基于ArcCheck和电子射野影像装置脑瘤患者特异性容积调强放射治疗剂量验证过程容差限值与干预限值研究.pdf

学术论著ZHONGGUOYIXUEZHUANGBEI 19中国医学装备2023年8月第20卷第8期 China Medical Equipment 2023 August Vol.20 No.8*基金项目：首都卫生发展科研专项(2020-2-1072)“IDH突变伴MGMT甲基化和/或1p/19q缺失低级别胶质瘤低量放射治疗联合替莫唑胺化疗的有效性和安全性研究”首都医科大学附属北京天坛医院放疗科 北京 100070*通信作者：qiuxiaoguangbjtth.org作者简介：史传磊，男，(1987-)，硕士，物理师，从事医院临床医学物理技术及研究工作。文章编号 1672-8270(2023)08-0019-06 中图分类号 R816.1 文献标识码 AStudy on TL and AL in the process of dose verification of specific VMAT for patients with brain tumor based on ArcCheck and EPID/SHI Chuan-lei,GAO Feng,GONG Jin,et al/China Medical Equipment,2023,20(8):19-24.Abstract Objective:To carry out the dose verification of specific volumetric modulated arc therapy(VMAT)for patients with brain tumor based on ArcCheck and electronic portal imaging devices(EPID),and to pinpoint the applicability of the two different kinds of verification tools for the VMAT dose verification for brain tumor,and to explore the tolerance limits(TL)and action limits(AL)of pass rate in dose verification,so as to provide reference for quality control of radiotherapy.Methods:A random number table method was used to select 180 patients with brain tumors who underwent the VMAT plans in the hospital.According to the disease type and location,the plans of these patients were divided into 30 cases with larger target region of glioma plan(x direction 14 cm),30 cases with medium-target region of glioma plan(x 14 cm),30 cases with smaller target region of ependymoma plan,30 cases with germinoma of whole brain plan,30 cases with germinoma of whole ventricle plan,60 cases with germinoma of small field dosage plan and 30 cases with meningioma plan.Dose verifications based on ArcCheck and EPID were respectively performed for all plans,and they were divided into ArcCheck group and EPID group,and analyses were set as 3%/2mm standard and pass rate 95%under 10%dose threshold value.The pass rates of two groups of verification plans were compared,and the TL and AL of dose verification were further evaluated.Results:The pass rates of ArcCheck group in the larger target region of glioma plan and whole brain plan were respectively 98.40%and 98.90%,which were significantly higher than