立體定向放射治療計劃不同劑量區間三維γ通過率分析

劉穎，孫海濤，鄧青萍，袁玲，張紅利，徐瑤瑤，張曉鵬，王鑫，石興源

1.廣州醫科大學附屬第五醫院放射治療科，廣東廣州510700；2.中山市中醫院醫學影像放療室，廣東中山528400；3.惠州市中心人民醫院設備科，廣東惠州516001

前 言

隨著放射治療（以下簡稱放療）技術的發展，放療在腫瘤治療中的地位不斷提升，放射治療技術從最初的適形放射治療，發展為調強放射治療（IMRT［1］）和容積調強放射治療（VMAT）。立體定向放射治療（SBRT）是比調強放射治療精度要求更高和技術更復雜的放射治療技術。IMRT治療技術分為靜態和動態調強兩種，目前廣泛使用的動態調強特點是保持機架角固定，多葉光柵（MLC）走位時同時出束，且不斷調節射束強度［2］，VMAT技術在IMRT技術上，加入機架角的旋轉，因此IMRT 和VMAT 治療計劃執行前，需驗證放療計劃劑量準確性，以確保MLC 的走位、射束強度等所有機械參數準確執行。SBRT 技術在VMAT 技術上，加入床角的旋轉，即采用非共面照射技術［3］，因此計劃復雜度更高。IMRT 和VMAT 計劃多采用FF（Flattening Filter）模式，而SBRT 計劃采用FFF（Flattening Filter Free）模式，FFF 模式下，未使用均整塊處理射束，使得出射的射束強度中間高，周圍低［4］，因此射線的特點與FF 有較大區別［5］。與FF 相比，FFF模式［6］具有高劑量率、機頭散射低、漏射少、射野外劑量小等優勢，這些優勢使得FFF 模式下，靶區外劑量跌落更迅速，細小的誤差都會導致較大的劑量差別，因此劑量驗證的要求更高。SBRT 計劃執行過程的可靠性受床旋轉穩定性、機架旋轉穩定性、旋轉速度、劑量率穩定性、MLC 到位精度的準確性［7］等多種因素的影響。為保證SBRT 計劃能夠可靠執行，需在病人治療前進行嚴格的治療計劃驗證。目前能用于計劃驗證的設備較多，如ARCCHECK（Sun nuclear）［8］、OCTAVIUS（PTW）［9］、Delta4（Scandidos）［10］、基于EPID 的設備［11］等。這些設備都是以γ 通過率為計劃驗證［12］通過與否的指標，但目前絕大多數工作者只關注總的通過率，而未深入分析γ 通過率的特點。

IMRT 和VMAT 一般用于治療靶區相對較大，單次劑量小的腫瘤，低劑量區和高劑量區的比例較均衡，SBRT 計劃一般常用于治療腫瘤較小的靶區，靶區處方劑量高，劑量跌落快，低劑量區的比例遠大于高劑量區［13］。目前用γ通過率為指標，驗證放療計劃實際執行時的劑量分布與TPS 計算的劑量分布是否一致，而根據γ值計算定義，低劑量區的γ值一般低于高劑量區的γ值，γ值越低，γ通過率越高，低劑量區的γ通過率高于高劑量區。因此，SBRT 計劃中，低劑量區的γ通過率會掩蓋高劑量區的γ通過率。在驗證SBRT 計劃時，靶區通過率容易被低劑量區的通過率所掩蓋，且單次劑量越高，低劑量區劑量的變化越容易被過度歸一［14］，使得低劑量區的通過率越高，越容易掩蓋靶區的通過率。為探究SBRT 計劃劑量驗證通過率的特征，先分析不同閾值下γ通過率的變化，然后再分析不同的劑量區間內γ通過率的特征，最后，為探究γ通過率對不同劑量區間內劑量改變的敏感性，以5%為梯度，修改不同劑量區間內的劑量，并重新計算劑量γ通過率，計算出敏感度。

1 材料與方法

SBRT 計劃驗證過程為將患者放療計劃移植到均勻水模體上，然后計算放射治療計劃系統（TPS）計算的水模體上三維劑量分布（Dt）與計劃驗證設備重建出的實際劑量分布（Dp）間的γ通過率。本實驗中采用PTW 公司的OCTAVIUS 圓柱形均勻水模體，并用其配套的Verisoft 軟件重建出經過OCTAVIUS 的實際劑量分布，最后在Matlab 中計算Verisoft 重建出的三維劑量（Dp）與TPS 計算的三維劑量（Dt）間的γ通過率，圖1為驗證過程示意圖。

