2019, Vol. 39
2. 郑州市第三人民医院放疗科 450000;
3. 陕西省肿瘤医院放疗医院放射治疗区, 西安 710061;
4. 濮阳市油田总医院放疗科 457001
2. Department of Radiation Oncology, The Third People's Hospital of Zhengzhou, Zhengzhou 450000, China;
3. Department of Radiotherapy Hospital Unit Radiation Therapy, Shanxi Provincial Tumor Hospital, Xi'an 710061, China;
4. Department of Radiation Oncology, Puyang Oilfield General Hospital, Puyang 457001, China
精确放疗使加速器质量控制变得更为重要[1-2]。我国放疗设备短缺的国情[3-5]，使得快速有效地完成质量控制工作有巨大的临床意义。电子射野影像系统(electronic portal imaging device，EPID)具有摆位方便、灵敏度良好、分辨率高等优点，在加速器质量控制方面具有特殊优势[6-7]。利用EPID进行快速质量控制多有报道[8-12]，但关于其在晨检方面的研究不多。本研究期望实现由加速器自带EPID获取信息，利用自编程序对所得信息处理，进而快速准确的完成加速器晨检。
材料与方法1.材料：瑞典医科达Synergy加速器及其iViewGT系统，iViewGT探测板由1 024×1 024个非晶硅探测器构成，其大小为40 cm×40 cm；在等中心处，探测板及单个像素(px)投影大小分别为26 cm×26 cm、0.254 mm×0.254 mm，源到探头距离为160 cm。Synergy内置一60°楔形板，最大可用面积为40 cm× 30 cm。瑞典医科达Oncentra 4.3计划系统；美国SunNuclear DailyQA3晨检仪；数据处理软件Matlab2012 (美国MathWorks公司)；德国IBA FC65-G指形电离室及Dose1静电计、一维水箱。
2.测量及准备工作：设定晨检内容为输出量、平坦度/对称性、射线质、射野大小、射野中心的稳定性。EPID经校准后方可用于测量，校准分机械、影像两部分，前者对机械参数刻度调整，后者主要包含暗电流(dark field, DF)、泛野(flood field, FF)及坏点(dad-pixel, BP)修正。将EPID图像用于晨检分析前，需先将图像中像素值与该图对应的归一因子作商，该因子可在iViewGT软件剂量模式下获取。研究中所有测试均在机架角度为零、探测板位于源探头距160 cm处，采用累积模式测量。
3. EPID剂量及机械重复性：有A、B两组测试例，A组仅重复照射，考察剂量重复性；B组每次曝光后均将探测板收起再伸出，而后进行下次测试，考察机械重复性。所有测试射野大小均为10 cm×10 cm，曝光量为100 MU，各组各测10次。
4. EPID响应线性：10 cm×10 cm射野，分别给予1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、40、80、95、96、97、98、99、100、101、102、103、104、105、150、200、300、400 MU曝光量，每次曝光EPID获取1幅图像，分别在1~400 MU及95~105 MU范围内记录各图像μ值(μ为影像中心位置40像素×40像素范围内灰度值的平均值)随MU的变化，同时对测得射野大小、平坦度(F)、对称性(S)等参数随MU变化的情况评估。此测试在不同日期重复测量4次。
5. EPID探测灵敏度和准确度
(1) 输出量：10 cm×10 cm射野，由97~103 MU按照0.5 MU的步长构成13个照射野，分别照射EPID、FC65-G。FC65-G分别使用固体水和一维水箱摆位，源皮距100 cm，探头位于射野中心轴上水面下5 cm处。而后分别使用EPID及FC65-G对Synergy进行2周的晨检监测，摆位条件及测量次数同上。
(2) 射野尺寸：设置9.6、9.8、9.9(x1为-4.9 cm，x2为5 cm，x方向表示左右方向，x1为左，x2为右，y方向表示头脚方向)、10.0、10.1、10.2、10.4 cm 7组方形射野，曝光100 MU，利用EPID分别测2次。
6.晨检测量及评估方法：Synergy调至最佳状态时，EPID测量各参数值作为基准值；之后每天获取并观测各参数值相对于基准值的变化。具体方法为：10 cm×10 cm射野，无/有楔形板时分别曝光100 MU，由EPID获取开野(T1)及楔形野(T2)两幅图像。用Matlab编写程序，分别获取T1、T2的μ值及x、y方向离轴曲线。利用开野μ值评估输出量，楔形因子W(加楔形板时所得μ值与开野时所得μ值之比)评估射线质，由离轴曲线的一阶及二阶导数确定射野边缘和射野大小[13]，由公式(1)、(2)确定射野F、S值：