those of EPID group(Z=-4.423,Z=-4.685,P0.05).The TL and AL of ArcCheck group were obviously higher than the general limits,and the TL and AL of the EPID group were nearly 5%worse than the general limits.The pass rates of ArcCheck group and EPID group in medium-target region of glioma plan and whole ventricle plan were respectively 96.98%/97.36%and 97.11%/97.60%,and the differences of them between two groups were respectively not statistically significant,and both the TL and AL of two groups were respectively larger than 94%and 90%.For the smaller target region of ependymoma plan and germinoma of small field dosage plan,the pass rates of ArcCheck group were respectively 93.45%and 94.06%,which were less than those of EPID group,and the differences of them between two groups were statistically significant(t=-9.40%,摘要 目的：基于ArcCheck和电子射野影像装置(EPID)开展脑瘤患者特异性容积调强放射治疗(VMAT)剂量验证，明确两种不同类别验证工具对脑瘤VMAT剂量验证的适用性，探索剂量验证中通过率容差限值(TL)和干预限值(AL)，为放射治疗质量控制提供参考。方法：采用随机数表法选取在医院实施VMAT计划的180例脑瘤患者。根据病种及部位的不同将其分为30例较大靶区胶质瘤计划(X方向14 cm)、30例中等靶区胶质瘤计划(X方向14 cm)、30例较小靶区室管膜瘤计划、30例生殖细胞瘤全脑计划、30例生殖细胞瘤全脑室计划、60例生殖细胞瘤小野加量计划和30例脑膜瘤计划，分别基于ArcCheck和EPID开展剂量验证，并将其分为ArcCheck组和EPID组；分析均设置为3%/2 mm标准、10%剂量阈值下通过率95%；对比两组验证计划通过率，评价剂量验证的TL和AL。结果：靶区较大胶质瘤和全脑计划中ArcCheck组通过率分别为98.40%和98.90%，均高于EPID组，其差异有统计学意义(Z=-4.423，Z=-4.685；P0.05)，ArcCheck组TL、AL明显高于通用限值，EPID组TL、AL较通用限值差近5%；靶区中等胶质瘤和全脑室计划中ArcCheck组和EPID组通过率分别为96.98%、97.36%和97.11%、97.60%，两组通过率差异无统计学意义，两组TL和AL均94%和90%；小靶区的室管膜瘤计划和生殖细胞瘤小野加量计划，ArcCheck组通过率分别为93.45%和94.06%，均低于EPID组，其差异有统计学意义(t=-9.40%，t=-9.41；P0.05)，ArcCheck组TL较通用限值差分别为6.88%和8.47%，AL较通用限值差分别为10.40%和8.76%，EPID组TL90%、AL接近90%；靶区大小不一、形状复杂的脑膜瘤中ArcCheck组和EPID组通过率分别为96.75%和97.05%，差异均无统计学意义，ArcCheck组TL、AL分别为89.33%和86.86%；EPID组TL、AL分别为93.17%和89.69%，更接近通用限值。结论：在靶区较大胶质瘤和全脑VMAT计划中，推荐使用ArcCheck进行剂量验证。在靶区较小室管膜瘤、生殖细胞瘤小野和脑膜瘤VMAT计划中，推荐使用EPID进行剂量验证。关键词 脑瘤；剂量验证；容积调强放射治疗(VMAT)；容差限值(TL)；干预限值(AL)DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2023.08.004引用本文：史传磊,高峰,宫瑾,等.基于ArcCheck和电子射野影像装置脑瘤患者特异性容积调强放射治疗剂量验证过程容差限值与干预限值研究J.中国医学装备,2023,20(8):19-24.