基于标定和计算的电子射野影像系统剂量重建.pdf

第41卷第1期-54-2024年1月D01:10.3969/j.issn.1005-202X.2024.01.008基于标定和计算的电子射野影像系统剂量重建中国医学物理学杂志Chinese Journal of Medical PhysicsVol.41 No.1January 2024医学放射物理睦建锋12 3，孙佳伟1-2 3，谢凯1-2.3，高留刚1.2 3，林涛1-2.3，倪昕晔1.2.31.南京医科大学附属常州第二人民医院放疗科，江苏常州2 1316 1；2.南京医科大学医学物理研究中心，江苏常州2 1316 1；3.江苏省医学物理工程研究中心，江苏常州2 1316 1【摘要】提出了一种基于标定和计算的电子射野影像系统（EPID）剂量重建算法。首先，对连续采集模式的EPID原始数据进行暗场校正和增益校正，然后通过亮场灰度特征确定射野边界。其次，对EPID数据进行MU标定、离轴标定和射野大小标定，并根据标定后的叠加通量和加速器机头蒙特卡罗模型进行剂量重建。最后，选取9 例IMRT计划，分别使用EPID和MapCheck对计划进行验证测量，并在不同标准下比较两种验证工具的通过率。针对选取的1例计划病例，两种标准下使用MapCheck对多个病例验证的通过率分别为9 9.0 2%1.2 8%9 0.8 4%4.49%；使用EPID重建模型的平均通过率分别为9 8.8 6%1.19%、9 1.39%4.8 0%。本文提出的标定和剂量计算相结合的EPID重建算法，与主流剂量验证软件MapCheck相比，对IMRT计划的验证通过率没有统计学差异（P0.05），符合剂量验证的临床要求。【关键词】剂量标定；剂量计算；电子射野影像系统；重建；验证【中图分类号】R811.1Dose reconstruction of electronic portal imaging device based on calibration and calculationSUI Jianfeng-,SUN Jiaweij23,IE Kai2,GAO Liugang-3,IN Tao2,NI inye2.31.Department of Radiotherapy,the Affiliated Changzhou No.2 Peoples Hospital of Nanjing Medical University,Changzhou 213161,China;2.Center of Medical Physics,Nanjing Medical University,Changzhou 213161,China;3.Jiangsu Province EngineeringResearch Center of Medical Physics,Changzhou 213161,ChinaAbstract:A dose reconstruction algorithm for electrionic portal imaging device(EPID)based on calibration and calculationis developed.The raw data of EPID in continuous acquisition mode are corrected for dark field and gain,and the gray levelfeatures of bright field are used to determine the field boundary.Subsequently,MU calibration,off-axis calibration and fieldsize calibration are performed on the EPID data,and dose reconstruction is carried out based on the calibrated superimposedflux and the Monte Carlo model of the linac head.Nine cases of IMRT plans are selected for verification and measurementusing EPID and MapCheck separately,and the passing rates between the two tools are compared under different