中华放射医学与防护杂志  2019, Vol. 39 Issue (2): 121-127   PDF    
调强放射治疗多叶光栅叶片到位精确度质量核查方法研究
罗素明1 , 吴昊2 , 薛娴1 , 何志坚1 , 马新兴3 , 程晓军4 , 刘冉5 , 杨春勇6     
1. 中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所 辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室, 北京 100088;
2. 北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所放射治疗科 恶性发病机制及转化研究教育部重点实验室 100036;
3. 湖北省疾病预防控制中心放射卫生监测与评价部, 武汉 430079;
4. 河南省职业病防治研究院放射卫生科, 郑州 450052;
5. 四川省疾病预防控制中心职业与辐射卫生所, 成都 610041;
6. 江苏省疾病预防控制中心放射防护所, 南京 210009
[摘要] 目的 研究用胶片(film)测量调强放射治疗(IMRT)多叶光栅(MLC)叶片到位精确度方法。方法 中国参加国际多放射治疗中心研究。固体水模体30 cm×30 cm,经CT扫描,影像传给放射治疗计划系统(TPS)制定治疗计划,多叶光栅形成5条栅栏野,3 cm×6 mm,条状与条状之间距离3 cm,在最大剂量点(dmax)处,源轴距离100 cm,6 MV X射线,每条栅栏野照射监督单位250 MU。放射性免冲洗胶片EBT2放在固体模体上,实施调强放射治疗5条栅栏野计划。选择加速器多、物理师水平较高的江苏、湖北、河南和四川4省的27家医院30台加速器参与验证研究。验证程序和方法与国际多放射治疗中心研究程序相同。照射后的胶片分别邮给国际原子能机构(IAEA)剂量学实验室和外部检查组(EAG)测量分析并计算。结果 按IAEA要求,胶片测量与TPS计划每条栅栏野多叶光栅条状位置结果应≤±0.5 mm,本研究结果分别为0.3、0.2、0、-0.1、-0.2 mm,符合要求。4省的30台加速器中,5台加速器多叶光栅条状位置结果在±0.6~1.0 mm范围内,不符合要求;25台加速器条状位置结果均在±0.5 mm范围内,符合要求。EAG验证研究结果表明,6台加速器多叶光栅条状位置结果在0.6~1.0 mm范围内,不符合要求;24台加速器条状位置结果均在±0.5 mm范围内,符合要求。按IAEA要求,胶片测量每对与每条所有多叶光栅叶片位置偏差应≤±0.5 mm。本研究结果为0.04 mm,符合IAEA要求。EAG验证研究结果表明,所有条状位置偏差均 < 0.3 mm,符合要求;除1台加速器条状位置偏差为-0.7 mm、超出±0.5 mm外,其余29台加速器条状位置偏差均在±0.5 mm范围内,符合要求。按IAEA要求,胶片测量每对与每条所有多叶光栅叶片最小与平均宽度差值,最大与平均宽度差值应≤±0.75 mm。本研究结果,最小与平均宽度差值为-0.2 mm,最大与平均宽度差值为0.4 mm,符合要求。30台中有6台加速器多叶光栅叶片最大宽度与平均宽度,最小宽度与平均宽度差值超出±0.75 mm,不符合要求;24台加速器多叶光栅叶片最大宽度与平均宽度,最小宽度与平均宽度差值均 < ±0.75 mm,符合要求。5台加速器多叶光栅最大宽度与平均宽度,最小宽度与平均宽度差值超出±0.75 mm,不符合要求;25台均 < ±0.75 mm,符合要求。按IAEA要求,胶片测量每对与每条所有对多叶光栅叶片实际宽度位置标准偏差应≤0.3 mm。本研究结果为0.12 mm,符合要求。4台加速器多叶光栅叶片实际宽度位置标准偏差超出0.3 mm,不符合要求;26台在0.3 mm范围内,符合要求。4省的30台加速器IAEA验证研究结果与EAG相同。结论 胶片剂量学验证多叶光栅叶片到位精确度方法,方便适用,作为质量核查,便于邮寄,可反复多次测量,适合在医疗机构大规模开展质量核查。
[关键词] 调强放射治疗     放射性免冲洗胶片     多叶光栅叶片     到位精确度     质量核查    
Development of methodology for the positioning accuracy of MLC leaves in IMRT
Luo Suming1, Wu Hao2, Xue Xian1, He Zhijian1, Ma Xinxing3, Cheng Xiaojun4, Liu Ran5, Yang Chunyong6     
1. Key laboratory of Radiological Protection and Nuclear Emergency, China CDC, National Institute for Radiological Proteciton, Chinese Centre for Disease Control and Prevention, Beijing 100088, China;
2. Key Laboratory of Carcinogenesis and Translational Research(Ministry of Education/Beijing), Department of Radiation Oncology, Peking University Cancer Hospital & Institute, Beijing 100036, China;
3. Department of Radiological Health Monitoring and Evaluation, Hubei Province Centre for Disease Control and Prevention, Wuhan 610041, China;
4. Department of Radiological Health, Henan Institute for Occupational Medicine, Zhengzhou 450052, China;
5. Institute of Occupational Health and Radiological Health, Sichuan Province Centre for Disease Control and Prevention, Chengdu 450052, China;
6. Department of Radiation Protection, Jiangsu Province Centre for Disease Control and Prevention, Nanjing 430079, China
Fund programs: IAEA′s Funding Project (17821/CRP)
