监测系统测得的呼吸信号来获取时间延迟。实际测量时，以呼吸监测系统反馈的呼吸信号作为原始参考信号。参考信号、ResponseTM模块输出信号和电离室输出信号都是电压-时间的函数，通过多通道示波器即可以观察和分析得到时间延迟。Shiinoki等[35]使用类似方法测量了非均整模式和均整模式下不同射束能量对应的呼吸门控时间延迟。Ryan等[36]通过示波器记录比较运动模体的信号与加速器金属靶的电流信号得到时间延迟。

从系统内直接获得信号的方法能够轻松观测到每一阶段的时间延迟，便于记录和分析，除此之外，其准确性也更高。

2 结论

如表1所示，不同的加速器使用相同的呼吸门控系统、相同的加速器使用不同的呼吸门控系统、相同的加速器及呼吸门控系统使用不同的门控水平及门控窗和剂量率模式等情况都会对呼吸门控放射治疗中时间延迟造成影响。对于医用直线加速器，加速器开、关射束的时间延迟是影响呼吸门控系统精准性的主要因素[27]。对放射治疗精准化的要求使得呼吸门控在临床中的应用越来越多。任何门控设备在临床使用前或使用中均需测试其延迟时间，以评估其系统是否适合用于门控放疗；同时，对测量方法的规范也是必不可少的。测量方法的复杂程度、测量的精度以及对工具硬件的要求各不相同，根据临床需求选择适合的测量方法可以达到准确且快速测量呼吸门控放疗时间延迟的目的。

表1 呼吸门控时间延迟的测量结果