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基于患者出射EPID劑量驗(yàn)證的在體調(diào)強(qiáng)放療質(zhì)控技術(shù)研究

2020-10-15 13:40:30
中國(guó)癌癥雜志 2020年9期
關(guān)鍵詞:投照射野模體

復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放療科,復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系,上海 200032

放療已經(jīng)進(jìn)入高精準(zhǔn)放療時(shí)代,治療技術(shù)的日益復(fù)雜易引發(fā)治療差錯(cuò)事故[1],新技術(shù)的應(yīng)用往往還會(huì)帶來(lái)新的錯(cuò)誤類型發(fā)生[2],發(fā)生任何一種錯(cuò)誤都會(huì)導(dǎo)致患者實(shí)際受照劑量與計(jì)劃劑量不同,調(diào)強(qiáng)放療(intensity-modulated radiation therapy,IMRT)劑量失誤可導(dǎo)致患者正常功能減退、喪失甚至致命的后果。治療部位錯(cuò)誤和擺位誤差是現(xiàn)階段較為常見(jiàn)的兩種錯(cuò)誤類型[3]。治療部位錯(cuò)誤是由治療計(jì)劃系統(tǒng)生成數(shù)字重建透視圖時(shí)錯(cuò)誤選擇等中心點(diǎn)進(jìn)行患者移床[4],CT模擬定位坐標(biāo)系統(tǒng)錯(cuò)誤[5],技術(shù)員錯(cuò)誤對(duì)應(yīng)患者體表標(biāo)記擺位(二個(gè)部位以上易出現(xiàn))等原因引起的。擺位誤差主要與患者不自主運(yùn)動(dòng)(呼吸、吞咽等)、腫瘤形狀大小改變、體型變化(消瘦等)和技術(shù)員操作水平等有關(guān)。

如何降低放療過(guò)程中各種因素造成的錯(cuò)誤,保證患者放療質(zhì)量,成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。因此,已有研究提出使用如半導(dǎo)體探測(cè)器、熱釋光劑量?jī)x等患者在體劑量驗(yàn)證方法[6-11],其中基于電子射野影像裝置(electronic portal imaging device,EPID)的方法具有不增加患者治療時(shí)間和額外劑量,以及大多數(shù)加速器都已配備等優(yōu)勢(shì)[12-15]。本研究旨在實(shí)現(xiàn)一種簡(jiǎn)單快速的基于EPID在體劑量驗(yàn)證方法,并設(shè)計(jì)模體實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估該方法識(shí)別放療差錯(cuò)的敏感性,探討其快速發(fā)現(xiàn)IMRT臨床治療中可能出現(xiàn)的較大錯(cuò)誤的可行性。

1 材料和方法

1.1 獲取影像設(shè)備

瓦里安加速器自帶的非晶硅EPID(Varian Portal Vision,aS1000)系統(tǒng)由圖像探測(cè)單元、圖像獲取單元及專用工作站組成,其中圖像探測(cè)單元的有效探測(cè)像素點(diǎn)為1 024×768,探測(cè)點(diǎn)間距為0.39 mm,有效探測(cè)面積為40 cm×30 cm。EPID放置在源到探測(cè)器的距離(source to image distance,SID)為140~150 cm的位置獲取射線穿透患者或模體后的二維劑量影像。

1.2 EPID影像劑量校準(zhǔn)和刻度

EPID實(shí)時(shí)采集的治療位患者或模體透射影像經(jīng)過(guò)合適的刻度可轉(zhuǎn)換為劑量通量圖,從而反映治療計(jì)劃投照患者或模體時(shí)的透射劑量分布。首先對(duì)EPID的劑量學(xué)采用本底矯正和泛野矯正,并對(duì)其劑量線性、劑量穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證[16-17],最后建立EPID影像-劑量刻度模型。

1.3 放療差錯(cuò)識(shí)別

臨床治療使用的光子線能量為6 MV,影像采集是使用Eclipse中的Portal dosimetry(V10.0)模式,把首次射野出射EPID影像作為剩余分次治療的基準(zhǔn)值,后續(xù)分次療程實(shí)時(shí)治療野結(jié)束后與對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)影像進(jìn)行γ分析比較,以驗(yàn)證治療計(jì)劃是否準(zhǔn)確執(zhí)行于患者或模體上。本文使用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)2D γ分析法應(yīng)用軟件對(duì)Eclipse導(dǎo)出的出射EPID影像數(shù)據(jù)進(jìn)行γ通過(guò)率計(jì)算。