[Abstract] Objective To develop measurement methodology using film for the positioning accuracy of MLC leaves in IMRT. Methods The solid water phantom of 30 cm x 30 cm was scanned and the scanned images were transferred to TPS for treatment plan formulation. The five MLC strip picket fence pattern was formed by MLC leaves, each 3.0 cm long×6.0 mm wide. The separation between strip and strip is 3.0 cm. SAD is 100 cm at dmax for 6 MV X-ray, with 250 MU per MLC strip. EBT2 radiochomic film was put on the phantom for delivery of IMRT, for each MLC strip. The present study focused on 30 accelerators of Varian, Elekta and Siemens designs at 27 hospitals with highly skilled physicists all over Jiangsu, Sichuan, Hubei and Henan provinces. The study was conducted in the same way as used in international multi-radiotherapy center (IMRC). The irradiated films were sent respectively to IAEA dosimetry laboratory and external audit group (EGA) of China for measurement, analysis and calculation. Results According to IAEA requirements, the differenc of film-measured and TPS-planned of MLC leaf position for each strip should be within ±0.5 mm. China had participated in the research of IMRC, with the result of 0.3, 0.2, 0.0, -0.1, and -0.2 mm, respectively. For 30 accelerators in four provinces involved in the study, the IAEA's verification results of MLC leaf position were within 0.6-1.0 mm for 5 accelerators and within ±0.5 mm for other 25 ones. Whereas the verification results of EAG were within 0.6-1.0 mm for 6 accelerators and within ±0.5 mm for other 24 ones. According to IAEA requirements, the film-measured MLC leaf position deviation for each pair of leaves and average all pairs of leaves should be within ±0.5 mm. China had participated in IMRC's research, with the measured result being 0.04 mm. The verification result of EGA for 30 accelerators showed the measured MLC leaf position deviations were all < 0.3 mm per strip, consistent with IAEA requirements. The IAEA's result showed the measured deviations of MLC leaf position for 29 accelerators were within ±0.5 mm, with only other one being -0.7 mm not consistent with the IAEA requirements. As required by IAEA, the difference of film-measured difference of MLC opening width should be within ±0.75 mm between each pair and average all pairs of leaves. China's result in research of IMRC showed the difference of minimum width to mean width was -0.2 mm whereas the difference of maximum width to mean width was 0.4 mm. For 30 accelerators involved in IAEA' verification study, the measured result shown that the difference between maximum and average of film-measured of MLC leaf width, and between minmum and average, were within ±0.75 mm for 24 accelerators, in line with the IAEA requirements. For other 6 ones, the values were beyond ±0.75 mm, not in line with the IAEA requirements. For the verification result of EAG, the difference between maximum and average widths and between minmum and average widths for 25 accelerators were within ±0.75 mm as required by IAEA, whereas for other 5 ones the value were beyond ±0.75 mm, not consistent with IAEA requirements. The standard deviation of film-measured MLC opening width between each pair and average all pairs should be within 0.3 mm as required by IAEA. China's IMRC result was 0.12 mm. The verification result of IAEA shown the standard deviation of MLC opening position were < 0.3 mm for 26 accelerators and > 0.3 mm for other 4 accelerators. EAG verification result were the same as IAEA result. Conclusions The method using radiochromic film for measuring accuracy of MLC leaf position is convenient and practicable as a quality audit. It is suitable for quality verification in medical institutions owing to easy to post and repeated measurements.
[Key words] Intensity modulated radiation therapy     Radiochomic film     MLC leaves     Positioning accuracy     Quality audit    