史传磊 高 峰 宫 瑾 邱晓光*基于ArcCheck和电子射野影像装置脑瘤患者特异性容积调强放射治疗剂量验证过程容差限值与干预限值研究*20 ZHONGGUOYIXUEZHUANGBEI学术论著t=-9.41,P0.05).The difference between TLs and general limits of ArcCheck group in the two plans were respectively 6.88%and 8.47%,and the differences between ALs and general limits of that were respectively 10.40%and 8.76%.The TL and AL in the EPID group were respectively 90%and close to 90%.The pass rates of ArcCheck group and the EPID group in meningioma with different sizes of target region and complex shape were respectively 96.75%and 97.05%,and the difference was not statistically significant.The TL and AL of ArcCheck group were respectively 89.33%and 86.86%,while them of EPID group were respectively 93.17%and 89.69%,which were closer to the general limits.Conclusion:In the VMAT plans of the larger target region of gliomas and whole-brain,ArcCheck is recommended to conduct dose verification.In the VMAT plans of smaller target region of ependymoma,germinoma of small field dosage and meningioma,EPID is recommended for dose verification.Key words Brain tumor;Dose verification;Volumetric modulated arc therapy(VMAT);Tolerance limits(TL);Action limits(AL)First-authors address Department of Radiotherapy,Beijing Tiantan Hospital,Capital Medical University,Beijing 100070,China.中国医学装备2023年8月第20卷第8期 基于ArcCheck和电子射野影像装置脑瘤患者特异性 容积调强放射治疗剂量验证过程容差限值与干预限值研究*-史传磊 等调强剂量验证是用来检查调强放射治疗计划剂量计算的准确性和排除计划实施过程中一系列临床相关错误的过程，是放射治疗质量控制的重要组成部分1。调强剂量验证通常采用剂量/距离一致性的分析方法，分析提供了一种量化工具用来比较计划计算剂量分布和实际测量剂量分布2。随着调强技术的进步，容积调强放射治疗(volumetric modulated arc therapy，VMAT)逐步取代固定射野调强放射治疗(fix field intensity modulated radiation therapy,F-IMRT)成为主流调强放射治疗技术。以往建立调强剂量验证规程的参考报告如美国医学物理师协会(American Association of Physicists in Medicine,AAPM)TG-119报告3等推荐3%/3mm标准10%阈值下绝对剂量全局通过率90%的策略；有学者对该策略是否同样适用于VMAT剂量验证进行了初步探索4；AAPM TG-218号报告1对以往的报告进行了总结归纳，对包括VMAT在内的调强剂量验证过程通用限值给出了具体建议，即3%/2mm标准10%阈值绝对剂量全局分析下95%通过率为容差限值(tolerance limits，TL)、90%通过率为干预限值(action limits，AT)。TL用于检验整个调强剂量验证过程是否可控；AL则是调强剂量验证过程通过率的下限，低于AL则必须立即检查剂量验证过程。ArcCheck是一种基于验证模体的三维验证工具，其区别于常规平板矩阵，可实现360真实治疗角度实时数据采集，适用于多病种F-IMRT、VMAT计划的三维剂量验证5-8。Port Dosimetry是基于电子射野影像装置(electronic field imaging device，EPID)的新型调强剂量验证工具，其具有不需穿射验证模体、不需数据导出、方便快捷的优点6。采用ArcCheck验证工具开展脑瘤患者VMAT计划剂量验证的临床质量控制显示，不同类别、不同部位脑瘤VMAT计划剂量验证通过率差异化明显，对于全脑计划靶区较大计划的通过率极高，对于室管膜瘤等靶区较小计划的通过率普遍偏低。AAPM TG-218号报告1推荐采用不同验证工具进行剂量验证，以发现问题、完善剂量验证过程。