鉴于调强放射治疗(IMRT)剂量分布的高度适形性及计划和实施的复杂性, 在临床治疗前需对每例患者的计划进行剂量验证^[1-2]。二维探测器阵列测量和平面剂量差异分析是目前调强放疗常用的患者剂量验证方法^[3-4]。本研究回顾性分析北京大学第三医院自2012年2月-2016年2月2 010例调强放疗患者计划的剂量验证结果, 探讨病变部位和治疗技术对剂量验证结果的影响。

1.一般临床资料:回顾性分析本院自2012年2月至2016年2月在美国Varian Medical System Trilogy直线加速器上治疗的2 010例患者调强放射治疗计划的剂量验证结果。所有计划均在美国瓦里安公司Eclipse计划系统Version 10.0完成计划设计。治疗病变包括脑转移癌、鼻咽癌、喉癌、乳腺癌、肺癌、食管癌、直肠癌、宫颈癌、子宫内膜癌、前列腺癌、椎体肿瘤等。其中, 固定机架角调强放疗计划965例, 容积旋转调强放疗(VMAT)计划1 045例。

2.患者计划剂量验证及结果分析:每例患者治疗计划的剂量验证均采用德国IBA公司生产的MatriXX及其配套的Multicube模体。使用前对MatriXX进行绝对和相对校准。利用荷兰飞利浦公司Big Bore大孔径CT扫描MatriXX和Multicube模体, 将患者计划移植到验证模体, 由Eclipse计划系统计算模体剂量分布, 剂量计算算法是Eclipse计划系统的各向异性分析算法(AAA)算法, 剂量计算网格2.0 mm。导出平面剂量分布与测量的剂量分布进行比较。固定机架角调强放疗验证比较多野合成测量剂量与计算剂量, 机架角度归零。容积旋转调强放疗验证比较单弧/多弧合成测量剂量与计算剂量, 剂量计算时考虑了治疗床对剂量的影响, 剂量测量时使用角度感应器校正了探测器响应的角度依赖性。分析数据包括等中心点剂量差异和平面剂量分布差异。等中心点剂量差异率(%)=(计算剂量-测量剂量)/测量剂量×100%, 剂量差异 < ±3%定为通过。使用γ值评价平面剂量分布差异, γ评估标准剂量差异设置为3%, 距离符合度(DTA)设置为3 mm。γ通过率计算按绝对剂量归一, 剂量差异按最大剂量的百分比计算, 剂量阈值设置为10%^[5]。3%/3 mm标准下的γ通过率(%) > 90%定为通过。分析病变部位、治疗技术(固定机架角调强放疗和容积旋转调强放疗)对计划验证通过率的影响。

临床实践中如果计划验证γ通过率 < 90%或等中心点剂量差异 > ±3%, 则分析查找原因, 重复测量或计算。如果重复测量/计算结果优于首次测量/计算结果, 则记录重复测量/计算的结果。人为操作错误(模体摆位错误、验证计划计算错误、计划导出错误等)的计划验证结果不计入分析, 设备验收测试期间治疗患者的计划也不包括在内。对剂量验证结果不通过的计划逐步分析查找原因, 比如调强计划验证按照单个射野、子野/控制点, VMAT计划按照部分机架角度进行分析比较等。对于各种努力还无法找到原因的计划, 如果对临床影响不大, 记录验证结果后进行治疗; 如果剂量整体偏差, 可以调整机器跳数后治疗; 对于剂量差异较大, 但不能通过上述方式解决的计划, 需要重新设计治疗计划。

3.统计学处理:数据以x±s表示。采用SPSS 21.0软件进行分析, 不同病变部位、治疗技术等中心点剂量差异和γ通过率比较进行方差分析, 不同病变部位两两比较采用最小显著性差异法(LSD)。采用卡方检验比较不同病变部位、治疗技术等中心点剂量差异和平面剂量分布差异的通过率。P < 0.05为差异有统计学意义。

1.等中心点剂量差异:不同病变部位、不同技术调强放疗计划剂量验证结果列于表 1, 点剂量差异分布结果如图 1所示, 9例计划等中心点剂量差异 > ±10%没有列出, 99.6的计划等中心点剂量差异 < ±10%。2 010例调强放疗计划剂量验证等中心点剂量平均差异为-0.3%±2.4%(测量剂量稍高), 不同病变部位、技术计划等中心点剂量差异不同(F=4.16、45.44, P < 0.05)。按照剂量差异 < ±3%定为通过, 88.2%的计划能够通过点剂量验证标准。不同部位计划验证点剂量通过率不同(χ²=40.93, P < 0.05)。食管癌、直肠癌、宫颈癌、子宫内膜癌计划等中心点剂量差异通过率较高, 乳腺癌、椎体肿瘤、喉癌和脑转移癌等中心点剂量差异通过率较低, 分别有16.9%、17.4%、20.9%和22.0%计划不能通过。乳腺癌、椎体肿瘤、喉癌和脑转移癌等中心点剂量差异标准差也高于其他部位计划。1例血管瘤、3例乳腺癌、2例乳腺癌骨转移、1例肺癌骨转移和2例肺癌脑转移计划等中心点剂量差异 > ±10%。不同治疗技术(IMRT vs. VMAT)计划验证点剂量通过率差异无统计学意义(P > 0.05)。如果使用最大剂量点剂量归一, 乳腺癌、椎体肿瘤、喉癌和脑转移癌等中心点剂量不能通过的比例分别下降到6.2%、7.5%、8.3%和8.5%, 其他部位等中心点剂量不能通过的比例也明显下降。

