中华放射医学与防护杂志  2017, Vol. 37 Issue (4): 259-263   PDF    
引用本文
王大奖, 昌胜, 沈九零, 李丽琴, 李光俊, 柏森. 电子射野影像装置位置误差对容积旋转调强放疗三维剂量验证的影响[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2017, 37(4): 259-263, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2017.04.004.
电子射野影像装置位置误差对容积旋转调强放疗三维剂量验证的影响
王大奖, 昌胜, 沈九零, 李丽琴, 李光俊, 柏森     
610041 成都 四川大学华西医院肿瘤放射物理技术中心
收稿日期: 2016-11-11
基金项目: 国家自然科学基金（81472807）
通信作者: 李光俊, Email:gjnick829@sina.com
[摘要] 目的 探讨电子射野影像装置（EPID）位置误差对容积旋转调强放疗（VMAT）三维剂量验证的影响。 方法 5枚Suremark SL-20铅点固定于Elekta托盘上，通过采集机架在0~360°旋转中EPID图像，分析各角度下EPID相对于加速器机头的位置偏移，根据该偏移对进行三维剂量重建的EPID图像进行位置误差修正，分析EPID运动误差对剂量重建的影响。分别对16例鼻咽癌患者的VMAT计划的双弧、顺时针弧（弧1）、逆时针弧（弧2）的重建剂量与计划剂量做γ分析，并对修正前后的γ分析结果进行分析。 结果 相对于0°，源到探测器距离（SID）在180°时误差最大，为1.20 cm。考虑SID变化后计算的EPID上下（y）方向误差最大为2.28 mm（等中心层面），左右（x）方向误差在±0.5 mm以内。对16例鼻咽癌双弧VMAT治疗计划进行治疗前三维剂量验证，EPID y方向位置误差修正后3D γ通过率明显提高，5%/3 mm标准下的γ通过率提高分别为双弧（4.12±1.67）%（t=-9.86，P < 0.05），弧1（3.47±1.64）%（t=-8.46，P < 0.05），弧2（5.08±1.30）%（t=-15.63，P < 0.05）；3%/3 mm标准下，γ通过率提高分别为双弧（7.63±2.24）%（t=-13.63，P < 0.05），弧1（6.03±2.07）%（t=-11.66，P < 0.05），弧2（9.17±2.23）%（t=-16.41，P < 0.05）。y方向修正后，再进行x方向修正，5%/3 mm和3%/3 mm γ通过率的平均值分别提高0.23%和0.24%。 结论 EPID沿加速器机架到治疗床方向运动误差明显，对三维剂量重建影响较大。在基于EPID的剂量重建中，应对其进行修正，以重建较准确的患者三维剂量分布。
[关键词] 电子射野影像装置     位置误差     容积旋转调强     三维剂量验证     γ分析    
The impact of electronic portal imaging device position error on 3D dose verification of volumetric modulated arc therapy
Wang Dajiang, Chang Sheng, Shen Jiuling, Li Liqin, Li Guangjun, Bai Sen     
Radiation Oncology Physics Technical Center, West China Hospital of Sichuan University, Chengdu 610041, China
Corresponding author: Li Guangjun, Email:gjnick829@sina.com
[Abstract] Objective To analyze the impact of electronic portal imagingdevice (EPID) position error on three-dimensional dose verification of volumetric modulated arc therapy (VMAT). Methods Five Suremark SL-20 lead points were fixed on Elekta tray, and EPID images were collected in 0-360° rotation, one image per 5°. The position error relative to the accelerator was analyzed via Matlab. Then the images position error was corrected according to the analysis, and the 3D dose was reconstructed with the corrected images. The dose distributions of double arcs, clockwise arc (arc 1), and counterclockwise arc (arc 2) of 16 nasopharyngeal carcinoma patients' VMAT plan were evaluated by γ analysis, and the results of before and after position error correction were compared. Results Compared to 0° gantry angle, the error of source to the image distance (SID) was maximum (1.20 cm) when the gantry angle was 180°. On account of the SID change, the maximum error along the up-down (y) direction in the iso-center planar was 2.28 mm and the left-right (x) direction error was within ±0.5 mm. The 3D γ analyses of 16 nasopharyngeal carcinoma in VMAT plans were obviously increased after the position error along y was corrected. The double arcs, arc1 and arc 2 were increased by (4.12±1.67) % (t=-9.86, P < 0.05), (3.47±1.64) % (t=-8.46, P < 0.05) and (5.08±1.30)% (t=-15.63, P < 0.05) in 5%/3 mm standard, respectively. However, in 3%/3 mm standard, γ value of the double arcs, arc 1 and arc 2 were increased by (7.63±2.24) % (t=-13.63, P < 0.05), (6.03±2.07) % (t=-11.66, P < 0.05), (9.17±2.23) % (t=-16.41, P < 0.05), respectively. Since the EPID position error along x was corrected after y, the 3D γ analysis of reconstruction dose indicated that the average of the 5%/3 mm and 3%/3 mm γ value were increased by 0.23% and 0.24%, respectively. Conclusions EPID motion error along the gantry to table direction of the accelerator can't be ignored. When reconstruct dose based on EPID, a modification should be made for rebuilding more accurate patients' 3D dose distribution.
[Key words] Electronic portal imaging device     Position error     Volumetric modulated arc therapy     3D dose verification     γ analysis    