调强放射治疗(IMRT)是在三维适形的基础上,通过逆向治疗计划系统对照射野内诸点的输出量进行调制以形成非均匀的射束强度,经多个照射野对靶区进行照射使得剂量在体内空间分布上与肿瘤体积一致,形成对靶区的高剂量照射,同时还将邻近危及器官的剂量限制在安全范围之内, 这些特点对多叶光栅的到位精确度提出了较高的要求。有研究证明,1 mm叶片位置偏差可导致7.6%靶区剂量偏差,对危及器官剂量偏差可达12%[1]。胶片剂量学验证多叶光栅位置的精确度,对提高调强放疗效果是重要的步骤。2013—2016年,国际原子能机构(IAEA)在世界范围内开展“调强放射治疗复杂技术质量核查方法研究”,中国是18个参与国之一。该研究课题分4个研究阶段[2]。调强放射治疗多叶光栅叶片到位精确度质量核查方法研究是第7b步,本研究用放射性EBT2胶片,FilmQATM专业γ分析软件,建立胶片测量与计算多叶光栅叶片到位精确度质量核查方法,为江苏、湖北、河南和四川4个省30台加速器开展调强放射治疗多叶光栅叶片到位精确度验证研究提供技术指导。

材料与方法

1.研究对象:选择北京大学肿瘤医院参加国际多放射治疗中心研究;选择加速器较多、物理师水平较高的江苏、湖北、河南和四川4个省的27家医院30台不同型号加速器。其中,美国瓦里安17台, 瑞典医科达10台, 德国西门子3台。

2.材料和设备:固体水模体,30 cm ×30 cm(美国CIVCO公司);放射性免冲洗胶片, 型号EBT2,FilmQATM专业γ分析软件(均为美国Ashlan公司)。胶片扫描仪,型号10000XL (日本爱普生公司)。放射治疗计划系统(TPS),型号Eclips,TPS软件版本13.5,加速器型号TrueBeam, MLC叶片120对(均为美国瓦里安公司),能量6 MV X射线。

3.胶片测量多叶光栅叶片到位精确度方法

(1) 制定放射治疗计划:固体水模体30 cm×30 cm,经CT扫描,影像传给放射治疗计划系统创建5条栅栏野,每条栅栏野长3.0 cm, 宽6.0 mm, 条状与条状之间距离分别-6.0、-3.0、0、3.0、6.0 cm, 在最大剂量点(dmax)处,源轴距离(SAD)=100 cm, 计算每条栅栏野监督单位为250 MU。对瓦里安加速器,中间栅栏野由铅门形成,其余4栅栏野由多叶光栅片叶形成。对医科达和西门子加速器,5条栅栏野均由多叶光栅叶片形成。TPS计划的5条栅栏野见图 1。放射治疗计划传给加速器执行。

图 1 TPS计划的5条栅栏野 Figure 1 TPS-planned five strip picket fence pattern

(2) 照射胶片:用大头针标记胶片方向, 然后将胶片放在固体模体上,胶片标记的点与机架方向一致,并与射线束中心对齐见图 2。用胶带固定胶片4个角,上面覆盖2.0 cm的固体模体板,以满足胶片在最大剂量点处电子平衡。胶片放置在固体模体上见图 3