为此，本研究通过对ArcCheck和EPID两套工具开展脑瘤患者特异性VMAT剂量验证进行对比分析，探索剂量验证过程的TL和AT，以期能为临床放射治疗质量控制工作提供参考。1 资料与方法 1.1 临床资料选取2022年6-10月于北京天坛医院放射治疗的180例脑瘤患者，其中男性106例，女性74例；年龄77岁，平均年龄(34.721.4)岁。根据脑瘤类别和部位不同将180例患者的VMAT计划分为脑胶质瘤计划(60例，其中30例X方向射野14 cm、30例X方向射野14 cm)、室管膜瘤计划(30例)、生殖细胞瘤全脑计划30例、生殖细胞瘤全脑室计划(30例)、生殖细胞瘤小野加量计划(60例)和脑膜瘤计划(30例)，共计240例VMAT计划。以上研究病例均经医院伦理委员会批准且患者签署知情同意书。1.2 纳入与排除标准(1)纳入标准。病理诊断明确为脑瘤；放射治疗前检查项目齐全；无明显放射治疗禁忌证。(2)排除标准：脑瘤患者不能满足VMAT计划射束能量为6 MV X射线；不满足VMAT计划设计要求。1.3 仪器设备采用Trilogy HD型直线加速器(美国Varian公司)，配备HD120MLC型多叶准直器(multi-leaf collimator，MLC)(美国Varian公司)，支持VMAT技术。加速器自身剂量验证分析软件为Port Dosimetry 8.0；硬件为aSi-1000型EPID，其支持最大照射野40 cm30 cm，像素矩阵为1024768，最小分别率为0.39 mm，最大采集频率为30帧/s。第三方验证工具为ArcCheck验证模体(美国Sun Nuclear公司)，其主体结构为外径26.6 cm圆柱形PMMA模体，内部有1386个0.8 mm尺寸N型半导体探头，以1 cm间距螺旋镶嵌在直径21 cm层面，常规模式下Y方向有效使用尺学术论著ZHONGGUOYIXUEZHUANGBEI 21注：表中TL为容差限值；AL为干预限值。注：表中TL为容差限值；AL为干预限值。注：表中TL为容差限值；AL为干预限值。中国医学装备2023年8月第20卷第8期 基于ArcCheck和电子射野影像装置脑瘤患者特异性 容积调强放射治疗剂量验证过程容差限值与干预限值研究*-史传磊 等寸为21 cm；分析软件为SNC Patient 8.1。1.4 计划设计临床VMAT治疗计划均采用往返双弧设计，双弧准直器的角度分别为5、857。将临床已行ArcCheck剂量验证的验证计划设为ArcCheck组；将基于EPID对应设计验证计划设为EPID组；两组总计240例验证计划均采用临床治疗实际机架、准直器和治疗床参数8。1.5 剂量验证策略及分析方法A r c C h e c k 组 和 E P I D 组 验 证 计 划 均 采 用3%/2mm、10%剂量阈值策略进行全局分析；根据AAPM TG-218报告1推荐计算TL和AL公式，计算剂量验证过程特征值(即通过率)的TL、AL，与报告通用TL、AL(分别为95%、90%)进行比对。TL和AL计算为公式1和公式2：(1)11nn-1TL=1nx-ni=2|xi-xi-1|式中n为剂量验证通过率总个数，xi为第i个通过率。AL=100-(2)2(x-T)22式中=6，2为n个通过率的方差，x-为n个通过率的均值，T=100%。计算基于两种验证工具脑瘤患者特异性VAMT剂量验证过程的TL、AL，并与报告通用TL、AL进行比较，评价剂量验证过程。1.6 统计学方法采用SPSS27.0分析软件；对比两组剂量验证通过率，通过率满足正态分布，以均值标准差(x-s)表示，采用配对t检验，否则以四分位数M(P25,P75)表示，采用配对秩和检验，以P0.05为差异有统计学意义。2 结果2.1 胶质瘤计划(1)X方向射野14 cm的胶质瘤。在30例X方向射野14 cm的胶质瘤计划剂量验证中，ArcCheck组的通过率均集中在95%较高区间；EPID组通过率波动范围较大，相当一部分在95%区间。ArcCheck组、EPID组通过率不满足正态分布，做配对秩和检验，中位数分别为98.40%(97.78,98.83)、96.00%(94.90,97.10)，ArcCheck组更优，差异有明显统计学意义(Z=-4.423，P0.001)；ArcCheck组TL和AL均超过通用限值95%和90%，EPID组TL、AL均未达到通用限值，见表1。(2)X方向射野14 cm的胶质瘤。在30例X方向射野14 cm的脑胶质瘤计划剂量验证中，ArcCheck组和EPID组通过率均集中在95%较高区间。两组通过率满足正态分布，行配对t检验，均值相当，分别为(96.981.16)%和(97.111.13)%，差异无统计学意义(t=-0.445，P0.05)；两组TL、AL接近，TL94%，AL90%，见表2。表1 X方向射野14 cm的30例胶质瘤计划通过率及限值%，M(P25,P75)组别通过率TLALZ值P值ArcCheck组98.40(97.78,98.83)95.9394.04-4.4230.001EPID组96.00(94.90,97.10)90.3686.06表2 X方向射野14 cm的30例胶质瘤计划通过率及限值(%，x-s)组别通过率TLALt值P值ArcCheck组96.981.1693.9390.31-0.4450.660EPID组97.111.1394.0990.702.2 室管膜瘤计划在30例室管膜瘤计划剂量验证中，ArcCheck组通过率普遍95%，EPID组通过率大部分95%。