表 1(Table 1)

表 1 不同病变部位和技术调强放疗计划的剂量验证(x±s) Table 1 Dosimetric verification results for different treatment sites and delivery techniques (x±s) 项目 例数 等中心点剂量 最大剂量点剂量 γ通过率 (%) 平面剂量分布差异 剂量差异 (%) 未通过 计划(%) 剂量差异 (%) 未通过 计划(%) γ通过率下 95%分位数(%) 未通过 计划(%) 治疗部位/技术  脑转移癌 127 -0.4±4.2 22.0 -0.3±3.1 8.5 97.3±4.8 90.3 4.9  鼻咽癌 54 0.4±2.2 14.8 0.3±1.9 4.6 96.8±2.4 93.5 1.9  喉癌 43 0.2±2.5 20.9 0.2±2.1 8.3 95.8±4.5 88.0 11.6  乳腺癌 249 -0.5±2.9 16.9 -0.3±2.0 6.2 97.6±5.1 89.3 7.2  肺癌 290 -0.8±1.8 10.0 -0.6±1.7 3.7 98.4±2.5 94.1 2.4  食管癌 112 -0.6±1.6 3.6 -0.5±1.5 2.6 98.5±2.0 94.0 0  直肠癌 113 0.3±1.8 7.0 0.3±1.7 2.7 98.5±2.1 93.7 0  宫颈癌 112 -0.3±1.7 7.1 -0.3±1.6 2.5 98.1±2.6 91.8 2.7  子宫内膜癌 67 -0.6±1.4 7.5 -0.5±1.3 2.7 97.2±4.4 90.0 5.0  前列腺癌 65 -0.5±1.7 13.9 -0.4±1.6 3.1 98.0±2.6 91.1 0  椎体肿瘤 161 0.4±3.0 17.4 0.3±2.3 7.5 98.2±2.4 93.1 0.6  其他 615 -0.2±2.1 11.5 -0.2±2.0 3.2 97.5±4.6 90.8 3.3 治疗技术  IMRT 965 -0.7±2.5 11.2 -0.6±2.2 4.5 97.9±4.3 91.7 4.1  VMAT 1 045 0.1±2.2 9.6 0.1±2.0 3.8 97.7±3.5 91.4 2.9 合计 2 010 -0.3±2.4 11.8 -0.2±2.2 4.1 97.9±3.4 91.4 3.3 注:IMRT.调强放射治疗; VMAT.容积旋转调强放疗

表 1 不同病变部位和技术调强放疗计划的剂量验证(x±s) Table 1 Dosimetric verification results for different treatment sites and delivery techniques (x±s)

图 1 2 010例调强放疗计划等中心点剂量差异 Figure 1 Isocenter dose difference for 2 010 patients of IMRT/VMAT plans

2.平面剂量分布差异:2 010例计划γ通过率的分布结果如图 2所示。3%/3 mm标准γ通过率为97.9%±3.4%(95%~91.4%, 14例γ通过率低于80%的计划没有显示)。γ通过率 > 90%定为通过, 96.7%的计划能够通过平面剂量验证标准。不同部位计划验证通过率不同(F=3.09, P < 0.05), 食管癌、直肠癌和肺癌的γ通过率高于子宫内膜癌、鼻咽癌和喉癌。IMRT和VMAT两种治疗技术γ通过率差异无统计学意义(P > 0.05)。

图 2 2 010例计划调强放疗剂量验证γ通过率 Figure 2 The γ pass rate of planar dose difference for 2 010 patients of IMRT/VMAT plans

以γ通过率>90%定为通过, 不同部位计划平面剂量验证通过率不同(χ²=39.15, P < 0.00), 食管癌、直肠癌、前列腺癌计划平面剂量验证通过率高于子宫内膜癌、乳腺癌和喉癌。脑转移癌、子宫内膜癌、乳腺癌和喉癌分别有5.5%、6.0%、7.2%和11.6%的计划平面剂量验证不能通过。14例γ通过率低于80%的计划中肝癌2例、外阴癌1例、乳腺癌7例、子宫内膜癌、喉癌、肺癌骨转移和肺癌脑转移各1例。IMRT和VMAT两种治疗技术计划平面剂量验证通过率差异无统计学意义(P > 0.05)。