gammacriteria(3%/3 mm and 2%/2 mm).For a planned case,the average passing rates of multiple cases verified by MapCheckunder the two criteria were 99.02%+1.28%and 90.84%+4.49%,and the average passing rates of the EPID reconstructionmodels were 98.86%+1.19%and 91.39%+4.80%.Compared with MapCheck,the EPID reconstruction algorithm based oncalibration and calculation has no significant difference in the passing rate of IMRT plan verification(P0.05),which meetsthe clinical requirements ofdose verification.Keywords:dose calibration;dose calculation;electrionic portal imaging device;reconstruction;verification【文献标志码】A【文章编号】10 0 5-2 0 2 X（2 0 2 4)0 1-0 0 54-0 6前言调强放射治疗（Intensity-Modulated Radiation【收稿日期】2 0 2 3-0 8-2 0【基金项目】国家自然科学基金（6 2 37 12 43）；江苏省重点研发计划社会发展项目（BE2022720）；江苏省自然科学基金（BK 2 0 2 3119 0）；江苏省卫健委面上项目（M2020006）；常州市社会发展项目（CE20235063）；常州市科技计划（CJ2 0 2 2 0 136,CJ2 0 2 10 12 8）；江苏省医学重点学科建设单位(SDW202237)【作者简介】睦建锋，硕士研究生，放疗物理师，E-mail:【通信作者】倪昕哗，博士，研究员，E-mail:Therapy,IMRT）和容积调强放射治疗（VolumetricModulated Arc Therapy,VMAT)与三维适形放疗和普通放疗相比,剂量的吸收更集中在肿瘤区域，有较高的剂量梯度，能保护靶区周围的危及器官，减少放疗副作用。同时,IMRT和VMAT对放疗的精确性和安全性提出更高的要求，在放疗前应使用剂量验证工具对临床治疗计划系统(TPS)生成的计划进行验第1期证,以确保TPS的计划和加速器的实际照射吻合2-3。临床常见的二维剂量验证工具包括PTW、M a t r i XX、MapCheck等47 ,此类设备并非加速器自带，使用时需要物理师额外摆位，费时费力，并且分辨率低，存在误差，已无法满足现代临床对快速、精确剂量验证的需求。相反，电子射野影像系统（Electronic PortalImagingDevice,EPID)属于加速器标准配件，有较好的剂量响应,操作便捷8-9,但由于测量的影像需经过二次转换，不完全等同于吸收剂量，因此需要剂量重建。EPID剂量测定已在IMRT验证中使用较长时间10-13。对于患者剂量重建，通常使用EPID测量加速器执行的实际通量，结合患者的CT数据，可生成患者体内的剂量分布。van Zijtveld等14 将TPS计算的剂量用于重建剂量的输入，并对在不同部位的17例IMRT治疗计划进行临床评估,在2%/2 mm标准下通过率大于95%。然而，使用相同的TPS剂量算法用于剂量重建计算和患者治疗计划计算,TPS剂量算法中的潜在不准确性无法验证。van Elmpt等15 将开发的基于EPID的蒙特卡罗剂量重建引擎用于9 例三维适形放疗的肺癌患者和5例7 野IMRT治疗的头颈癌患者进行剂量验证,结果表明重建剂量与TPS计算结果差异基本在3%以内。商业可用的剂量测定检查系统(Math Resolutions,Columbia,MD,US)采用类似的方法，将剂量输人独立的笔形射束型剂量计算算法进行比较16-17 ,结果表明在aSi1000EPID上重建的剂量与PTW、M a t r iXX的差异可忽略不计。Zhu等18 研究了一种GPU加速的卷积剂量算法技术，使用EPID图像重建人体模型或CT模拟数据集中的剂量,通过验证头颈部、肺部和盆部的IMRT计划，结果显示TPS计算的剂量分布与EPID重建的剂量非常一致，在3%/3mm标准下通过率均高于94%。