ArcCheck组和EPID组通过率均值分别为(93.46%1.88)%和(96.841.68)%，EPID组优势明显，两组均满足正态分布，行配对t检验，差异有统计学意义(t=-9.400，P0.05)；两组计划的TL、AL值均未达标，但EPID的AL接近通用值90%，见表3。表3 30例室管膜瘤计划通过率及限值(%，x-s)组别通过率均值TLALt值P值ArcCheck组93.451.8888.1279.60-9.400.001EPID组96.841.6890.9189.312.3 靶区最大的生殖细胞瘤全脑计划在靶区最大的30例生殖细胞瘤全脑计划剂量验证中，ArcCheck组通过率集中在96%高区间；EPID组通过率波动大、整体偏低。ArcCheck组和EPID组通过率均不满足正态分布，中位数分别为98.90%(98.10,99.30)和95.80%(94.30,97.50)，ArcCheck组优势明显，行配对秩和检验，差异有统计学意义(Z=-4.685，P0.001)；ArcCheck组TL、22 ZHONGGUOYIXUEZHUANGBEI学术论著AL均达标，而EPID组TL、AL均未达标，见表4。2.4 靶区居中的生殖细胞瘤全脑室计划在靶区居中、射野中等的30例全脑室计划剂量验证中，ArcCheck组和EPID组通过率均95%，波动较小。ArcCheck组和EPID两组通过率均值分别为(97.361.03)%和(97.600.66)%，通过率相当，且均满足正态分布，行配对t检验，差异无统计学意义(t=-1.287，P0.05)；两组计划TL、AL均接近或超过报告通用值，见表5。表4 30例全脑计划通过率及限值%，M(P25,P75)组别通过率TLALZ值 P值ArcCheck组98.90(98.10,99.30)96.4695.23-4.6850.001EPID组95.80(94.30,97.50)89.2885.02表5 30例脑室计划通过率及限值(%，x-s)组别通过率TLALt值P值ArcCheck组97.361.0394.2691.80-1.2870.207EPID组97.600.6695.5092.562.5 生殖细胞瘤小野计划在60例生殖细胞瘤小野加量计划剂量验证中，ArcCheck组通过率整体偏低、波动大，达标率仅为43.33%；而EPID组通过率大部分集中在95%区间，达标率极高为98.33%。如表5所示，ArcCheck组和EPID两组通过率均值分别为(94.062.71)%、(97.411.29)%，EPID组优势明显，均满足正态分布，行配对t检验，差异有明显统计学意义(t=-9.41，P0.05)；ArcCheck组TL、AL均未达标，EPID组TL值接近达标值、AL达标，见表6。表6 60例生殖细胞瘤缩野计划通过率及限值(%，x-s)组别通过率TLALt值P值ArcCheck组94.062.7186.5381.24-9.410.001EPID组97.411.2993.6891.052.6 脑膜瘤计划在30例靶区较小、形状复杂的脑膜瘤计划剂量验证中，ArCheck组和EPID组通过率波动范围中等，达标率分别为76.67%和90.00%。ArcCheck组和EPID两组通过率中位数接近，分别为96.75%(94.85,97.80)和97.05%(96.05,97.95)，不满足正态分布，行配对秩和检验，差异无统计学意义(Z=-1.152，P0.05)；ArcCheck组计划TL、AL均未达标，EPID组计划TL、AL均接近达标，见表7。表7 30例脑膜瘤计划通过率及限值%，M(P25,P75)组别通过率TLALZ值P值ArcCheck组 96.75(94.85,97.80)89.33 86.86-1.1520.249EPID组97.05(96.05,97.95)93.17 89.693 讨论计划复杂度是影响放射治疗计划剂量验证通过率的关键因素。不同部位肿瘤调强剂量验证通过率也并不一致10-11；AAPM TG218号报告建议对高低复杂度的计划TL、AL单独进行探索。因此本研究中对不同类别及部位的脑瘤VMAT计划进行了分类。张瑾等12研究证明，计划通过率与X方向射野相关。因此本研究也对X方向射野差别较大的胶质瘤以14 cm为界进行了划分。不管是在高剂量梯度区域还是在低剂量梯度区域，较低的空间分辨率都会增大值的计算偏差1。对于相同射野，分辨率低就代表着较少的采样点，对射野内剂量评估就不够全面。在空间分辨率方面，EPID(0.39 mm)较ArcCheck(10 mm)有绝对优势。Woon等13对比了EPID、MapCheck2和ArcCheck的3种不同空间分辨率验证设备在VMAT、IMRT计划剂量验证中通过率，并对3种验证设备对MLC模拟系统误差敏感性进行了探索，其结果指示EPID可检测到小至0.5 mm MLC模拟误差，反观ArcCheck只能识别到5 mm及以上的误差，低分辨率的验证设备不能真实反映MLC的到位精度14。