Mobius自动验证系统在容积旋转调强放疗验证中的应用研究

袁维，张月美，路咏凯，何瑞欣，唐丰文，李毅

西安交通大学第一附属医院 放疗科，陕西 西安 710061

引言

放射治疗在肿瘤综合治疗中发挥着重要作用，治疗疗效与剂量实施精准程度密切相关。随着放疗技术的发展，调强放射治疗（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）和容积旋转调强放射治疗（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）已成为目前临床应用最广泛的技术。与IMRT 相比，VMAT 是一种动态弧形调强技术，治疗过程中在加速器机架旋转的同时多叶准直器（Multileaf Collimator，MLC）形状、剂量率、机架旋转速度根据计划参数动态调整，在较短时间内完成治疗，以产生高治疗增益比[1]。为保证精准放疗，VMAT 技术的复杂性使得放疗前实施计划验证尤为必要[2]。基于模体的ArcCheck、Delta4 验证系统是目前临床最常用的三维VMAT 验证工具[3]，然而基于均匀等效模体的验证缺乏患者特异性，且在实施过程中并不能排除人为摆位偏差、设备状态对其结果的影响，同时在验证前需要重新制定验证计划，耗时且程序复杂，对于临床计划任务多的科室无法满足快速验证的需求。

Mobius 独立调强验证系统使用从治疗计划系统（Treatment Planning System，TPS）导出的计划治疗参数和患者CT 数据结构集采用独立卷积叠加（Collapsed Cone Convolution Superposition，CCCs）算法进行重新剂量计算以完成对患者计划3D 剂量验证，支持临床过程中IMRT 和VMAT 计划验证检查，确保患者获得高质量治疗[4-5]。对于Mobius 系统准确性和可行性方面已有研究者进行了相关研究，如前期有研究者评估了Mobius系统作为评估TPS 剂量计算二次检查的可行性[5-8]，近期的研究多集中在与传统基于模体验证设备的比较[9-13]或引入系统误差[4,14]基础上研究Mobius 可靠性和灵敏度，目前国内对此方面的研究还较少。虽然对Mobius系统整体的准确性和可行性有了评估，但缺乏Mobius系统对影响其结果因素和特征的研究。基于此，本研究首先利用Mobius 软件对来自TPS 不同部位肿瘤计划剂量计算进行二次核查，并以常用的Delta4 三维验证设备作为参考，旨在探究Mobius 自动验证系统在VMAT 计划验证中的应用可行性，以期为Mobius 自动验证系统在VMAT 验证的应用提供技术参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料

随机选择2021 年4 月至2022 年1 月在西安交通大学第一附属医院接受VMAT 的患者90 例，其中头颈部30 例（鼻咽癌9 例、胶质瘤11 例、颌面部肿瘤10 例）、胸部肿瘤30 例（乳腺癌13 例、肺癌7 例、食管癌10 例）、盆腔肿瘤30 例（前列腺癌10 例、宫颈癌20 例）。所有VMAT 计划均满足临床剂量要求。

1.2 仪器与方法

1.2.1 仪器设备

本研究主要设备为Synergy 直线加速器（医科达公司，瑞典）、Monaco5.11.03 计划系统（医科达公司，瑞典）、Delta4 剂量验证系统（ScandiDos 公司，瑞典）和Mobius 调强验证软件（瓦里安公司，美国）。

Mobius 验证软件是集剂量验证和治疗实施质量保证于一体的质控系统，使用CCCs 算法对经网络传输至服务器内的患者CT 影像结构数据集和加速器日志文件（包括机架参数、MLC 位置等剂量参数文件）进行重新计算，生成3D 剂量，并与计划系统剂量进行γ 分析[9]。3D γ 通过率显示了覆盖在患者CT 影像上的剂量和γ 水平。Delta4 剂量验证系统由一个22 cm×40 cm 圆柱形模体、校准模体、1 块探测器主板、两块翼板、连接盒、分析软件及辅助摆位小推车组成。圆柱形模体内部由主板和翼板共1069 个P 型半导体阵列正交分布组成，中心6 cm×6 cm 区域探头间距离5 mm，区域外探头间距10 mm，每探测器面积为0.78 mm2[15-16]，验证时由物理师将模体摆位在治疗床上进行测量。

1.2.2 计划设计

所有患者VMAT 计划均在Monaco5.11.03 计划系统上采用蒙特卡洛算法设计完成，采用6 MV X 射线，在Synergy 加速器上执行，计划流程均符合临床治疗要求，处方剂量线至少覆盖95%以上靶区，危及器官满足肿瘤放射治疗组剂量限量要求。

