IMRT计划剂量验证通过率对机架角度误差灵敏度分析要点
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㊃物理㊃生物㊃技术㊃IMRT计划剂量验证通过率对机架角度误差
灵敏度分析
王宁王彬陈阿龙黄晓延
528400中山市中医院医学影像科(王宁);510060广州,华南肿瘤学国家重点实验室
中山大学肿瘤防治中心放射治疗科(王彬㊁陈阿龙㊁黄晓延)
通信作者:黄晓延,Email:huangxiaoy@sysucc.org.cn
DOI:10.3760/cma.j.issn.1004⁃4221.2016.12.012
ʌ摘要ɔ目的分析患者IMRT计划剂量验证通过率对机架角度误差的灵敏度㊂方法选取
9例IMRT计划,引入机架角度误差(ʃ2.0ʎ㊁ʃ1.0ʎ㊁ʃ0.5ʎ)㊂每个病例有7个计划,1个原计划和6个
带有误差的新计划㊂利用螺旋形半导体探测阵列(ArcCHECK)进行验证测量,得到每个病例原计划
和新计划的剂量分布㊂分别采用绝对剂量DTA和Gamma的计算方法,3%/3mm和2%/2mm为评价
指标,以原计划计算剂量分布为参考,分别得到每个计划的通过率㊂通过率行非参数Wilcoxon秩和检
验㊂结果当评价指标取3%/3mm时,9例原计划的平均通过率分别为DTA方法95.2%和Gamma
方法96.5%;采用Gamma方法-2.0ʎ㊁2.0ʎ㊁1.0ʎ㊁-0.5ʎ㊁0.5ʎ机架角度误差的计划平均通过率降低了
12.2%㊁23.5%㊁6.3%㊁0.9%㊁2.9%(P=0.008㊁0.008㊁0.008㊁0.036㊁0.012);采用DTA方法-2.0ʎ㊁
2.0ʎ㊁-1.0ʎ㊁1.0ʎ㊁0.5ʎ机架角度误差的计划平均通过率降低了16.2%㊁23.8%㊁1.7%㊁6.8%㊁3%(P
均=0.008)㊂DTA方法较Gamma方法,以及2%/2mm评价指标较3%/3mm对机架角度误差更敏
感㊂结论机架角度误差越大,平均通过率下降越大㊂0.5ʎ机架角度误差,IMRT计划的剂量验证也
对其敏感㊂为保证IMRT计划执行的准确性,需要对机架角度做更加严格的质量控制和质量保证㊂
ʌ关键词ɔ剂量验证; 机架; 角度误差; 通过率
Sensitivityofpassingratesofintensity⁃modulatedradiotherapyplansindoseverificationagainst
gantryangleerrorsWangNing,WangBin,ChenAlong,HuangXiaoyan
DepartmentofMedicalImaging,ZhongshanTraditionalChineseMedicineHospital,Zhongshan528400,China
(WangN);StateKeyLaboratoryofOncologyinSouthChina,DepartmentofRadiationOncology,Cancer
Center,SunYat⁃senUniversity,Guangzhou510060,China(WangB,ChenAL,HuangXY)
Correspondingauthor:HuangXiaoyan,Email:huangxiaoy@sysucc.org.cn
ʌAbstractɔObjectiveToanalyzethesensitivityofpassingratesofintensitymodulatedradiation
therapy(IMRT)plansindoseverificationagainstgantryangleerrors.MethodsGantryangleerrors(ʃ
2.0ʎ,ʃ1.0ʎ,andʃ0.5ʎ)wereintroducedintotheclinicalIMRTplansof9patients.Therewere7IMRT
plansforeachpatient,containing1originalIMRTplanand6IMRTplanswithgantryangleerrors.Thedose
distributionoftheoriginalandmodifiedplansforeachpatientwasmeasuredbyArcCHECKarray.Basedon
thedosedistributionoftheoriginalplan,thepassingrateofeachplanwascalculatedusingabsolutedistance
toagreement(DTA)analysisandGammaanalysiswiththecriteriaof3%/3mmand2%/2mm.The
obtainedpassingrateswereanalyzedbynon⁃parametricWilcoxonranktest.ResultsUnderthecriteriaof
3%/3mm,themeanpassingratein9originalIMRTplanswas95.2%usingDTAanalysisand96.5%
usingGammaanalysis.AccordingtoGammaanalysis,theplanswithgantryangleerrorsof-2.0ʎ,2.0ʎ,
1.0ʎ,-0.5ʎ,and0.5ʎhadthemeanpassingratesdecreasedby12.2%,23.5%,6.3%,0.9%,and
2.9%,respectively(P=0.008,0.008,0.008,0.036,0.012).AccordingtoDTAanalysis,theaboveplans
hadthemeanpassingratesdecreasedby16.2%,23.8%,1.7%,6.8%,and3%,respectively(allP=
0.008).ThepassingratescalculatedbyDTAmethodweremoresensitivetothegantryangleerrorsthan
thosebyGammamethod,whilethepassingratesunderthecriterionof2%/2mmweremoresensitivethan
thoseunderthecriterionof3%/3mm.ConclusionsThegreaterthegantryangleerrors,thelargerthe
decreaseinthemeanpassingrate.IMRTdoseverificationisevensensitiveenoughtodetectthegantryangle
万方数据
errorswithin0.5ʎ.Enhancedqualitycontrolandassuranceofgantryangleisneededtoguaranteethe
accuracyofIMRTdelivery.