为此，本研究基于ArcCheck和EPID两种不同空间分辨率的验证工具进行了剂量验证，探索两种验证工具在各类脑瘤VMAT计划剂量验证中的适用性。本研究中ArcCheck组和EPID组验证计划通过率和TL、AL表现出了不同的特点。对于靶区较大胶质瘤和生殖细胞瘤全脑计划，ArcCheck组通过率整体较高，中位通过率98%，而EPID组通过率整体偏低，中位通过率接近96%，ArcCheck有优势。对于靶区中等胶质瘤和全脑室计划，ArcCheck组与EPID组通过率相当，均值接近97%。对于靶区较小的室管膜瘤、生殖细胞瘤小野及脑膜瘤计划，ArcCheck组通过率整体较低，均值接近94%，而EPID整体通过率较高，均值接近97%，EPID有优势。中国医学装备2023年8月第20卷第8期 基于ArcCheck和电子射野影像装置脑瘤患者特异性 容积调强放射治疗剂量验证过程容差限值与干预限值研究*-史传磊 等注：表中TL为容差限值；AL为干预限值。注：表中TL为容差限值；AL为干预限值。注：表中TL为容差限值；AL为干预限值。注：表中TL为容差限值；AL为干预限值。学术论著ZHONGGUOYIXUEZHUANGBEI 23反映在TL、AL上，ArcCheck在靶区较大计划剂量验证时更稳健，均超过了报告通用值；EPID在小野计划剂量验证时更稳健，TL更接近95%，AL均趋近或达到90%；ArcCheck、EPID在中等射野计划剂量验证时，均较为稳健，TL均趋近或95%，AL均90%。通常射野越大，射野复杂度越低。然而，对于靶区较大、复杂度较低的全脑和胶质瘤计划，EPID组通过率却偏低。分析原因可能与EPID板对射束离轴比、支撑臂背向散射的修正有关。临床中一般通过Flood野校准的方式对射束离轴比及背向散射进行修正。Varian PDIP算法配置时，一般会引用40 cm40 cm射束在水中最大剂量深度的对角剂量强度曲线来修正射束。而出于对电子元器件保护，EPID板Flood野校准射野为40 cm32 cm。因此，对较大射野离轴比的修正本身就存在偏差15。此外，因为背向散射具有射野相关性，Flood野校准对EPID板支撑臂背向散射的修正本身也是一种折中的策略。随着射野地增大，背向散射修正往往存在过修正16。本研究中，对于中等射野(X方向814 cm)的胶质瘤和全脑室计划，ArcCheck和EPID两种验证设备剂量验证通过率一致性较高。这可能与加速器输出剂量校准和验证设备剂量校准均采用10 cm10 cm参考射野有关。中等射野计划验证通过率均值接近97%，间接表明加速器、计划系统和验证工具在10 cm10 cm参考射野匹配度最佳。但需要强调的是基于EPID进行剂量验证更方便快捷，有效率优势。在较小射野计划剂量验证中，EPID组通过率不管是在数据稳健程度还是均值方面均有明显优势。本研究分析同样与计划复杂度和验证设备空间分辨率有关。对于较小的射野，小子野的面积降低、MU数增多，射野复杂度增大17。ArcCheck因为空间分辨率不够，对值的计算不够准确，在复杂度较高的室管膜瘤、生殖细胞瘤小野计划中不能真实反映剂量差异。而EPID空间分辨率较高，真实反映了MLC的到位精度，通过率及TL、AL相对客观。尽管本研究对不同种类及部位的脑瘤计划进行了分类，以区分计划复杂度。但计划复杂度与多因素相关，因此本研究中即使同一类别的脑瘤VMAT计划复杂度也不尽相同，造成样本间通过率之间极差较大，拉低了TL、AL的计算值。李光俊等18对计划复杂度进行了量化评分；要想客观评估剂量验证过程的TL、AL，可能需要对计划复杂度进一步量化评分处理。4 结论对于靶区较大胶质瘤和全脑VMAT计划，推荐使用ArcCheck进行剂量验证，其通过率更优，TL、AL均更稳健。对于靶区较小室管膜瘤、生殖细胞瘤小野和脑膜瘤VMAT计划，推荐使用EPID进行剂量验证，其通过率更能客观反映剂量偏差，TL、AL均更稳健。对于靶区中等的胶质瘤和全脑室VMAT计划，ArcCheck、EPID均适用，但EPID更方便快捷，可以提高工作效率。中国医学装备2023年8月第20卷第8期 基于ArcCheck和电子射野影像装置脑瘤患者特异性 容积调强放射治疗剂量验证过程容差限值与干预限值研究*-史传磊 等参考文献 12345678910111213Miften M,Olch A,Mihailidis D,et al.Tolerance limits and methodologies for IMRT measurement-based verification QA:Recommendations of AAPM Task Group No.218J.Med Phys,2018,45(4):e53-e83.Low DA,Dempsey JF.Evaluation of the gamma dose distribution comparison methodJ.Med Phys,2003,30(9):2455-2464.Ezzell 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