1.3.1 治療部位錯(cuò)誤

患者胸腹部位放療易出現(xiàn)標(biāo)記點(diǎn)移床錯(cuò)誤,選取肺癌和直腸癌IMRT治療計(jì)劃、胸部仿真人模體和腹部仿真人模體來(lái)實(shí)驗(yàn)這種錯(cuò)誤情況。在肺癌IMRT計(jì)劃投照胸部模體分次治療中的某次另加1次錯(cuò)誤投照腹部模體,在直腸癌IMRT計(jì)劃投照腹部模體分次治療中的某次另加1次錯(cuò)誤投照胸部模體,分別計(jì)算部位正確治療及部位錯(cuò)誤治療情況下的γ通過(guò)率。

1.3.2 擺位誤差分析

擺位誤差的存在使患者的各器官實(shí)際投照劑量與計(jì)劃設(shè)計(jì)劑量存在差異,特別是頭頸部腫瘤IMRT放療對(duì)擺位誤差尤其敏感,選取頭頸部仿真人模體來(lái)分析擺位誤差情況。對(duì)模體按激光線標(biāo)記擺位后,分別在Lateral(左右)、Vertical(背腹)、Longitudinal(頭腳)方向上依次手動(dòng)移床±3 mm、±5 mm、±8 mm、±10 mm,獲得等中心點(diǎn)治療和三維6個(gè)方向上引入擺位誤差后治療的出射EPID影像,計(jì)算所有擺位誤差條件下的γ通過(guò)率。

1.4 患者臨床應(yīng)用

所有參與此項(xiàng)研究的患者首次治療前擺位須由醫(yī)師和物理師在場(chǎng)確認(rèn)治療體位和模擬定位時(shí)一致,行錐形束計(jì)算機(jī)斷層成像(cone beam computed tomography,CBCT)掃描與計(jì)劃CT圖像配準(zhǔn)來(lái)檢查患者的解剖結(jié)構(gòu)在計(jì)劃設(shè)計(jì)期間是否發(fā)生變化,并觀察CBCT圖像上大體腫瘤區(qū)、臨床靶區(qū)和計(jì)劃靶區(qū)對(duì)腫瘤輪廓的包繞,確認(rèn)完成后治療患者獲取出射EPID影像?;颊咴隗w劑量驗(yàn)證臨床實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖1。

2 結(jié)果

2.1 在體劑量驗(yàn)證識(shí)別放療錯(cuò)誤分析

2.1.1 治療部位錯(cuò)誤情況

肺癌IMRT計(jì)劃正確治療情況γ通過(guò)率均值為99.8%,部位錯(cuò)誤治療情況γ通過(guò)率均值為36.9%,直腸癌IMRT計(jì)劃正確治療情況γ通過(guò)率均值為99.9%,部位錯(cuò)誤治療情況γ通過(guò)率均值為40.7%,設(shè)置合理閾值可有效區(qū)分出治療部位錯(cuò)誤情況。表1所示為直腸癌IMRT計(jì)劃投照腹部模體第3分次治療(參考基準(zhǔn)為腹部首次治療出射EPID影像)另加1次錯(cuò)誤治療胸部模體,得到的部位正確治療和部位錯(cuò)誤治療的γ分析結(jié)果。

2.1.2 擺位誤差分析

鼻咽癌IMRT計(jì)劃對(duì)頭頸部仿真人模體在等中心點(diǎn)處治療獲得的出射EPID影像分別與三維6個(gè)方向上引入擺位誤差后治療獲得的影像進(jìn)行γ分析比較,圖2為在其中Vertical擺位誤差方向上不同射野角度γ通過(guò)率的變化趨勢(shì),結(jié)果顯示,能夠檢測(cè)出來(lái)非平行射野角度方向的擺位誤差,但對(duì)平行于射野角度方向的擺位差異并不敏感。表2所示為射野90度時(shí)引入擺位誤差的γ分析結(jié)果值。