图 2 标记胶片方向 Figure 2 Markers to align film direction in a solid phantom

图 3 胶片放置在固体模体示意图 Figure 3 Placement of radiochromic film in phantom

按照放射治疗计划,对固体模体实施照射。中国参与国际多放射治疗中心研究照射后的胶片邮给IAEA剂量学实验室测量分析和计算。江苏、湖北、河南和四川4个省27家医院30台不同型号的加速器参与验证研究。照射后的胶片分别邮给IAEA和外部检查组(EAG)测量分析和计算。

(3) 胶片测量和计算:照射后的胶片经扫描仪扫描,胶片放在扫描仪中心轴,分辨率72 dpi, 影像导入FilmQATMγ专业分析软件测量和计算。胶片扫描后5条栅栏野条状见图 4

图 4 胶片扫描后5条栅栏野条状 Figure 4 Scanned film of five strip picket fence pattern

结果

1.中国参加国际多放射治疗中心研究结果

(1) 胶片测量与TPS计划每条栅栏野MLC条状位置比较结果:按IAEA要求,测量与TPS计划每条栅栏野MLC条状位置误差应≤±0.5 mm,本研究结果分别为0.3、0.2、0、-0.1、-0.2 mm, 符合要求。

(2) 胶片测量每对与每条位置标准偏差结果:按IAEA要求,胶片测量每对多叶光栅叶片与每条多叶光栅叶片位置标准偏差应≤±0.5 mm,本研究结果为0.04 mm, 符合要求。

(3) 胶片测量每对与每条所有对叶片实际宽度差值和偏差结果:按IAEA要求,测量的每对与每条所有叶片实际宽度差值应≤±0.75 mm,本研究结果最小宽度与平均宽度差值为-0.2 mm,最大宽度与平均宽度差值为0.4 mm,符合要求。按IAEA要求,测量的每对与每条所有叶片实际宽度标准偏差应≤0.3 mm,本研究结果为0.12 mm, 符合要求。

2. 4省EAG验证研究结果

(1) 胶片测量与TPS计划每条栅栏野MLC条状位置结果:列于表 1。按IAEA要求,测量与TPS计划每条栅栏野位置比较结果应≤±0.5 mm。表 1结果显示,22台加速器实施TPS计划每条栅栏野MLC条状位置符合要求,有8台加速器实施TPS计划每条栅栏野MLC条状位置超出±0.5 mm限值,原因是人为因素造成的,如物理师做计划没按IAEA要求做;机器过了质量保修期没有做质量保证等。

表 1 胶片测量与TPS计划每条栅栏野MLC条状位置比较结果(mm) Table 1 Difference between film-measured and TPS-planned MLC strip positions (mm)

(2) 胶片测量每对与每条所有多叶光栅叶片位置标准偏差结果:列于表 2。按IAEA要求,胶片测量每对与每条所有对多叶光栅叶片位置标准偏差≤±0.5 mm。表 2结果显示,30台加速器均符合要求。

表 2 胶片测量每对与每条所有多叶光栅叶片位置标准偏差结果(mm) Table 2 Standard deviations of film-measured MLC leaf position between each pair and average of all pairs (mm)

(3) 胶片测量每对与每条所有多叶光栅叶片实际宽度差值和标准偏差结果:列于表 3。按IAEA要求,胶片测量每对与每条所有多叶光栅叶片实际宽度差值应±0.75 mm范围内。表 3结果显示,有6台加速器的所有多叶光栅叶片实际宽度差值超出在±0.75 mm限值,不符合要求。按IAEA要求,每条多叶光栅叶片实际宽度标准偏差≤0.3 mm,结果显示,有4台加速器的每条多叶光栅叶片实际宽度标准偏差超出0.3 mm限值,不符合要求;其余26台加速器的每条多叶光栅叶片实际宽度标准偏差符合要求。

表 3 胶片测量每对与每条所有多叶光栅叶片实际宽度差值和标准偏差(mm) Table 3 Difference and standard deviation of film-measured MLC openning width between each pair and average of of all pairs (mm)