容积旋转调强放疗 (volumetric modulated arc therapy，VMAT) 是目前较先进的放射治疗技术，在患者治疗过程中，加速器的机架角度、多叶准直器位置和剂量率等连续改变[1]，它在达到与常规调强相同治疗计划治疗时，治疗时间更短。但在其提高治疗效率的同时，对计划的质量保证提出了更高的要求[2-4]。不仅要考虑多叶准直器位置精度，还要考虑剂量率和加速器机头以及其他附件的运动误差。

为保证每次VMAT治疗的精确性，基于电子射野影像装置 (electronic portal imaging device，EPID) 的在体剂量验证方法已成为当前研究热点[5-6]。然而在VMAT执行过程中，EPID随机架角的变化存在相对位置误差，这可能会影响基于EPID的射野位置验证、在体剂量验证等结果。本研究对瑞典医科达公司Elekta Synergy加速器旋转过程的EPID位置误差进行了检测和分析，并修正了用于三维剂量验证的EPID图像的运动位置误差，从而提高三维在体剂量验证的准确性。

材料与方法

1. EPID运动位置误差的测量：将托架固定在Elekta Synergy加速器机头，根据灯野，将5个直径2 mm的铅点 (Suremark SL-20) 分别贴于10 cm×10 cm射野的4个角和中心 (图 1)。然后，用15 cm×15 cm射野，-175°~180°(顺时针或逆时针)，每5°采集一张图像，每张图像曝光20 MU。通过iviewGT EPID完成图像的采集。iviewGT的有效探测面积41 cm×41 cm，1 024像素×1024像素，源到探测板距离 (SID) 为160 cm。

图 1 铅点在机架和EPID图像上的位置示意图A. 5枚铅点在加速器机头的位置；B.用于计算EPID位置偏移的图像 注：EPID.电子射野影像装置；a、b、c、d、e为10 cm×10 cm射野4个角及中心 Figure 1 Schematic illustration of positions of the lead points on the gantry and the EPID images acquired A. Positions of the 5 lead points on the gantry; B. A sample of the images acquired for analyzing the EPID position error

2.EPID运动位置误差的分析：通过Matlab 2014b编写代码对采集的EPID图像进行分析，根据第一张图像上的铅点位置，框选一个31像素×31像素的图像矩阵 (图 1B中虚线框)，后续每张图像均只对此区域内数据进行分析。对框选区域的图像进行高斯滤波和三次多项式插值，以50%等值线内的平均坐标位置作为铅点所在位置。

将机架角度为0°的图像作为参考 (以下提到的EPID位置误差，若无特别说明，均是相对于0°)，e点在图像上的位置变化反映EPID在机架角度为θ时候图像的上下 (y) 方向和左右 (x) 方向的位置变化；ab、ac、bd、cd的距离之和变化反映SID的变化，见公式 (1)。考虑SID的变化，则EPID的x和y的位置偏差和可用公式 (2) 和公式 (3) 表示。

$ \begin{gathered} \vartriangle SI{D^\theta } = SI{D^\theta } - SI{D^0} = SI{D^0} \cdot \hfill \\ (\frac{{{{\left| {ab} \right|}^\theta } + {{\left| {ac} \right|}^\theta } + {{\left| {bd} \right|}^\theta } + {{\left| {cd} \right|}^\theta }}}{{{{\left| {ab} \right|}^0} + {{\left| {ac} \right|}^0} + {{\left| {bd} \right|}^0} + {{\left| {cd} \right|}^0}}} - 1) \hfill \\ \end{gathered} $ (1)