圖1 三維計劃驗證過程Fig.1 Three-dimensional plan verification

1.1 三維計劃驗證過程

本實驗所用直線加速器為美國Variance 公司的Trilogy（配備60 對多頁光柵）［15］，使用的TPS 系統為Eclipse13.6 治療計劃系統。三維驗證設備為德國PTW 公司的OVTAVIUS 圓柱形均勻水模體、1600SRS［16］二維電離室矩陣及分析軟件Verisoft。其中1600SRS 二維電離室矩陣由1 381 個液體電離室組成，電離室大小為0.003 cm3，電離室探測范圍為15 cm×15 cm，中心6.5 cm×6.5 cm 區域內的電離室較密集，電離室間距為2.5 mm，外圍電離室間距為5.0 mm。Verisoft 軟件可將探測板采集到的二維劑量分布重建為三維劑量Dp，并可將重建的劑量以DICOM 格式導出。在驗證前，需標定驗證設備，使用的標定工具為比利時IBA 公司的指型電離室FC65G及DOSE1劑量儀，小水箱，及IBA公司的固體水一套。

PTW 三維計劃驗證時，首先用CT 掃描OVTAVIUS 模體，將此模體的CT 圖像導入TPS 中，然后將患者計劃移植到OVTAVIUS 模體CT 集上，得到患者驗證計劃，將此驗證計劃傳入四維集成治療控制臺（4-D Intergrated Treatment Console, 4DCT）上，對準OVTAVIUS 模體中心與直線加速器等中心后，在直線加速器上執行患者驗證計劃，并同時使用1600SRS 二維電離室矩陣采集OVTAVIUS 模體中心層面的劑量分布，在Verisoft 軟件中將1600SRS 采集到的二維劑量分布重建為三維劑量分布（Dp），并計算Dt與Dp的γ通過率，流程示意圖見圖2。

圖2 不同閾值下計算γ通過率的區域示意圖Fig.2 Regional diagrams of gamma passing rate calculated under different thresholds

由于SBRT 計劃精度要求高，在劑量計算時，計算網格大小設置為1 mm［17］，選用精度更高的AXB劑量計算算法［18］。劑量驗證前，先刻度驗證設備，刻度時，在治療床上放置5 塊固體水，將指型電離室插入固體水預留的插孔中，用指型電離室和IBA劑量儀測量出標準條件（SSD=100，射野大?。?0×10）cm2，水下5 cm）下直線加速器出束200 MU 的劑量儀度數，再將劑量儀讀數轉換為絕對劑量。此絕對劑量用于刻度1600SRS 探測板，刻度過程為：首先匹配1600SRS 探測板中心電離室與加速器絕對劑量，將OCTAVIUS 模體置于治療床上，調節好1600SRS 探測板，使探測板水平放置，在探測板上放置機架角置于0°，射野大小為（10×10）cm2，劑量率300 MU/min，出200 MU 射束。再導入1600SRS 探測板校準文件，匹配所有電離室與絕對劑量。在4DTC 上執行患者驗證計劃，用1600SRS 探測器采集SBRT 患者驗證計劃在OCTAVIUS中心層面的二維劑量分布，并根據此二維劑量分布，在Verisoft 軟件中重建出患者驗證計劃在OCTAVIUS 中的三維劑量分布。SBRT 計劃是非共面射野，但在實際執行過程中，仍保持床角0°［19］，不同床角的射野分開保存，重建時在Verisoft 軟件中輸入對應的床角，以此重建出三維非共面的劑量分布。最后在Matlab中計算Verisoft重建出的三維劑量（Dp）與TPS計算的三維劑量（Dt）間的γ通過率。

1.2 γ通過率

γ值是對比TPS 計算的劑量分布和驗證設備重建或采集的劑量分布一致性度量函數，也是目前最常用 于劑量 驗證的 指 標［20］，γ值的 計算公 式 如下所示：

計算局部γ值時的計算公式如下所示：

當γ小于1 時，認為參考圖像與測量圖像的兩點間γ檢測通過，將所有的γ值小于1 的點的總數目除以計算γ值的點的總數目，即為γ通過率，本文中分析全局γ通過率，計算γ值的點的總數目由閾值決定，閾值越小，計算γ值的點的總數目越多。