ʌKeywordsɔ Doseverification; Gantry; Angleerrors; Passingrate
近年来,随着放疗技术的不断发展,IMRT在临床肿瘤治疗中应用广泛,其安全性和可靠性也越来越受到重视,需要更高要求的质量保证和质量控制,每个患者IMRT计划执行前的剂量验证是确保治疗准确的关键步骤[1⁃2]㊂Delta4㊁ArcCHECK等探测器阵列能提供三维剂量分布验证[3⁃5],可模拟IMRT计划的实际执行过程,提供更准确的验证信息㊂在不同机架角度下,MLC受重力㊁摩擦力㊁惯性等因素影响,导致MLC叶片实际到位误差㊁物理半影㊁漏射线等与计划系统的不同,IMRT时实际剂量分布所受到的影响也不尽相同[6⁃8]㊂而ArcCHECK半导体探头具有方向依赖性,射线束从不同角度入射时,探头所受的响应不同[3⁃4]㊂本研究针对IMRT技术,利用ArcCHECK三维半导体探测器研究患者治疗计划剂量验证通过率对机架角度误差的灵敏度㊂
材料与方法
1.材料:美国瓦里安Triology直线加速器,MLC共有60对叶片,中心40对叶片宽度为每片5mm,两端各10对叶片宽度为1cm,叶片最大运动速度为2.5cm/s,计划剂量率设置为600MU/min㊂TPS为瓦里安Eclipse10.1,计划采用6MVX线,剂量算法为各向异性解析算法(AAA),计算网格为2.5mm㊂验证工具为螺旋形半导体探测矩阵ArcCHECK及其配套的SNCPatientV6.1.1剂量分析软件㊂ArcCHECK由1386个半导体探头组成,半导体探头截面为0.64mm2,灵敏体积为0.019mm3,呈柱形放射状螺旋分布在离中心10.4cm的矩阵直径21cm长度21cm的圆柱面上,探头间距为1cm,可测量入射和出射剂量㊂
2.病例选择:选取中山大学肿瘤防治中心进行放疗的9例患者IMRT计划,中心型肺癌㊁右侧乳腺癌和左侧颞叶部位脑胶质瘤各3例㊂所有IMRT计划均采用5个野照射,肺癌射野角度为0ʎ㊁60ʎ㊁150ʎ㊁210ʎ和300ʎ,乳腺癌射野角度为30ʎ㊁100ʎ㊁130ʎ㊁300ʎ和330ʎ,脑胶质瘤射野角度为0ʎ㊁40ʎ㊁240ʎ㊁280ʎ和320ʎ㊂所有PTV为101.7 490.3cm3,其中脑瘤PTV平均值为108.8cm3,乳腺癌PTV平均值为323.6cm3,肺癌PTV平均值为435.3cm3㊂3.IMRT计划执行过程中机架角度误差模拟设置:本研究在每个病例的IMRT计划中引入的机架角度到位误差分别为ʃ2.0ʎ㊁ʃ1.0ʎ和ʃ0.5ʎ,正的误差代表顺时针方向的误差,使机架角度变大;负的误差代表逆时针方向的误差,使机架角度变小㊂例如,
+2ʎ代表每个计划的5个射野角度都有偏大2ʎ的误差;-2ʎ代表每个计划的2个射野角度偏小2ʎ的误差㊂通过直线加速器4DTC上的override功能人为引入机架角度误差并执行,每个病例都有1个原计划和6个引入误差的新计划㊂为了去除ArcCHECK摆位误差带来的影响,所有病例及其7个计划都在相同的摆位条件下进行剂量验证㊂
4.评价指标:利用SNCPatientV6.1.1剂量分析软件对每个计划的测量剂量分布和计算剂量分布进行分析处理,取最大剂量点为剂量归一点,剂量阈值设置为10%㊂分别采用绝对剂量结合等DTA方法和Gamma方法得到每个计划的剂量验证通过率,其中误差限定条件为2%(剂量误差)/2mm(位置误差)和3%/3mm㊂