式中，ΔSIDθ是机架角度为θ时的SID相对于0°时的变化，cm; SIDθ是机架角度为θ时的SID，cm；SID0是机架角度为0°时的SID，cm；|ab|θ、|ac|θ、|bd|θ、|cd|θ是机架角度为θ时，ab、ac、bd、cd的距离，mm；|ab|0、|ac|0、|bd|0, |cd|0是机架角度为0°时，ab、ac、bd、cd的距离，mm。

$ Shif{t_x}^\theta = ({e_x}^\theta-{e_x}^0) \cdot \frac{{{{\left| {ab} \right|}^\theta } + {{\left| {ac} \right|}^\theta } + {{\left| {bd} \right|}^\theta } + {{\left| {cd} \right|}^\theta }}}{{{{\left| {ab} \right|}^0} + {{\left| {ac} \right|}^0} + {{\left| {bd} \right|}^0} + {{\left| {cd} \right|}^0}}}-1 $ (2)
$ Shif{t_y}^\theta = ({e_y}^\theta-{e_y}^0) \cdot \frac{{{{\left| {ab} \right|}^\theta } + {{\left| {ac} \right|}^\theta } + {{\left| {bd} \right|}^\theta } + {{\left| {cd} \right|}^\theta }}}{{{{\left| {ab} \right|}^0} + {{\left| {ac} \right|}^0} + {{\left| {bd} \right|}^0} + {{\left| {cd} \right|}^0}}}-1 $ (3)

式中，Shiftxθ和Shiftyθ分别是在机架角度为θ时，EPID沿x和y的相对位置偏差，mm；exθ和eyθ分别是在机架角度为θ时，铅点e沿x和y相对于图像中心的距离，mm；ex0和ey0分别是在机架角度为0°时，铅点e沿x和y的相对于图像中心的距离，mm。

3.三维剂量重建：选取16例鼻咽癌患者的VMAT治疗计划，所有计划均在RayStation 4.5治疗计划系统 (瑞典Raysearch实验室) 中进行，采用0.3 cm的计算网格大小进行剂量计算，且最终剂量计算都采用筒串卷积算法 (collapsed cone convolution，CCC)[7]。每例计划均包含顺时针 (弧1) 和逆时针 (弧2) 两个359°的弧形射野，控制点间隔为4°。采用EDose三维剂量验证系统 (广州瑞多思公司) 进行EPID图像的采集和在患者解剖结构上剂量重建，比较重建剂量与治疗计划系统 (TPS) 计算剂量，通过γ分析方法评估两者差异[8]。EDose计算内核为筒串卷积算法，并使用图形处理器 (GPU) 并行加速[9]，降低计算时间。由分析得到EPID位置误差，编写Matlab代码，对收集的EPID影像进行批量修正后，再次导入EDose剂量计算系统，重新进行剂量重建，分析EPID位置误差对重建剂量的影响。

4.统计学处理：数据以x±s表示。采用SPSS 20软件进行数据分析，对EPID位置误差修正前后剂量重建结果的γ通过率正态性检验后，行配对t检验。P < 0.05为差异有统计学意义。

结  果

1. EPID运动误差分析：对EPID运动误差的测量共4次，每次顺时针和逆时针测量各1次。如图 2所示，顺时针和逆时针测量的x方向误差趋势相同，逆时针的x方向误差，略大于顺时针的x方向误差。x方向误差在机架角为90°时有最大值，逆时针时是 (0.590±0.037) mm，顺时针时是 (0.289±0.032) mm。其变化规律可能与EPID沿x的重力分量相关：越接近± 90°，重力分量越大，x方向运动误差随之增大；机架转过0°时，EPID沿x方向的重力分量方向发生变化，x方向误差迅速变化。y方向的误差，多次测量的结果均是在180°附近最大，为 (2.228±0.112) mm。分析x、y方向误差时，同时应考虑SID的变化。图 3显示，随着机架旋转，当偏离0°，由于重力影响，SID逐渐变小。机架角在0°时的SID=160 cm，SID在180°达到最小值，为 (158.7±0.049) cm。表 1列出了机架在0°、90°、180°和270°角度时，EPID的x、y方向位置误差和SID值。

图 2 机架角度和电子射野影像（EPID) 装置沿x和y方向运动误差的关系 Figure 2 The relationship between gantry rotation and elctronic portal imaging device (EPID) position errors along x and y