| $ F = \frac{{{D_{\max }} - {D_{\min }}}}{{{D_{{\rm{center}}}}}} \times 100\% $ | (1) |
| $ S = \frac{{\max \left( {\left| {{D_{{\rm{left}}}} - {D_{{\rm{right}}}}} \right|} \right)}}{{{D_{{\rm{center}}}}}} \times 100\% $ | (2) |
式中，Dmax、Dmin、Dcenter分别为80%射野范围内离轴曲线上的最大、最小和中心轴剂量；Dleft、Dright分别为80%射野范围内离轴曲线上关于射野中心轴对称的左右两点的剂量；F、S的允许限分别为6%、3%。
7.临床测试：利用基于EPID研发的晨检工具对Synergy加速器进行为期2个月的晨检监测，同时使用DailyQA3晨检仪进行对比测试。
结果1. EPID剂量及机械重复性：A组测量得x、y方向的射野大小及中心坐标的变化范围分别为100.55~101.05 mm、101.31~101.82 mm、509.75~511.00 px(1 px=0.254 mm)、508.00~508.00 px；B组上述参数分布范围分别为100.55~101.05 mm、101.31~102.07 mm、511.50~512.00 px、508.00~509.00 px。两组测量结果中，A组x方向的平坦度和对称性分别为4.31%~4.45%、1.90%~2.05%，y方向为3.48%~3.65%、1.21%~1.35%；B组x方向为4.16%~4.31%、1.89%~2.04%，y方向为3.40%~3.57%、1.13%~1.22%。两组结果一致，且各参数波动值均位于合理波动范围内，EPID机械、剂量短期稳定性均可靠。
2. EPID响应线性：拟合范围为1~400 MU时，4次测量响应的平均值与MU值间的拟合关系为Intensity=9 637.20×MU -4 024.20。将95~105 MU间4次测量响应的平均值相对100 MU时EPID响应的平均值归一，将归一后的响应值与MU值做拟合，得到拟合方程为μn MU/μ100 MU=1.053×n-5.297，式中，μn MU、μ100 MU分别为曝光量n和100 MU时4次测量所得EPID响应的平均值。所有拟合曲线的R2＞0.999。
观察EPID测得参数随MU值的变化发现，曝光量＜10 MU时，EPID测得的输出量、射野大小、F、S等参数值波动接近5%，10~80 MU波动下降至1%左右，80 MU以上时波动降至0.10%附近。当EPID响应稳定后，曝光量每变化1 MU，灰度值变化约为1.01%，灰度值能准确反映输出量的变化情况。
3. EPID探测灵敏度和准确性：MU在标准值97%~103%范围按照0.5%的步长变化时，EPID与固体水中、一维水箱中电离室测得值的差异均方根分别为0.11%、0.21%。EPID测得的每日输出量与固体水中、一维水箱中电离室测得结果偏差标准差分别为0.13%、0.12%。两种情况下EPID测得的输出量与电离室测量结果均高度一致(图 1，2)。图 1，2中电离室1、2为固体水中两次测量结果，电离室3为一维水箱中结果，图中所有数据均相对于各组100 MU曝光量时测得剂量值归一化。
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图 1 EPID、FC65-G测得的归一化输出量随曝光量变化情况 Figure 1 The changes of normalized output related to MU |
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图 2 EPID、FC65-G测得的Synergy 2周晨检归一化输出量结果 Figure 2 The changes of normalized output related to time |
射野尺寸测试方面，在10 cm×10 cm以下，EPID两次测量结果完全一致；＞10 cm×10 cm时，两次测试结果偏差0.03~0.05 cm。射野尺寸由9.60 cm增至10.40 cm时，两次测得射野x、y方向分别由9.67和9.72 cm、9.67和9.72 cm变化至10.49和10.56 cm、10.54和10.54 cm；铅门设定值每变化1 mm，EPID测得值变化介于0.78~1.15 mm间，这与Sun等[8]结果一致。