讨论

1966年,IAEA开始用TLD方法质量核查普通放射治疗剂量,不确定度定为±5%。1996年,IAEA在世界范围内联合发展中成员国实验室开展课题协作,在IAEA技术指导下,我国作为参与协作的13个国家之一,发展了TLD剂量学体系,建立了TLD方法,即为IAEA的第2、3步。2001年,IAEA与15个参与国共同研究发展了用TLD方法,质量核查适形放射治疗剂量,不确定度定为±5%。即为IAEA的第4、5、6步。2013年,IAEA与18个参与国共同研究发展用TLD、胶片方法、质量核查调强放射治疗剂量,不确定度定为±7%。质量核查调强放射治疗二维剂量分布,多叶光栅叶片到位精确度,即为IAEA的第7a、7b、8、9步。

多叶光栅到位精确度在调强放射治疗中起至关重要的作用,多叶光栅叶片位置的准确性,直接影响患者的治疗效果。本研究在IAEA技术指导下,用胶片剂量学验证多叶光栅位置精确度,是提高调强放射治疗的重要步骤。

胶片测量多叶光栅叶片到位精确度方法用于质量核查,方便邮寄,适用性强,特别适合在医疗机构大范围开展IMRT质量核查,最大优点是照射后的胶片可重复测量5次以上,对不合格数据,便于查找原因并做校正。

按照IAEA要求,本研究中的30台加速器,胶片测量与TPS计划每条栅栏野中间条状位置计划距离应为0 mm, 而照射后的胶片影像显示,其中6家医院的胶片影像,中间栅栏野在射线中心,距离为0 mm,12家医院的胶片影像,中间栅栏野往左偏离了射线中心,12家医院的往右偏离了射线中心,造成左或右偏离的原因,一是加速器的MLC精度有问题,二是胶片摆位不准确引起的。

验证研究结果显示,IAEA结果(详见本期杨春勇等[3]、周文珊等[4]、戴富友等[5]、刘冉等[6]文章)与本研究EAG结果比较有一些小的差别,这是由于两组测量人员测量时引入的误差,属于可接受的范围。

建立的胶片测量调强放射治疗多叶光栅到位精确度方法与国际接轨,作为IMRT检测技术,即适用于第三方检测机构对医疗机构的医疗设备质量控制,也适用于医疗机构的医疗设备内部质量控制。目前,该技术处于研究和验证研究阶段。通过本研究与验证研究,已建立了实验室基础工作,近2年可大范围在医疗机构开展IMRT质量核查。

目前,用于IMRT质量控制的放射性胶片,有柯达X-omat-V胶片,照射后的胶片需到自动胶片冲洗机冲洗,操作繁琐;ISP免冲洗胶片,照射后的胶片可通过威达DosimetyPro Advantage扫描仪扫描后,经软件分析和处理数据。这两种胶片的计算均需刻度胶片,采用分段多项式拟合软件得到所需数据[7], 而美国的EBT2免冲洗胶片,无需冲洗,扫描后的胶片影像直接导入软件分析和处理数据,程序简单,数据准确[8-10]

按照IAEA要求,先建立研究方法,在该基础上,为了检验方法的可行性,参与国要选择5家地方医院的5条光子线束作为验证研究。本次协作研究,考虑方法新,技术复杂,操作有难度,同时也考虑加速器设备的不同型号,故扩大了27家医院的30条光子线束,在原IAEA要求的基础上扩大了6倍作为验证研究。

本验证研究工作由省疾病预防控制中心专业人员完成,为今后国家卫生健康委员会在全国开展IMRT质量核查奠定了基础,同时有不同层次医疗机构的物理师参与完成,为他们在IMRT内部质量控制开拓了一种新的检测方法。

利益冲突
作者贡献声明 罗素明负责课题研究和技术指导;吴昊负责中国参加国际多放射治疗中心研究实施,部分现场技术指导;薛娴完成胶片测量和计算;何志坚参与国际多放射治疗中心研究及四省验证研究;马新兴负责湖北省验证研究;程晓军负责河南省验证研究;刘冉负责四川省验证研究;杨春勇负责江苏省验证研究
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