1.2.3 验证方法

（1）基于Mobius 系统验证：将用于患者治疗的VMAT 计划，包括Images、Structure set、Total plan dose通过网络传输至Mobius 工作站，软件经过重新计算后给出与TPS 的剂量学差异；读取首次出束机器日志文件且经过计算后给出计划整体γ 通过率（图1a）。Mobius自动验证软件系统使用CCCs 算法对经过Monaco 计划系统MC（Monte Carlo）算法设计传输过来的90 例不同部位VMAT 计划进行二次独立剂量计算，其中靶区覆盖度指90%剂量线覆盖靶区体积，对应剂量学差异（Diff）=（Mobius-TPS）/TPS×100%。

图1 两种验证设备图示

（2）基于Delta4 系统验证：Delta4 使用前对其在测量机器下进行相对、绝对剂量校准和方向性校准；测量前对加速器进行剂量校准，避免因设备误差对结果造成干扰。在TPS 中将患者治疗计划移植到CT 扫描的Delta4 模体并归一到水中重新进行剂量计算产生质量保证（Quality Assurance，QA）计划，将计划中总计划剂量、每单个射野剂量导出至Delta4 软件；验证时将模体摆位在治疗床上，通过网络连接至Delta4 软件电脑，通过Mosaiq 放疗管理系统调取患者预放疗计划出束进行测量验证，验证结束后软件通过对测量剂量和QA 计划剂量进行γ 比较分析得出结果（图1b）。

1.3 统计学分析

采用SPSS 22.0 软件对不同部位肿瘤VMAT 计划在二次检查中两种算法靶区平均剂量、靶区覆盖度差异进行单因素ANOVA 分析；对Mobius 系统和Delta4 设备不同评估标准下γ 通过率行配对t检验，所有数据以±s表示，以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 不同部位肿瘤VMAT计划两种不同算法下靶区剂量学参数差异

Mobius 自动验证软件系统使用CCCs 算法对经过Monaco计划系统MC算法设计传输过来的头颈部、胸部、盆腔部VMAT 计划进行二次独立剂量计算，计算结果如表1 所示，两种算法VMAT 计划靶区剂量学差异整体均满足临床剂量学要求（＜3%），但不同部位肿瘤间有统计学意义（P=0.013、0.003）；靶区平均剂量和覆盖度差异绝对值为头颈部＞胸部＞盆腔部，且Mobius 软件比Monaco TPS VMAT 计划计算剂量普遍偏低。

表1 不同部位两种剂量算法靶区剂量学参数差异统计分析（±s，%）

表1 不同部位两种剂量算法靶区剂量学参数差异统计分析（±s，%）

部位平均剂量靶区覆盖度头颈部-0.91±1.40-1.71±1.70胸部-0.83±1.36-1.63±1.67盆腔部-0.81±0.67-1.42±0.76 F值4.6046.214 P值0.0130.003

2.2 两种验证设备不同标准下γ通过率

Mobius 和Delta4 两种设备不同评估标准下90 例VMAT 计划验证γ 通过率如表2 所示，由表2 可知，Mobius/Delta4 两种设备头颈部、胸部、盆腔部3%/3 mmγ 通过率均大于95%，满足临床要求；3%/2 mm γ 通过率为94.57%/96.27%、92.14%/95.37%、96.31%/96.72%，高于90%；而2%/2mm γ 通过率普遍低于90%。两种设备在胸部VMAT 计划通过率一致性具有统计学差异（P＜0.05）。1 例胸部VMAT 计划两种设备3%/3 mm γ 通过率结果图如图2 所示。

表2 两种验证设备不同部位不同标准下计划γ通过率统计分析（±s，%）

表2 两种验证设备不同部位不同标准下计划γ通过率统计分析（±s，%）

部位标准Delta4Mobiust值P值头颈部3%/3 mm 98.71±1.40 98.49±1.75 0.608 0.548 3%/2 mm 96.27±2.70 94.57±3.80 1.970 0.059 2%/2 mm 89.57±4.99 88.61±6.36 0.615 0.544胸部3%/3 mm 97.84±1.57 95.99±2.05 4.233 ＜0.001 3%/2 mm 95.37±3.44 92.14±2.99 4.488 ＜0.001 2%/2 mm 89.80±4.81 84.14±5.44 4.440 ＜0.001盆腔部3%/3 mm 98.30±1.40 98.49±0.90 -0.532 0.599 3%/2 mm 96.72±2.58 96.31±2.81 0.645 0.524 2%/2 mm 89.98±5.81 88.82±4.46 0.842 0.407