通常，剂量重建有基于像素-剂量标定的方法19-2 0 和基于剂量计算的方法2 1-2 3,这两种方法各有优劣：剂量标定的方法比较准确，但需要大量和长时间的实验测试；剂量计算的重建方法虽然可以减少长时间的测试，但是依赖于剂量算法卷积核函数的精确性和复杂度。综合两种方法的优势，将剂量标定和剂量计算相结合，进行基于EPID数据的剂量重建。借鉴灰度-剂量标定的方法将EPID采集的影像通过简单的标定步骤转换为输入的通量数据，然后通过加速器机头蒙特卡罗模型，将通量转化成剂量，既能减少测试工作量，又能借助蒙特卡罗算法避免卷积核函数拟合的复杂度。基于BEAMnrc/DOSXYZnrc的传统CPU蒙特卡罗算法需要数个小时才能完成1例病人的剂量计算，而本文使用的基于GPU的快速蒙特卡罗算法剂量计算方法，采用单块眭建锋，等.基于标定和计算的电子射野影像系统剂量重建Ieorecio(m,n)=(Inoiemove(m,n)-DF(m,n)/(FF(m,n)-DF(m,n)(1)-55-3090显卡，1个病例剂量计算时间大约为2 min，等中心不确定度2%，计算时间大大缩短，可满足临床使用需求。本研究通过对放疗科室EPID数据的采集和标定，使用DVS-PlanQA软件（雷泰医疗），重建EPID剂量，然后与TPS计算的剂量做分析，同时对比MapCheck测量结果的通过率,验证该剂量重建方法的准确性。1材料与方法1.1采集设备和软件设置图像采集使用TiGRTIVSEPID，探测器主要部件为非晶硅（a-Si），最大分辨率为2 8 16 x2816,最小单元尺寸为154m，物理探测范围为43cm43cm。EPID采用连续模式采集影像，相应的触发参数为：高电平持续时间H=66ms,低电平持续时间L=34ms，即每一图像采集时间为10 0 ms。剂量实测工具使用美国SunNuclear公司设计生产的二维放疗照射野剂量质量保证(QualityAssurance,QA)验证系统MapCheck,型号117 5。MapCheck面板在2 2 cm22cm有效测量范围内非均匀地分布着445个N型二极管探测器,其中心间隔为7 14mm。每个探测器有效监测范围是0.8 cm0.8cm。1.2EPID影像-通量转化模型本研究基于EPID影像剂量重建过程如图1所示。首先，EPID具有成像快和实时剂量监测等优点，但由于其记录背景噪声，且存在探测器各点响应差异，为保证图像均匀性，提高图像清晰度，本研究参考Liebich等19 论文中的算法进行暗场校正和增益校正：暗场和增益校正根据亮场灰度特征提取射野边界MU校正离轴校正蒙特卡罗剂量计算输出重建剂量图1基于EPID影像的剂量重建的流程Figure 1 Flowchart of dose reconstruction based on EPID images射野大小校正-56-其中，Inoieremove为单张图像经过去噪后的原始图像，此方案选取维纳滤波的方法进行去噪;leorection为经过暗场和增益校正后的图像。（m,n)表示电子射野图像中第m行、第n列的像素点灰度值。DF即暗场(DarkField)灰度分布,为EPID采集的本底图像;FF为泛野(Flood Field)灰度分布,为EPID在光栅、钨门全部打开时出束采集的图像。实际操作中暗场图像和泛野图像可以采集多张EPID影像取灰度平均值以减小误差。图像校正后，由于伪影和散射对采集数据的影响2 4-2 5,需进一步确定每一图像的亮场灰度特征值，以提取射野区域的大小和边界范围。本研究提取校正后的灰度直方图，固定选取第10 0 0 个灰度值作为亮场的特征灰度值。根据射野参数对图像进行标定。射野参数影响因素主要有机器跳数（MU）、射野离轴距离和射野大小19-2 0 。将校正后的第i张图像Leoretion作为第i个原始通量，记为，所有EPID通量叠加后的目标通量记为VrM，可以用式(2)描述他们的关系：VrM=ZFMuFaistaneFszeyi其中，MU、离轴和射野大小标定因子分别用FMuVFaistane 和 Fsie.表示。随后，基于雷泰DVS-PlanQA软件系统，将标定后的图像叠加作为通量图（FluenceMap），导入计划系统，使用已建立的加速器机头蒙特卡罗模型，重建出水下2 cm的剂量分布(重建深度和MapCheck有效探测位置保持一致）。蒙特卡罗剂量计算模型如图2所示2 6-2 7 。加速器机头蒙特卡罗模型独立于病人，可根据机器结构预先建模；钨门(Jaw)和光栅（MultileafCollimator,MLC)位置对射线通量的贡献用采集的EPID影像数据灰度值计算。