表1 部位錯(cuò)誤治療的γ分析結(jié)果Tab.1 Results of γ-comparison for incorrect site

2.2 患者臨床應(yīng)用

初步應(yīng)用的30例鼻咽癌患者劑量驗(yàn)證的射野平均γ通過(guò)率為98.2% (3%/3 mm),構(gòu)造盒須圖以提供治療分次射野γ通過(guò)率的位置和分散的參考,直觀分次治療間患者擺位重復(fù)性。隨著療程的進(jìn)行,患者1的治療總體不確定性有增大趨勢(shì)(圖3A)。患者2放療第16次出現(xiàn)射野γ通過(guò)率偏低情況,在第17次治療前物理師檢查整個(gè)劑量驗(yàn)證流程,驗(yàn)證擺位射野源皮距,行CBCT掃描并由醫(yī)師確認(rèn)腫瘤輪廓(內(nèi)邊界)與計(jì)劃CT病灶輪廓吻合,最終治療野γ通過(guò)率較好(圖3B)。圖3C為患者2療程第16和17分次的部分角度射野出射劑量影像與基準(zhǔn)影像的劑量差異值圖對(duì)比。

圖2 Vertical擺位誤差方向上不同射野角度γ通過(guò)率的變化Fig.2 Variations in beam angle γ pass rate with vertical direction shifts

表2 擺位誤差的γ分析結(jié)果Tab.2 Results of γ-comparison for setup error

圖3 患者1射野γ通過(guò)率盒須圖(A)、患者2射野γ通過(guò)率盒須圖(B)及第16、17分次治療的射野γ值圖對(duì)比(C)Fig.3 Box plot of the distributions of γ values (A),box plot of the distributions of γ values (B),and the comparison of γ maps between fraction 16 and 17 (C)

3 討 論

本文實(shí)現(xiàn)的基于EPID二維出射劑量驗(yàn)證的患者在體實(shí)時(shí)質(zhì)控方法可以有效地檢測(cè)出較大計(jì)劃投照劑量誤差,將分次治療射野出射劑量與首次基準(zhǔn)劑量進(jìn)行比較分析,直接反映實(shí)際照射到患者身上劑量的準(zhǔn)確性,并設(shè)置可以接受的誤差閾值,進(jìn)而發(fā)現(xiàn)有可能出現(xiàn)的高劑量誤差,避免發(fā)生可能的嚴(yán)重放療事故。

EPID在使用之前需進(jìn)行刻度,確保其像素具有相似的劑量響應(yīng)。通過(guò)仿真人模體實(shí)驗(yàn)表明本方法可有效檢測(cè)出治療部位錯(cuò)誤情況,且能夠檢測(cè)到非平行于射野方向上的較大擺位誤差,但對(duì)平行于射野方向的擺位誤差不敏感,可通過(guò)分析射野角度及γ值來(lái)判斷擺位誤差最有可能是來(lái)自哪個(gè)方向。治療計(jì)劃是在放療前采集的靜態(tài)CT圖像上設(shè)計(jì)的,在整個(gè)放療過(guò)程中,盡管采用了熱塑膜等固定患者,但是患者體態(tài)外形、腫瘤大小等的變化使得IMRT照射劑量的準(zhǔn)確性受到限制。特別是鼻咽癌患者在脊髓、腦干等周圍的劑量梯度陡峭區(qū)域,受擺位誤差的影響較大,即使是很小的擺位誤差也可能造成靶區(qū)劑量的不足和危及器官受照過(guò)量,從而導(dǎo)致腫瘤局部復(fù)發(fā)、放療并發(fā)癥增加。30例鼻咽癌患者臨床應(yīng)用結(jié)果顯示本方法發(fā)現(xiàn)的患者受照劑量誤差,分析患者2第16分次治療出現(xiàn)的結(jié)果原因可能有:患者體質(zhì)量減輕,與面罩貼合性變差,技術(shù)員擺位不準(zhǔn)確;治療中患者因嚴(yán)重口腔黏膜炎吞咽咳嗽引起面罩松動(dòng),加之頸部出現(xiàn)放射性皮炎與面罩接觸引起疼痛,而發(fā)生頸部較大移動(dòng)。下一步將在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行更多病例臨床應(yīng)用的相關(guān)研究。本方法利用放療過(guò)程中采集到的出射EPID劑量影像信息來(lái)指導(dǎo)當(dāng)次和剩余分次治療,能夠直接為醫(yī)師自適應(yīng)放療決策提供參考,減少了患者整個(gè)療程中的CBCT位置驗(yàn)證掃描次數(shù),以及不必要的重復(fù)定位CT掃描,從而降低患者的額外照射劑量。

綜上所述,本研究方法可對(duì)IMRT治療患者進(jìn)行實(shí)時(shí)劑量評(píng)估,能夠在單個(gè)治療野結(jié)束后快速檢測(cè)出較大治療錯(cuò)誤。

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