静态调强技术凭借其安全可靠的优点^{[1, 2]},在临床上得到了大量的使用。在调强计划实施前必须通过二维或三维剂量验证系统对其进行剂量验证,如果在3%/3 mm标准下的通过率大于90%,则表示该计划剂量验证通过。但新的研究表明剂量验证对微小的多叶准直器(multileaf collimator,MLC)叶片到位误差并不敏感,无法准确反映调强实施过程中叶片运动是否存在误差^[3],而这种运动误差可能会导致靶区或正常器官的实际受量超过允许的范围^[4]。因此,仅依靠剂量验证通过率是否达到90％来判断计划能否实施,并不能确保治疗的安全和疗效,所以,在临床实践中,除了进行剂量验证之外,还需要增加对调强计划执行过程中的叶片误差进行专门的检测。考虑到电子射野影像装置(electronic portal imaging device,EPID)始终垂直于射束方向,以及具有成像清晰、便于后续处理的优点,因此,通过EPID来检测静态调强计划执行过程中的叶片到位误差,并借助计划系统(treatment planning system,TPS)分析存在叶片误差时的靶区和正常器官的实际受量。

1.调强计划的设计:通过美国瓦里安Eclipse 8.6计划系统设计静态调强计划,将做好的调强计划传送给瓦里安600CD加速器执行。

2.调强计划的选择:随机抽取本院今年已通过剂量验证的20例静态肺癌调强计划进行叶片到位检测,将计划按子野数目从小到大进行排序,并对排序后的计划进行编号,因前10例计划的子野数目较后10例计划少,所以将它们分别编入简单计划组和复杂计划组(表 1)。

表 1(Table 1)

表 1 简单计划组和复杂计划组病例的子野数目和机器跳数(x±s )

表 1 简单计划组和复杂计划组病例的子野数目和机器跳数(x±s )

3.EPID图像获取:通过600CD加速器机载的Portal Vision^TM aS500电子射野影像装置及其自带的拍片软件在连续拍片模式下拍摄调强计划执行的图像。PV aS500面板由512×384个非晶硅探测器单元组成,灵敏区为40 cm×30 cm。为了防止PV aS500与治疗床发生碰撞,需要移动EPID面板至射线源到探测器的距离为150 cm的地方,此时EPID能够检测的最大射野面积为26.7 cm×20.0 cm,单个像素的空间分辨率为0.52 mm。

4.EPID图像原点确定:由于叶片的位置指的是叶片相对于射束中心轴的偏差,因此首先要确定射束中心轴在EPID图像上的坐标,即图像的原点。由于EPID受重力作用,图像原点在随机架旋转的过程中会出现一定程度的位置偏移,因此,采用靳光华等^[5]提出的方法,在不同机架角下拍摄10 cm×10 cm的射野图像,借助射野几何中心分析法,得到不同机架角下的图像原点。

5.叶片实际位置的获取:静态调强在两个子野切换的过程中是不出束的,此时,EPID拍摄的将会是没有射野的图像。 通过MATLAB R2008a软件编程判断图像中是否存在高灰度值的连续区域来判断图像中是否存在射野,以此来对以连续拍片模式获取的EPID图像序列进行分段,然后按照射的先后顺序将EPID图像与不同的子野对应起来。

由于射野边缘是一个灰度剧烈变化的区域,且灰度变化满足正态分布,因此采用康德华等^[6]提出的水平梯度算法获取EPID图像中叶片的实际位置,水平方向梯度的计算公式如下:

为了检测水平梯度算法的准确度,通过胶片拍摄了2 cm×2 cm、5 cm×5 cm、10 cm×10 cm、15 cm×15 cm 射野的图像,根据AAPM TG50的推荐,将50%等剂量线的位置作为叶片的位置,再与水平梯度算法分析的叶片位置进行了比对,得到水平梯度算法的误差为(0.23±0.40) mm,说明水平梯度算法可以满足叶片检测对算法精度的要求。

6.叶片误差的剂量学评估:从Eclipse 8.6计划系统的MLC文件中获取射野中每个子野的计划位置值与实际位置值进行比较,对于两者不一致的叶片,将相应MLC文件中对应叶片的位置值修改为实际位置值,把修改好的MLC文件导回到计划系统中,在其他参数不变的情况下重新计算计划,得到了叶片实际走位下的靶区和正常器官受量。分别通过D_95%、最大剂量D_max、V₂₀和V₄₀,评价靶区、脊髓(PRV-CORD)、肺和心脏的受量,其中正常器官的剂量限值如下:脊髓D_max≤45 Gy、肺V₂₀≤30%、心脏V₄₀≤30%。