这样，结合人体/模体体素模型，即可重建体内的三维剂量。初级准直器真空窗均整器相空间1患者相关结构Figure 2 Monte Carlo dose calculation model中国医学物理学杂志1.3EPID影像-通量模型参数确定1.3.1MU修正选取10 cm10cm开野,分别在2、3、5、10、2 0、50、10 0、2 0 0 M U 下采集EPID的影像信息。在EPID的中心处，统计像素点的灰度积累值作为拟合点的x坐标，相应的MU为拟合点的y坐标。MU标定的拟合曲线形式为一次函数：Ji=a,x+b,通过对实测数据的拟合，确定其中的参数,和b1。M U 的标定可以将重建的剂量近似还原到水中的吸收剂量。与离轴标定和射野大小标定不同，这里的MU线性参数yi是基于相同开野的一组EPID图像计算得到的,因此在计算EPID图像的通量时,不能简单的将上述y值代入作为FMu因子，还需要除以加速器在一段连续出束时间内的有效EPID张数。因此对于MU标定,其因子为FMu=Ji/N,N,为第j个子野的有效EPID张数。对于规则野的采集,由于仅使用了一种形状的开野,对应j=1,是否除以N,对通量的相对值没有影响。(2)1.3.2离轴校正首先计算出影像板的实际中心位置。在出束10 0 MU的条件下,分别距离平板中心0、2、4、6、8 c m（均换算到等中心处,1像素=0.18 9mm)处，采集10 cm10cm开野的EPID图像，将开野中心偏离的像素作为拟合点的x坐标。统计图像开野中心位置处像素点的灰度平均值作为拟合点的 坐标。离轴标定的拟合曲线形式为二次曲线：y2=a2x2+b2x+C2通过对实测数据的拟合，确定了其中的参数2、b2vC2。离轴标定在计算中反映单张EPID图像通量相对于射野在中心时的比例系数。以离轴距离0 cm作为归一标准,此时y2=2,因此对于单张EPID图像,Faisane=y2/c2o1.3.3射野大小校正采集10 0 MU下开野大小分别靶为3 cm3 cm,5 cm5 cm、8 c m 8 c m、10 c m 10 c m12cm12cm、15c m 15c m 时EPID的图像，将开野患者独立范围内的像素点个数作为拟合点的x坐标。统计图部分像中心处像素点灰度的平均值作为拟合点的坐标。剂量监测电离室射野大小标定的拟合曲线形式为指数函数：坞门ys=a,ts+c;同样，实测数据确定的参数s、b v C3。射野大小多叶准直器标定在计算中反映单张EPID图像通量相对于标准开相空间2野大小时的比例系数。1.4剂量对比实验通过比较不同病例EPID重建剂量与MapCheck图2 蒙特卡罗剂量计算模型测量剂量的通过率,验证EPID剂量重建的准确性。同时比较两种测量剂量与TPS计算剂量的通过率，第41卷(3)(4)(5)第1期分析EPID重建与MapCheck测量对计划通过率的一致性。分析使用DVS软件的分析模块，值计算公式为：(rm)=min(I(rmr.)V(re)其中，ADim,re)=r-rm(rmr)=D.(r.)-D.(rm)其中，下标m和c分别表示测量剂量和计算剂量，AdM和DM分别表示分析中的距离一致性（DistancetoAgreement，D T A）标准和剂量差标准（DoseDifference）,本研究使用dM=3mm、D m=3%和d m=2 m m、D m=2%两组参数分别统计计划的通过率。1.5统计学方法将 TPS计算的剂量分别与MapCheck实测的剂量和EPID重建的剂量进行比较,采用SPSS22.0对两组剂量验证工具验证的计划通过率进行统计学分眭建锋，等.基于标定和计算的电子射野影像系统剂量重建(6)S2msrAdi-57析，采用配对t检验，符合正态分布的计量资料用均值土标准差的方式表示，P0.05),如表1所示。尽管EPID和MapCheck在同一计划的通过率对比数值上差异较小，但是从不通过的点分布图来看，目前EPID重建的结果仍有以下问题,如图5所示,射野的边界（半影)区域和MapCheck相比,还是有一定的区别，主要集中在各子野边界处。