图 3 源到探测板距离 (SID) 随机架角度的变化 Figure 3 Changes of source-image distance (SID) with the gantry rotation

表 1 不同角度下的EPID x、y方向位置误差和SID变化 (x±s) Table 1 EPID position errors along x and y directions and changes of source-image distance at different rotations (x±s)

2.EPID位置误差对三维剂量重建的影响：由分析的EPID位置误差结果可以看出，y方向的误差较大，最大为 (2.228±0.112) mm。因此，首先修正y方向位置误差，再在此基础上修正x方向误差。表 2的结果显示，y方向修正后，5%/3 mm和3%/3 mm的γ通过率均有较大幅度的提升。尤其是3%/3 mm γ通过率，修正后平均通过率均提高5%以上，双弧提高 (7.63±2.24) % (t=-13.63，P < 0.05)，弧1为 (6.03±2.07) % (t=-11.66，P< 0.05)，弧2为 (9.17±2.23) % (t=-16.41，P < 0.05)。

表 2 EPID y方向位置误差修正前后重建剂量的γ分析 (%，x±s) Table 2 γ analysis of the reconstructed dose with and without y direction corrected (%, x±s)

x和y方向位置误差修正：在修正y方向误差的基础上，对x方向进行修正。表 3列出了仅修正y方向和同时修正x和y方向的γ通过率统计分析结果。结果显示，除弧2的3%/3 mm γ通过率略有下降外 (平均值相对偏差为-0.09%)，其他γ值略有提高 (最大为0.62%)。弧2的5%/3 mm γ通过率以及双弧和弧2的3%/3 mm γ通过率修正后差异无统计学意义 (P > 0.05)；双弧和弧1的5%/3 mm以及弧2的3%/3 mm γ通过率修正后差异有统计学意义 (t=-2.98、-3.22、-3.00，P < 0.05)。表明x方向误差对重建结果有影响，但因该误差较小，对剂量重建结果影响不大。

表 3 仅修正y方向与同时修正x和y方向EPID位置误差的重建剂量结果 (%，x±s) Table 3 Results of the reconstructed dose with y direction corrected alone and x, y corrected (%, x±s)

讨  论

基于EPID的三维剂量验证方法操作简单、图像分辨率高，具有很好的应用前景。应用EPID进行剂量重建时，应考虑EPID的剂量响应特性，如探测板的稳定性、剂量响应线性、不同照射野的散射等[10]，以及加速器和EPID的机械误差。本研究探讨了不同机架角度下的EPID位置误差大小及其对三维剂量重建结果的影响。

Rowshanfarzad等[11]研究了多种类型EPID不同机架角度的误差，结果均显示，EPID相对于机架的x方向位置误差偏差 < 0.5 mm，y方向误差和SID变化均是在180°取得最大值，且y方向误差对于不同加速器和不同类型EPID差别较大，误差为1.9~4.0 mm。靳光华等[12]用5 cm×5 cm方野检测到类似结果，不同加速器的EPID在y方向的位置误差，变化趋势一致，但对于不同类型EPID，其误差变化幅度差别明显，其研究中变化较小的是医科达iViewGT，偏移量最大为 (1.66±0.11) mm，变化最大为瓦里安aSi1000，偏移量最大为 (4.16±0.20) mm；而对于x方向误差，不同类型EPID，其变化趋势和幅度均有较大差别。本研究中采用铅点固定在机架代替用射野的方式探测EPID位置误差，可排除旋转过程中铅门、多叶准直器 (MLC) 位置以及源到EPID位置 (SID) 的误差对分析结果的影响。

本研究探讨了Elekta机载EPID的位置误差，并进一步研究了该误差对治疗前三维剂量验证结果的影响，结果表明，x方向误差较小，对剂量重建结果的影响可忽略；y方向误差最大为2.228 mm，对剂量重建结果有较大影响。总之，当EPID应用于VMAT三维剂量验证时，必须考虑不同机架角度的位置误差，并对该误差进行修正，以得到较准确的重建剂量。

利益冲突 本人与本人家属、其他研究者无可能影响研究结果的财务关系，在此对研究的独立性和科学性予以保证
作者贡献声明 王大奖负责结果分析、统计计算、论文起草和修改；昌胜、沈九零参与图像采集和计算结果分析；李丽琴参与数据统计计算；李光俊、柏森协助论文修改
参考文献
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