5.统计方法:采用SPSS20.0软件对两种分析方法下原计划通过率和引入误差后的通过率行非参数Wilcoxon秩和检验,P<0.05为差异具有统计学意义㊂
结果
1.原计划通过率:当评价指标取3%/3mm时,所有病例的计划通过率>90%,平均通过率分别为Gamma方法96.5%和DTA方法95.2%;当评价指标取2%/2mm时,所有病例的计划通过率都>75%,平均通过率分别为Gamma方法84.6%和DTA方法84.4%(表1和表2中的0ʎ时的值)㊂
表19例病例引入误差后剂量验证的Gamma方法
平均通过率和标准差(%,xʃs)
误差3%/3mmP值2%/2mmP值-2.0ʎ84.3ʃ5.30.00865.8ʃ8.80.008-1.0ʎ95.2ʃ2.70.13881.4ʃ5.80.011-0.5ʎ95.6ʃ2.20.03683.5ʃ7.00.1920ʎ96.50ʃ1.884.6ʃ5.70.5ʎ93.6ʃ3.10.01277.7ʃ7.80.0081.0ʎ90.2ʃ4.40.00871.3ʃ8.10.0082.0ʎ73.0ʃ11.20.00852.6ʃ10.80.008
2.引入误差后计划的通过率:当评价指标取3%/3mm时,采用Gamma方法与原计划相比平均通过率下降了12.2%㊁23.5%㊁6.3%㊁0.9%㊁2.9%;采用DTA方法与原计划相比平均通过率下降了
万方数据
16.2%㊁23.8%㊁1.7%㊁6.8%㊁3.0%;当评价指标取2%/2mm时,采用Gamma方法与原计划相比平均通过率下降了18.9%㊁32%㊁3.2%㊁13.4%㊁6.9%;采用DTA方法与原计划相比平均通过率下降了21.9%㊁31.3%㊁4.2%㊁13.9%㊁1.8%和7.1%;详见表1和表2㊂相同的旋转方向上,机架角度误差越大,平均通过率下降越大;相同的角度误差绝对值下,顺时针方向误差较逆时针方向误差的通过率下降更大;相同的角度误差下,DTA方法较Gamma方法通过率下降更大㊂图1同时显示了应用3%/3mm和2%/2mm为评价指标时每种误差引起的通过率的变化,从中可以发现2%/2mm评价指标较3%/3mm通过率变化更大,对机架角度误差更敏感㊂机架角度顺时针方向误差时,Gamma方法和
DTA方法平均通过率变化较为接近,逆时针方向误差时,DTA方法较Gamma方法,平均通过率变化更大,对机架角度误差更敏感㊂
表2 9例病例引入误差后剂量验证的DTA方法
平均通过率和标准差(%,
xʃs)误差3%/3mmP值2%/2mmP值-2.0ʎ79.1ʃ7.80.00862.5ʃ6.90.008-1.0ʎ93.5ʃ2.90.00880.1ʃ4.10.011-0.5ʎ94.5ʃ2.10.25882.6ʃ5.40.0380ʎ
95.2ʃ1.684.4ʃ4.70.5ʎ92.2ʃ2.90.00877.3ʃ6.30.0081.0ʎ88.4ʃ4.00.00870.5ʃ6.20.0082.0ʎ71.4ʃ8.4
0.008
53.1ʃ8.3
0.008
图1 不同评价指标时9例病例引入每种误差前后平均通过率变化
讨 论
ArcCHECK进行剂量对比时,剂量差别分为绝对剂量差别和相对剂量差别两种方法,当选用绝对剂量差别为评价指标时,在测量之前需要对ArcCHECK进行绝对剂量的校准㊂当绝对剂量结合等剂量距离差别方法(DTA)时采用Jursinic和