-58-中国医学物理学杂志第41卷a：通量标定前与MapCheck的对比图4通量标定前后剂量分布与MapCheck的差异比较Figure 4 Comparison of dose distribution before and after fluence calibration with MapCheckb：通量标定后与MapCheck的对比实现摆位验证，但是随着X射线探测设备材料和电气工程方面的进步,研究者逐步意识到EPID在剂量学表1不同标准和测量工具的通过率比较（元士s，%）Table 1 Comparison of passing rates between different measurementtools under different criteria(Mean+SD,%)标准PinnaclevsEPID3%/3 mm98.861.192%/2mm91.394.803讨论近年来,关于使用EPID进行剂量重建的技术不断涌现，虽然EPID最初的设计目的是使用MV影像Pinnaclevs MapCheckP值99.021.280.746 190.844.490.8168响应、重复性、长期稳定性、使用便捷性等诸多方面a:EPID与TPS对比不通过点显示图5EPID不通过点和MapCheck不通过点所在位置的对比Figure 5 Comparison of the locations of EPID failed points and MapCheck failed pointsb:MapCheck与TPS对比不通过点显示的优点。目前针对EPID使用于剂量重建的研究工作中，有针对放疗前验证或放疗中验证，基于模体或在体，二维或三维等多种验证方式2 8 ,三维验证本质上是基于二维验证的扩展，故二维剂量验证的精度对上述多种验证方式尤为重要，本文研究治疗前模体内二维剂量重建验证工作。本文综合考虑MU、离轴距离和射野大小3个因素的影响，标定了射束通量，随后利用机头蒙特卡罗模型进行剂量重建，保证从通量到剂量的准确度。对比直接标定剂量的重建方法，本研究使用公式拟合各个射野参数对通量计算的影响，可以大大节省实验测试的工作量；对比卷积核叠加剂量重建算法，本方法借助机头蒙特卡罗模型进行剂量重建，避免了繁琐的理论推导，降低了算法的复杂度。在采集和重建计算步骤中，仍然有很多实际中需要注意的点。首先，在连续采集射野影像过程中，合理的出束时间和高低电压的设置能有效减少伪影2 4。一般需在出束前后各增加5帧图像数据，确保能收集到所有的出束信号，因此采图的延迟参数值设置为0 ms。另外，由于加速器射束输出时间与EPID采集周期有一定的错位，叠加每张图像的伪影和散射效应不同，因此在预处理后需要通过阈值方法提取亮场的灰度特征值，将特征值过低的图像去除，只保留存在一定通量的图像作为实际照射的输人图像。在通量标定过程中，影响EPID响应的因素较多,本研究仅考虑主要影响因素即MU,离轴距离和射野大小。根据文献9,2 9 ,加速器照射的光子能量和剂量率也是主要影响因素。受限于实验设第1期备，目前仅针对单一光子能量、同一档剂量率做了数据采集，没有对不同光子能量和不同档的剂量率引人标定因子。最后，光栅不同位置半影曲线修正未加人模型，导致边界处差异大，当射野子野数目较多时，差异逐渐凸显。光栅不同位置半影曲线，可以根据光栅不同位置的实测EPID影像获得，但是测试工作量大，考虑在未来的工作中，通过TPS模拟叶片不同位置的半影曲线，找到半影与位置的对应关系，加人模型校正。4结论本文提出了一种基于剂量标定和剂量计算相混合的EPID剂量重建方法。首先对每帧图像进行暗场校正、增益校正预处理，提取每图像的亮场灰度特征值；然后，对叠加通量做标定，包括MU数、离轴距离和射野大小标定；最后，将标定后的图像作为通量图，结合加速器机头蒙特卡罗模型，重建出模体制定深度的剂量分布。经过临床照射实例验证，本研究提出的方法重建的剂量与MapCheck一致程度高,两者分别与TPS计划剂量对比，通过率无统计学差异,达到临床检验的要求,并且有进一步改善和提高的空间。【参考文献】1 Intensity Modulated Radiation Therapy Collaborative Working Group.Intensity-modulated radiotherapy:current status and issues of interestJ.Int J Radiat Oncol Biol Phys,2001,51(4):880-914.2 Courageot E,Huet C,Clairand I,et al.Numerical dosimetricreconstruction of a radiological accident in South America in April2009J.Radiat Protect 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