图2 1例胸部VMAT计划两种设备3%/3 mm γ通过率结果图

3 讨论

放射治疗中患者体内剂量计算包含了系统固有的不确定性、不准确性、局限性以及随机误差的可能性，研究表明，高度调制或复杂的VMAT 技术可能导致计划剂量分布和实际测量剂量分布之间存在差异[2]，治疗技术和计划设计复杂性的增加对物理QA 提出更加全面的要求。

一个基于患者特异性的全面QA 计划应该检测到整个放射治疗过程中可能发生的任何临床相关潜在错误，从而进行优化改进。前期研究发现，Mobius 自动验证软件系统不仅可以利用专有CCCs 算法和参考数据集对TPS 输出的治疗计划进行二次独立剂量核查，还可以对基于加速器日志文件进行γ 通过率分析并给出报告[17]。本研究评估了本单位Mobius 软件在VMAT 验证中的应用情况，并与现有基于模体测量的Delta4 设备γ通过率进行比较分析。在进行应用研究时，首先对TPS输出的不同部位肿瘤计划剂量计算进行了二次核查，通过对两种系统靶区平均剂量和90%覆盖度差异来研究Mobius 软件剂量计算的可靠性。结果发现，虽然不同部位VMAT 计划两种算法下靶区剂量学差异具有统计学意义，但偏差均满足临床剂量学差异小于3%的要求，其中盆腔部位差异最小，分析原因可能是MC 算法和CCCs 算法对组织密度变化处理不同。Mobius 算法的可靠性为两种设备比较提供了基础，γ 分析是将点剂量差异与距离一致性相结合的评估方法。在对Mobius和Delta4 不同评估标准下γ 通过率研究时可以看出，3%/3 mm 标准时两种验证设备γ 通过率均大于95%，符合临床验证要求，而2%/2 mm 由于过于严苛未能通过90%的标准；两种设备在头颈部和盆腔部3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm 这3 种γ 分析标准下具有高一致性（P＞0.05），但在胸部VMAT 计划验证时γ 通过率间具有统计学差异。

Mobius 软件是基于患者扫描CT 重建计算的，而Delta4 是基于均匀模体，由于胸部计划肺与周围组织密度变化大、靶区体积大等原因提升了计划的复杂度，同时可能增大了这两种方法之间的差异。虽然胸部VMAT计划中两种设备偏差具有统计学意义，但γ 通过率均满足3%/3 mm（＞95%）、3%/2 mm（＞90%）的临床计划验证标准，且具有良好的一致性。结果表明，Mobius系统在VMAT 验证方面与基于模体测量的Delta4 设备整体表现相似，但两者在不同部位VMAT 计划验证通过率上仍存在差异。此外，Au 等[4]在人为引入误差对Mobius 软件进行研究时发现，其在QA 特异性检测方面比较敏感，本研究中也得以验证。研究中对低γ 通过率计划分析时发现，Delta4 设备在Mobius 软件指示验证时独立铅门和小机头小均方根偏差下通过率变化不大。

基于模体测量的计划验证通常是通过对辐照后模体实际测量剂量与TPS QA 计划剂量进行对比来判断计划是否达到临床质控要求。然而基于模体的QA 方法费时费力，缺乏患者特异性，同时还可能会引入人为摆位偏差对结果进行干扰，且多数为集成结果。对于失败结果需要耗费大量时间去分析，无法直接确定根本原因。Mobius 自动验证系统不仅采用独立算法对TPS 信息传递进行了二次检查，且对传输的3D 剂量进行了全面的定量评估，同时在不影响正常治疗的情况下自动读取加速器日志文件对患者解剖剂量进行详细评估，提高了患者QA 特异性和临床工作效率，这在本研究中也得以证实。虽然Mobius 与传统基于模体的QA 在某些情况下表现出良好的一致性，但基于日志文件的QA 能否完全取代传统的QA 和作为一个独立的重新计算系统与当前的QA 标准相比表现如何仍是当前物理学研究的重点[18-19]，为此Han 等[20]也提出了交叉验证的思路。在本研究中为了提高患者质控特异性，更好地识别患者VMAT 计划特定错误来源，每次QA 前都对加速器进行了严格的质控。未来针对Mobius 自动软件在VMAT 计划验证上取代传统模体方法和在胸部肿瘤验证的可行性方面，仍需要纳入更多的病例和方法对其特征和局限性进行研究并进行改进。

4 结论

本研究结果表明，在3%/3 mmγ 评估标准下，Mobius 自动验证系统与基于模体的Delta4 验证设备具有良好的一致性，可以应用于VMAT 计划验证，但不同部位肿瘤计划间的差异需要引起注意。本研究对该系统不同部位肿瘤VMAT 计划验证中的剂量学差异分析和γ 通过率一致性评估，为Mobius 用户在临床应用方面提供了技术参考。