Nelms[9]描述的算法计算通过率㊂选用此方法对测
量所得剂量分布和计算所得剂量分布相对应点处做剂量对比,以选用3%/3mm指标为例,当满足以下任何一个条件时则认为该点通过:(1)剂量差别在ʃ3%以内;(2)以此点为圆心计算剂量分布上3mm
为半径的圆内存在一点和测量所对应的点处剂量相同㊂Low等[10⁃12]在1997年最初提出Gamma指数方法同时考虑到了剂量偏差和位置偏差,计算点通过的标准降低,通过的点更多也是更全面的评判方法,相比于DTA方法通过率更高㊂引入机架角度误差,主要引起测量所得剂量分布和计算所得剂量分布剂量点位置的偏差,导致DTA方法的通过率下降幅度大于Gamma方法,对机架角度误差更敏感㊂
IMRT计划的剂量验证通过率受多方面因素影响,当引入机架角度误差后通过率变化也受多方面因素影响㊂第一,ArcCHECK三维探测器阵列为圆柱形,不同机架角度,射线的入射角度不同,入射横截面也不同;第二,ArcCHECK阵列的半导体探头具有方向依赖性,射线不同角度入射,探头剂量响应也有差别[3⁃4];第三,部分射野角度还受到平板床对射线衰减影响,射线角度变化导致平板床对射线衰减也产生变化;第四,不同角度下加速器剂量输出量也有细微差别;第五,加速器不同机架角时MLC叶片重力㊁摩擦力㊁惯性等原因导致MLC叶片到位误差㊁物理半影㊁漏射线不同对IMRT剂量分布确有影响[6⁃8]㊂相同角度误差下,正角度误差(顺时针方向)相比负角度误差(逆时针方向)的通过率下降更大㊂主要考虑两方面因素:首先,圆柱形ArcCHECK模体摆位时,其旋转平衡状态下可带有顺时针方向
(0ʎ +0.5ʎ)或逆时针方向(0ʎ -0.5ʎ)的角度误差(参见ArcCHECK的帮助文档);其次,近2年加速器月检数据表明,加速器机架自身存在偏向顺时针一侧0ʎ +0.5ʎ的角度误差[13]㊂2个因素叠加后,剂量验证时机架相对于ArcCHECK模体存在偏向顺时针一侧的原始角度误差;引入顺时针0.5ʎ误差后真实误差>0.5ʎ,引入逆时针0.5ʎ误差后真实误
差<0.5ʎ,其他角度误差依次类推㊂因此,造成机架角正角度误差通过率降低更大㊂
尽管对于ʃ2ʎ的机架角度误差,本研究仍有部分病例3%/3mm的通过率>90%,单纯依靠IMRT计划通过率能否达到90%来判断计划是否通过,并不能反映出加速器执行过程中可能出现的这些误差㊂可以根据加速器和计划系统验收后一段时间的验证结果建立容许范围,以后验证结果是否在此范围之内来判断治疗计划是否符合要求和反映加速器
万方数据
状态㊂每个单位容许范围可能有所不同㊂另外一点需要指出的是,机架角度的误差对剂量影响和每个射野角度的剂量权重有关,不同计划系统IMRT计划对机架角度误差敏感度可能有所不同㊂此外,不同计划验证设备对机架角度误差敏感度不同,所得结果也有所不同㊂
本研究结果显示评价指标为3%/3mm和2%/2mm时,引入机架角度误差后Gamma和DTA通过率都下降明显,且误差越大下降越大;2%/2mm指标下2ʎ误差降幅都达到30%以上,0.5ʎ机架角度误差IMRT计划的剂量验证也对其敏感㊂为保证IMRT计划执行的准确性,需要三维探测器矩阵的精确摆位,并针对机架角度做更加严格的质量控制和质量保证㊂
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(收稿日期:2015⁃10⁃12)
万方数据。