与电离室结合胶片测量验证相比, 二维阵列测量更加便捷, 是目前临床常用的调强放疗患者剂量验证方法。本研究报道单中心使用相同加速器、计划系统、验证系统、验证方法和标准的2 010例调强放疗患者剂量验证结果。调强放疗最初应用于临床时, 经常使用电离室点剂量测量结合胶片平面剂量测量的方法进行调强放疗患者剂量验证, 这也是调强放疗系统调试北美医学物理师学会(AAPM)^[6]推荐方法, 本院最初开展调强放疗时也曾使用该方法。在应用二维阵列验证时, 本研究也分析了等中心点剂量差异, 11.8%的计划不能通过点剂量验证标准。乳腺癌、椎体肿瘤、喉癌和脑转移癌等中心点剂量差异通过率较低, 分别有16.9%、17.4%、20.9%和22.0%计划不能通过。分析原因主要是等中心点位于高剂量梯度区、射野边缘、甚至射野外。AAPM对治疗计划系统质量保证推荐将剂量分布区域划分为高剂量区、高梯度区(或半影区)和低剂量区, 针对不同的区域使用不同的剂量差异通过标准^[7]。Stojadinovic等^[8]分析了50例调强放疗患者计划验证结果, 3 mm距离标准不同区域分别采用局部剂量差异7%、15%和40%的标准, γ通过率为93.4%±2.3%。另外, 分析等中心点剂量差异时, 本研究使用了较为严格的局部剂量差异的计算方法。如果使用计划最大剂量点剂量归一, 乳腺癌、椎体肿瘤、喉癌和脑转移癌等中心点剂量不能通过的比例分别下降到6.2%、7.5%、8.3%和8.5%。平面剂量验证中脑转移癌、子宫内膜癌、乳腺癌和喉癌分别有5.5%、6.0%、7.2%和11.6%的计划不能通过, 其原因主要是计划复杂程度、包含窄条子野、小子野。如果使用4%/3 mm标准不能通过平面剂量验证的比例分别下降到2.1%、3.0%、3.6%和4.1%。本研究显示, 等中心点剂量差异和平面剂量验证通过率都和计划病变部位有关。李成强等^[9]随机选取113例鼻咽癌、48例宫颈癌和50例直肠癌VMAT计划, ArcCHECK半导体探头进行VMAT剂量验证, 3 mm/3%的γ平均通过率分别为93.5%、95.7%和97.5%。Crowe等^[10]研究显示, IMRT和VMAT剂量验证结果与治疗部位、射野强度调制复杂程度有关。

本研究所用二维阵列调强放疗患者剂量验证的主要问题是只能进行点、平面剂量差异验证分析, 不能进行三维剂量验证, 测量验证基于模体而非患者解剖结构, 没有患者解剖剂量体积分布的信息。陈阿龙等^[11]和Visser等^[12]发现即使3%/3 mm标准二维矩阵剂量验证γ通过率>95%, 基于患者解剖结构的三维剂量验证分析发现仍有部分计划靶区和危及器官的剂量体积分布存在明显偏差。

目前有很多技术方法和设备进行调强放疗剂量验证, 包括电离室、探测器阵列、胶片、电子射野影像装置等^[13], 有基于测量的方法, 基于计算的方法, 也有基于测量和计算结合的方法^[14]。在验证结果分析参数、分析方法和通过标准等方面也存在较大差异。不同验证设备和方法具体验证内容、提供信息不同, 其差异的灵敏度、特异度、阳性预测值和阴性预测值不同^[15]。各个单位开展调强放疗时, 要针对本单位的设备与流程, 综合考虑质量与效率, 建立所属单位的调强放疗患者剂量验证方法和接受标准。要在整个调强放疗质量保证框架下分析和审视调强放疗患者剂量验证方法, 建立系统、详细的操作规程。详细了解本单位所使用系统、方法的问题和局限性, 包括探测器形状、分辨率、方向性、剂量率、温度响应、绝对剂量校准和相对剂量校准, 相应软件数据处理(插值、角度校正)及分析方法的差异^[16]。同时做好加速器、网络系统、计划系统质量保证。系统严格的加速器、计划系统验收测试和调试是做好针对患者剂量验证的前提^[17]。王清鑫等^[18]研究显示, 基于螺旋形半导体探测阵列(ArcCheck)、3%/3 mm标准VMAT计划验证对1 mm以内的多叶准直器(MLC)位置误差不敏感, 为保证VMAT计划执行准确性, 需要针对MLC做专门的质量控制。

采用MatriXX及Multicube模体进行固定机架角调强放疗和容积旋转调强放疗剂量验证, 等中心点剂量差异 < ±3%定为通过, 平面剂量分布3%/3 mm标准的γ通过率 > 90%定为通过, 大部分计划能够通过计划验证。不同疾病部位计划验证通过率不同, 固定机架角调强放疗和容积旋转调强放疗剂量验证通过率无差异。