7.统计学处理:数据用x±s 形式表示。采用SPSS 11.0软件进行分析,两组数据间进行配对t检验,P<0.05为差异有统计学意义。

1.单个病例的剂量变化:将检测到的叶片实际位置输入到计划系统中并重新计算剂量,通过数值统计表,可以看到脊髓的最大剂量、心脏的平均剂量产生了较为明显的变化,而PGTV、PTV和肺的平均剂量变化并不显著,见表 2。

表 2(Table 2)

表 2 因叶片到位误差导致的靶区和正常器官

表 2 因叶片到位误差导致的靶区和正常器官

2.简单计划组和复杂计划组的剂量变化:简单计划组和复杂计划组靶区和正常器官平均剂量的变化分别见表 3,4。从表 3、4中可以看到,在简单计划组中只有脊髓D_max的差异具有统计学意义(t=-3.08,P<0.05),但复杂计划组的PGTV D_95%、PTV D_95%、脊髓D_max、肺V₂₀、心脏V₄₀的差异都有统计学意义(t=-2.55~-1.85,P<0.05),原因是复杂调强计划子野数目较多,往往小野照射或窄条野照射的次数也较多,导致出现叶片走位误差的次数增加,更多的叶片误差对调强剂量分布的影响也会更大。

表 3(Table 3)

表 3 简单计划组靶区和正常器官受量在叶片检测前后变化(x±s )

表 3 简单计划组靶区和正常器官受量在叶片检测前后变化(x±s )

表 4(Table 4)

表 4 复杂计划组靶区和正常器官受量在叶片检测前后变化(x±s )

表 4 复杂计划组靶区和正常器官受量在叶片检测前后变化(x±s )

3.叶片检测未通过病例的计划调整:除了少数器官受量不变外,其他大多数器官均有一定程度的剂量变化。如果变化后的剂量在剂量限值允许的范围内,那么,这样的计划将仍然可以在临床上实施,但第6号计划和第13号计划的脊髓最大剂量在叶片检测后分别变为了45.1和45.3 Gy,均超过了最大剂量不超过45 Gy的限值,因此,这两个计划将不能在临床上实施,需要重新设计计划。将原调强计划修改射野入射角度后重新计算得到新的调强计划,然后进行叶片检测,计算出新计划的靶区和正常器官实际受量(表 5)。

表 5(Table 5)

表 5 2例重新设计计划在叶片检测后的靶区和正常器官实际受量

表 5 2例重新设计计划在叶片检测后的靶区和正常器官实际受量

目前,调强治疗技术已经被广泛地应用于临床,因此,确保调强的剂量精度就显得尤其重要。多项研究表明,人为给调强计划中的叶片位置设置一个系统或随机误差的方法来模拟叶片误差,通过剂量矩阵对其进行剂量验证,获取剂量验证通过率,并与原始计划的通过率进行比较,发现叶片误差设置前后的剂量验证通过率变化并不明显,且都能达到剂量验证通过的条件^{[7, 8, 9, 10]}。为了更接近临床的实际情况,本研究采取了与人为模拟叶片误差不同的方法,实测了20例已通过剂量验证的调强计划在执行过程中真实的叶片到位误差,发现仅仅依靠剂量验证并不足以发现调强计划执行过程中叶片走位是否存在误差,尤其是对于子野数较多的复杂计划。因此,研究通过EPID来检测叶片的到位误差,并借助计划系统计算出叶片误差存在时靶区和正常器官的实际受量。

对于变化后的正常器官受量超过了剂量限值而不能在临床上实施的计划,需要判断是个别叶片存在误差还是整体存在误差。如果叶片是整体偏移,就表明叶片位置存在系统误差,需要进行加速器MLC的质量控制校正^[11];如果只是个别叶片存在误差,且误差的程度不一,表明叶片存在随机误差。产生随机误差的原因可能是由于计划较为复杂,加速器的性能不能完全达到计划设计要求,这时便需要在计划系统上对计划进行重新调整,再对新的计划进行叶片到位精度的检测。如果调整后的计划都满足了剂量限值的要求,将把新的计划作为患者的治疗计划。

综上所述,对于调强计划的质量控制来说,尤其是复杂计划的质量控制,仅仅依靠调强计划的剂量验证通过率在3%/3 mm标准下能否达到90％来判断计划是否通过是不够的,还需要进行调强计划叶片实际到位误差的质量控制,本研究提供了一种检测计划执行过程中叶片到位误差,并分析叶片误差对靶区和正常器官实际受量影响 [LL]的方法,它将与剂量验证一起,更好地确保调强治疗的安全和疗效。