1.3 敏感度

為探究不同劑量區間內，γ通過率檢測區間劑量改變的敏感性，用式（4）計算γ檢測的敏感度：

其中，γ0指區間劑量未改變時的γ通過率，γc指區間劑量修改后的γ通過率。

1.4 實驗過程

選取廣州醫科大學附屬第五醫院放射治療科于2019年7月31日 至2021年3月31日執行的38 例SBRT 計劃，并移植到OCTAVIUS 模體中生成驗證計劃，重建出驗證計劃實際執行時的三維劑量分布Dp，并將Dp 以DICOM 形式導出，將Dp 導入Matlab R2019a 中［21］，根據γ驗證定義，編寫γ通過率函數，在Matlab 中首先計算不同閾值下Dp 與Dt 間的γ通過率，選擇的閾值以10%為梯度遞增，并以10%閾值的γ通過率作為基準值1，分析其他閾值的γ通過率與基準值1間是否有顯著性差異，此過程可分析不同閾值對γ通過率的影響，過程如圖2 所示。根據劑量跌落原理分析，離靶區越遠，劑量跌落越慢，因此離靶區遠的低劑量區域大于離靶區近的高劑量區域。

為分析不同劑量區間內γ通過率，將Dp 以10%分解成不同的劑量區間，分解示意圖如圖3 所示，計算不同劑量區間內γ通過率。隨后對不同區間內的劑量以5%為梯度，增加不同劑量區間內的劑量，并計算區間劑量增加后劑量分布Dp'與Dt 間的γ通過率，并計算γ通過率探測不同劑量區間的劑量變化的敏感度，隨后以11%～100%為基準值2，分析不同劑量區間的γ通過率與基準值2之間是否存在顯著性差異。實驗過程流程圖如圖4 所示，將Verisoft 導出的重建的三維劑量分布Dp與TPS導出的驗證計劃劑量分布Dt 導入Matlab，在Matlab 中分別計算不同閾值下和不同劑量區間的γ通過率，再單獨修改某一劑量區間的劑量，再重新計算Dp'與Dt 間的γ通過率，并計算γ驗證的敏感度。

圖3 不同劑量區間示意圖Fig.3 Diagram of different dose ranges

圖4 實驗過程流程圖Fig.4 Experimental flowchart

2 結果

2.1 不同閾值對γ通過率的影響

38 例SBRT 患者不同閾值γ通過率均值如表1 所示，3%/3 mm 標準下，當閾值大于40%后，γ通過率小于90%，在2%/3 mm 標準下，只有10%閾值的γ通過率大于90%，其他閾值下的γ通過率小于90%。2%/2 mm和3%/2 mm 標準下，所有閾值的通過率均小于90%。當搜索區域為2 mm 時，γ通過率普遍偏低，造成此結果的可能因素包括：首先，在執行驗證計劃時，擺放模體的等中心與TPS 掃描時的模體等中心間存在誤差；其次，由于未進行插值處理，且劑量計算網格大小為1.25 mm，所以當搜索域為2 mm 時，對于測量圖像中的某點，只能在參考圖像中找到一個點來計算γ值，因此會降低γ通過率。圖5 為不同閾值γ通過率箱線圖，從圖中可看出，3%/3 mm、3%/2 mm、2%/3 mm及2%/2 mm 標準下，閾值大于41%后的通過率波動較大。γ通過率均值曲線圖分別如圖6 所示，從圖6中可看出，不同γ標準下，γ通過率隨著閾值的增大逐步減小，到閾值為50%后，γ通過率普遍較低，變化較小，在臨床治療過程中，將劑量大于50%的稱為照射區，此結果說明照射區內的劑量通過率普遍較低，在照射區外，尤其是低劑量區內的劑量通過率較高。以10%閾值的通過率作為基準1，分析不同閾值的γ通過率與基準值1間是否存在顯著差異，首先分析數據分布特征，由于數據不服從正態分布，故采用非參檢驗，檢驗結果顯示所有不同閾值下的γ通過率與基準值1間非參檢驗P值都為0，即都存在顯著性差異。

圖5 不同γ標準下不同閾值的劑量驗證γ通過率箱線圖Fig.5 Boxplots of gamma passing rates in dose verification under different thresholds and at different criteria

圖6 不同閾值的γ通過率均值曲線圖Fig.6 Histogram of mean gamma passing rate under different thresholds

表1 不同γ標準下不同閾值的γ通過率的均值和方差（%）Tab.1 Mean and variance of gamma passing rates under different thresholds and at different criteria (%)