4.临床测试：两个月晨检中，EPID测得的μ值相对于基准值之比为0.98~1.02。射线质分布为0.214~0.217，基准值为0.215。开野、楔形野x、y方向射野大小测得值相对于基准值偏差分布分别为-0.06~0.02、-0.06~0.06及-0.04~0.03、-0.06~0.05 cm。射野中心坐标在x、y方向上随时间的变化分布为510.75~513.00、509.50~513.00 px。EPID测得F、S分布良好，无异常数据(图 3，4)。DailyQA3测得输出量、能量相对基准值波动范围分别为0.98~1.02、0.10%~0.90%，x、y方向射野大小、对称性相对基准值波动范围分别为-0.07~0.01 cm、-0.08~0.01 cm及-0.19%~0.94%、-0.46%~0.87%。EPID与DailyQA3所有临床测试结果均在允许限值内，且两种结果一致。
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图 3 EPID测得的x、y方向平坦度随时间变化情况 Figure 3 The changes of flatness measured by EPID inx and y directions |
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图 4 EPID测得的x、y方向对称性随时间变化情况 Figure 4 The changes of symmetry measured by EPID in x and y directions |
讨论
EPID长期稳定性是决定其能否应用于周检的关键，主要包括探测板摆位稳定性和像素剂量响应稳定性。本研究中，B组较A组射野中心x方向偏向x2约0.40 mm，y方向偏向y2约0.13 mm，此结果稍好于Wang等[13]所得的1 mm，与King等[14]得到的0.27 mm波动值一致。关于EPID探测器剂量响应稳定性，King等[14]对所用EPID探测器进行了3年的测试，发现所有像素剂量响应差异标准差均小于0.60%，超过99%的像素点剂量响应长期波动值均小于1.00%；Fidanzio等[15]所测EPID探测器对每MU响应的长期稳定性好于±2.00%；Sun等[8]建议1年校准1次足够满足临床大多数应用场景。参考上述结论及研究中经验笔者建议EPID校准周期为1年。
A、B两组测试结果显示EPID测得灰度值变化最大为0.45%，比电离室重复性测量所得波动0.03%大很多，为保证晨检结果可靠，可将EPID测得输出量容许限设定为2.50%，当波动大于此值时考虑用电离室补测。此外，由于输出量测试MU变化允许范围为±3 MU，因此EPID对于MU大小探测的分辨率好坏直接影响着测量结果的准确性与灵敏性。无论是测试4中线性测试1 MU的间隔，还是测试5中与电离室相比0.5 MU的测试间隔，EPID均能准确予以识别，这说明EPID能够灵敏且准确地监测输出量的变化。
小MU数曝光所得影像波动大的原因是：EPID最终获取图像为整个测量过程中所有帧图像的平均值，而探测板存在延迟效应，起始几帧图像无残留值，后续帧数图像受上一帧图像的残留数据影响。当MU数过少时，图像总帧数少，因而初始帧图像对最终结果影响大。曝光结束时最后若干帧图像存在类似影响。可通过预照射、丢弃起始/结束时的若干帧图像、增加两相邻测试时间间隔等措施减少此问题的影响，研究中相邻测试曝光间隔>2 min[16]。此外，有报道对于iViewGT探测板，当剂量率为700 MU/min、脉冲重复频率为400 Hz时，1个脉冲对应0.03 MU，此时对于1 MU的输出量，由脉冲量子化引起的剂量波动为0~2.90%，这也是造成小MU数曝光时剂量波动较大的重要原因[17]。
研究中用楔形因子的变化反映射线质变化是可行的，这是因为同一物体对能量不同的射线具有不同的衰减作用，衰减后与衰减前通量之比与该射线相对该衰减物的线性衰减系数成指数关系。当射线能量改变后，上述线性衰减系数改变，能量变化前后测得的剂量比值与两种能量线性衰减系数之差的指数负相关，因此，可用楔形因子的变化间接反映射线质变化。文中所定义平坦度对称性，前者是将瓦里安平坦度公式中分母由(Dmax+Dmin)换作Dcenter得到，后者为瓦里安对称性定义。因此，前者允许限设为6%，后者其允许限设为3%。
本研究对EPID线性、输出量及射野探测情况做了详细测试，因基于EPID影像获取上述信息时需使用建立晨检工具所用的算法，因此上述测试得到良好结果说明EPID本身特性和本研究所开发的算法均准确、可靠，即所建立的晨检工具准确可靠。
利益冲突 所有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 马阳光负责数据分析和论文撰写；王涛、刘帅蓬、冀传仙、霍佳收集文献、数据采集和分析；李宏伟、牛锐、王学敏负责数据验证和分析；郭跃信指导论文的撰写和修改
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