2.2 不同劑量區間的γ通過率

38例SBRT患者不同劑量區間γ通過率均值曲線圖如圖7 所示。從圖7 可看出，γ通過率均值成下降趨勢，且到51%以上γ通過率均值保持基本不變。為進一步分析，圖8 為不同劑量區間的γ通過率的箱線圖，從圖8可看出，若以10%閾值的γ通過率作為基準數據，則11%～20%劑量區間的γ通過率高于基準數據，且波動性更小。劑量大于41%的所有區間的γ通過率均不同程度低于基準數據，且波動性較大，這可能與靶區大小有關。從表2 可看出，搜索范圍越小時，γ通過率越低，但低劑量區的受影響程度遠低于高劑量區。由于本實驗中，并未對參考劑量和測量劑量進行插值和配準處理，得到的是最原始的劑量分布的γ通過率，因此結果會比PTW 配置的Verisoft計算出的結果低。表2 顯示所有γ標準下劑量大于51%的區間通過率均低于90%，臨床上將50%的處方劑量包繞的區域定義為照射區，由于最大劑量一般大于處方劑量，因此51%最大值包繞的區域在照射區以內，即說明照射區以內的平均γ通過率小于90%，在3%/3 mm 標準下，10%閾值下γ通過率均值為96.4%，11%～20%和21%～30%劑量區間的通過率均值分別為98.44%和95.84%，均大于95%，31%～40%和41%～50%劑量區間的通過率均值分別為93.52%和90.15%，均大于90%，而照射區內，劑量通過率的均值均低于90%，且波動性極大。2%/3 mm 標準下，10%閾值下γ通過率均值為92.09%，而只有11%～20%和21%～30%的γ通過率高于90%，其余區間的通過率均低于90%。4 種標準下，γ通過率隨著劑量增加，各區間內的γ通過率呈下降趨勢，且高劑量區的通過率明顯低于低劑量區。由于數據不服從正態分布，將10%～100%的數據作為基準數據，經非參檢驗后，其結果顯示P值都為0，即都存在顯著性差異。

表2 不同γ標準下γ通過率的均值和方差Tab.2 Mean and variance of gamma passing rate at different criteria

圖7 不同劑量區間γ通過率均值曲線圖Fig.7 Mean gamma passing rates in different dose ranges

圖8 不同劑量區間的γ通過率箱線圖Fig.8 Boxplots of gamma passing rate in different dose ranges

2.3 不同劑量區間內γ通過率對劑量改變的敏感性

為進一步研究不同區間內，γ通過率對劑量改變的敏感性，以5%的梯度增加不同區間內的劑量，然后計算區間劑量增加后的10%～100%范圍內的γ通過率，再根據敏感度計算公式，得出不同劑量區間劑量改變時γ通過率檢測的敏感度。從閾值和區間劑量γ通過率的趨勢分析，不同標準下的γ通過率的變化趨勢相似，因此在探究劑量改變對γ通過率影響時，只分析了3%/2 mm 標準下γ通過率對劑量改變的敏感度。以5%為梯度增加特定劑量區間內的劑量，增加到50%止。圖9為不同劑量區間內劑量增加后γ通過率變化的曲線圖，從圖中可看出11%～20%劑量區間內劑量增加對γ通過率的影響較大，21%～30%區間內劑量增加也會產生影響，但影響程度遠小于11%～20%；31%～40%區間內劑量增加對γ通過率稍有影響，大于41%劑量區間對γ通過率的影響很小。圖10 為不同劑量區間內劑量增加后γ通過率變化的均值箱線圖，從圖10 可看出，增加11%～20%劑量區間的劑量時，γ通過率變化較大，波動也較大，21%～30%區間的劑量變化對γ通過率的影響小于11%～20%，劑量大于61%的所有劑量區間內劑量的增加對γ通過率的影響都較小。圖11 為不同劑量區間內劑量增加后γ通過率變化箱線圖，從圖中可看出，11%～20%區間內，隨劑量的增加，γ通過率先快速降低，后又升高，劑量增加對γ通過率的影響非常明顯。21%～30%區間γ通過率隨區間劑量增加呈現先下降后基本保持不變的規律，當劑量增加30%以上后，γ通過率基本保持不變。31%～40%劑量區間內，劑量增加對γ通過率的影響較小，在增加20%之內，γ通過率稍有降低，當劑量增加大于20%后，γ通過率基本保持不變。劑量大于41%的所有區間內，劑量增加對γ通過率的影響都較小。

圖9 不同劑量區間內劑量增加后γ通過率曲線圖Fig.9 Mean gamma passing rates in different dose range after dose increase

圖10 不同劑量區間內劑量增加后γ通過率箱線圖Fig.10 Boxplots of gamma passing rate in different dose ranges after dose increase

圖11 不同劑量區間內劑量增加后γ通過率均值箱線圖Fig.11 Boxplots of mean gamma passing rate in different dose ranges after dose increase

為進一步分析不同劑量區間內劑量增加對γ通過率的影響，計算γ對劑量增加的敏感度。按照敏感度計算公式，得到γ通過率對不同劑量區間劑量增加的敏感度，并分析劑量增加后的γ通過率與原γ通過率是否存在顯著性差異。圖12 為γ通過率對不同劑量區間劑量增加敏感度箱線圖，從圖中可看出γ通過率對低劑量區的劑量改變較敏感，尤其是11%～20%劑量區間內劑量的增加敏感，對21%～30%和31%～40%區間內的敏感度稍弱，但對劑量大于51%的劑量區間內劑量的增加基本不敏感。

圖12 γ通過率對不同劑量區間劑量增加敏感度箱線圖Fig.12 Sensitive of gamma passing rate to the dose increase in different dose ranges

3 討論

在臨床工作中，SBRT 技術是常用于無法手術或不愿接受手術治療的腫瘤患者的有效治療手段之一，而SBRT技術比調強技術更復雜，因此SBRT計劃劑量驗證應比調強計劃劑量驗證要求更高。從實驗結果可看出，γ通過率對41%以上劑量區間內的劑量改變不敏感，因此驗證SBRT 計劃劑量時，臨床工作者不應只看γ通過率，而應透徹了解γ通過率的計算過程及特點，當得到不同的γ通過率時，應分析γ值低的原因，并評估其可能造成的影響。從實驗結果可看出，高劑量區的劑量改變對γ通過率的影響較小。

除本實驗中考慮的影響因素外，還有其他因素會影響γ通過率。首先，目前所有的放療計劃劑量驗證都是將病人的治療計劃移植到均勻水模體中生成驗證計劃，但是從劑量計算算法來看，病人體內的劑量計算除蒙特卡羅算法外，大多數的算法都是根據CT值，將水吸收劑量轉換為相應組織吸收劑量，劑量計算時，非均勻性校準一直是劑量計算中的重點和難點。因此，應該使用相應的劑量驗證設備，能驗證將病人的治療計劃移植到非均勻模體上，并驗證采集的非均勻模體的劑量及重建劑量與TPS 計算的劑量的γ通過率。其次，計算劑量差異時，在參考圖像的搜索范圍，當搜索范圍越大時，可對比的點數越多，可能會降低γ值，從而提高γ通過率。第三，是否對劑量分布進行插值處理，當進行插值處理時，應分析對參考圖像或測量圖像，還是兩者都進行了插值處理，若只對參考圖像進行插值處理，則相當于測量點可在參考圖像中尋找的對比點更多，理論上會提高γ通過率，若對測量圖像進行插值處理，則相當于需計算γ值點的總數增多，而低劑量區的點增加量遠多于高劑量區，理論上也會提高γ通過率，因此，應充分了解驗證設備是否進行了插值處理，用的是何種插值算法，插值給γ通過率會造成哪些影響。第四，配準的影響，在做劑量驗證時，首先要將參考圖像和測量圖像配準后，才能完成γ值的計算，當配準精度不夠時，可能會降低γ通過率。

SBRT 計劃常用于治療靶區較小的病灶，且靶區內的劑量遠高于靶區外劑量，因此，常會得到較高的全局γ通過率，因為全局γ計算時，將劑量差異歸一到全局最大值，勢必會減小劑量差異影響，此時靶區外的點的γ值都偏低，且SBRT計劃中靶區小，靶區外的點遠遠多于靶區內的點，因此會拉高全局γ通過率。因此，對于SBRT計劃，應關注不同劑量區間的γ通過率，再結合靶區特點，分析γ值高的點與靶區間的距離，以及該點是否屬于重要器官或并聯器官，并判斷此點γ值偏高的影響。其次，靶區劑量越高時，對低劑量區的劑量改變越不敏感，若在靶區外有重要器官如脊髓、腦干等，應關注此結構對應的局部γ通過率。因此驗證SBRT 計劃γ通過率時，不能只單獨看全局γ通過率，同時也要關注不同劑量區間的γ通過率。根據本文的實驗結果，作者認為可以給每個劑量區間加入不同的權重，并得到最后的γ通過率，或者在做計劃驗證時，將γ通過率與解剖結構聯系起來，給不同的結構相應的權重，得到加權后的γ通過率，用此γ通過率判斷SBRT計劃驗證是否通過。