调强放疗计划验证γ通过率的参考范围
摘 要：目的 目前，我国尚无统一的关于调强放疗（IMRT&VMAT）计划验证γ通过率的参考范围，该研究通过回顾性分析，以期建立合理的可实现的γ通过率参考范围。方法 回顾性分析2017年6月至2019年7月于医院行调强放疗的2 487例患者的计划剂量验证结果，采用SPSS 19.0统计软件按照病种部位（因素A）、计划系统（因素B）和验证工具（因素C）对3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mm评价标准下的γ通过率进行分类，并进行3×3×2析因分析，检验各因素对γ通过率的影响情况，同时参照AAPM TG-119报告提出的置信限（CL）的定义，探讨2%/2 mm、3%/2 mm和3%/3 mm评价标准对应病种部位、计划系统及验证工具下的调强放疗计划γ通过率的置信度区间。结果 不同病种部位、计划系统和验证工具均是γ通过率的独立影响因素，它们之间的差异均有统计学意义（P<0.01）；同时，病种部位与计划系统、病种部位与验证工具、计划系统与验证工具对γ通过率的影响均有交互作用（P<0.01）。对于头颈部、胸部和腹部肿瘤，在不考虑计划系统和验证工具的情况下，其3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的γ通过率的平均CL分别为（5.7、9.4、16.2）、（5.1、9.6、19.3）、（5.5、9.9、20.4）；对于Pinnacle、Oncentra和Monaco计划系统，在不考虑病种部位和验证工具的情况下，其3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的γ通过率的平均CL分别为（7.2、12.1、23.0）、（4.6、9.4、18.4）、（4.4、7.4、14.5）；对于ArcCheck和MapCheck验证工具，在不考虑病种部位和计划系统的情况下，其3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的γ通过率的平均CL分别为（5.0、9.6、18.9）、（5.8、9.6、18.3）。结论 病种部位、计划系统及验证工具对调强放疗计划验证的γ通过率既是独立影响的主效应因素，又存在因素之间的交互作用，即不同病种部位、计划系统和验证工具的调强放疗计划验证的γ通过率不同，CL值也不同。
关键词：调强放疗 剂量验证 γ通过率 析因分析 置信限
随着放疗技术的快速发展，调强放疗（intensity-modulated radiation therapy,IMRT）和容积旋转调强放疗（volumemodulated arc therapy,VMAT）越来越普遍地被用于肿瘤患者的治疗中。相对于传统的常规放疗，IMRT和VMAT技术以更高的调制自由度实现对治疗靶区的高剂量和高适形度照射，同时又更好地保护了周边危及器官（organ at risk,OAR)[1-2]。但是，它们在实施过程中涉及较多的动态变化参数，增加了放疗计划的不确定性，因此，在临床治疗前需对每例患者的放疗计划进行剂量验证[3]。目前，国内外已有较多关于不同验证工具、验证软件和评估方法的应用报道[4-5]，且剂量验证也成了每家放疗中心必做的常规质控项目，但尚无统一的标准参数来反映和评估剂量验证结果的充分性和可信度。本研究回顾性分析了于我院行调强放疗的2 487例患者的计划验证结果，探讨相应评价标准下，不同病种部位、计划系统和验证工具的γ通过率的置信度区间，为开展新的调强放疗中心或使用新调强设备时，对其调强放疗系统进行临床剂量验证的总体剂量精度评价提供一种量化的γ通过率参考范围。
1 资料与方法
1.1 一般资料
选取2017年6月至2019年7月于我院行调强放疗的2 487例癌症（鼻咽癌、喉癌、脑转移癌、乳腺癌、食管癌、肺癌、直肠癌、宫颈癌、前列腺癌等）患者，按照治疗病种部位分为头颈部肿瘤778例、胸部肿瘤830例、腹部肿瘤879例。
1.2 方法
采用Pinnacle V9.2、Oncentra V4.3及Monaco V5.1.1计划系统进行计划设计，并采用IMRT或VMAT技术。
计划验证：采用Arc Check和Map Check2(Sun Nuclear，美国）分别进行三维和二维剂量分布的测量，其中，采用Arc Check验证的计划，保持计划原有的照射野特点（IMRT按照实际照射野角度执行，VMAT单弧/多弧）；采用Map Check2验证计划，将IMRT计划的照射野机架角度统一归零，首先将患者计划移植到对应的验证模体上，并计算模体上的剂量分布，计算网格设为2.0 mm，最终导出剂量文件与测量的剂量文件进行比对；验证前分别对验证工具进行探头响应的一致性校准，且针对每台加速器进行绝对剂量标定并获取相应绝对剂量校准文件。
验证结果分析：按照病种部位（头颈部、胸部和腹部）、计划系统（Pinnacle、Oncentra及Monaco）和验证工具（Arc Check/Map Check）的不同，将计划验证结果进行归类整理，采用绝对剂量的γ值分析法对患者计划的剂量分布进行分析比对，并录入数据；γ分析评价标准分别选取3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mm，低剂量区的阈值设定为10%。
置信限（confidence limit,CL）的计算：本研究将采用AAPM TG-119号报告[6]提出的CL定义量化放疗计划验证γ通过率的可信度，其表达如下，CL=(100-mean)+1.96σ，其中，mean为计划验证γ通过率的平均值，σ为标准差；当验证的剂量分布与计划系统计算的剂量分布进行比较时，一般都有差异，在95%的置信水平下，如果偏差小于CL值，则认为该差异可以被接受，即验证通过，反之验证失败。
1.3 统计学处理
建立Excel数据库，采用SPSS 19.0统计软件进行数据处理，计量资料以±s表示，采用F检验，对3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mm评价标准下的γ通过率进行析因分析，检验各因素对γ通过率的影响情况，P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 γ通过率的基本统计量分析及析因分析结果
2 487例调强放疗计划的3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mm评价标准的总体平均γ通过率分别为（98.1±1.8）%、（96.2±3.0）%和（92.1±5.4）%。按照病种部位、计划系统和验证工具的不同进行分类比较，相应3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mm评价标准下，绝对剂量的平均γ通过率结果见表1。经3×3×2析因分析统计，病种部位（因素A）、计划系统（因素B）和验证工具（因素C）三因素的析因分析结果见表2。不同病种部位间的3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mmγ通过率差异有统计学意义，胸部>头颈部>腹部（F=29.97、20.09、29.66,P<0.01）；不同计划系统间的3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mmγ通过率差异有统计学意义，Monaco>Oncentra>Pinnacle(F=33.36、22.69、35.94,P<0.01）；不同验证工具间的3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mmγ通过率差异有统计学意义，Map Check>Arc Check(F=7.34、16.76、25.32,P<0.01）。此外，病种部位与计划系统、病种部位与验证工具、计划系统与验证工具对γ通过率的影响均有交互作用（P<0.01）。
表1 γ通过率的基本统计量描述
表2 γ通过率的3×3×2析因分析结果
2.2 γ通过率CL的确定
根据CL的计算公式，对本研究入组病例的γ通过率进行归纳分析。对于头颈部、胸部和腹部肿瘤，在不考虑计划系统和验证工具的情况下，其3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的计划验证γ通过率的平均CL值分别为（5.7、9.4、16.2）、（5.1、9.6、19.3）、（5.5、9.9、20.4），表示在95%的置信水平下，3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的计划验证γ通过率应分别大于（94.3%、90.6%、83.8%）、（94.8%、89.9%、79.6%）、（94.5%、90.1%、79.6%）；对于Pinnacle、Oncentra和Monaco计划系统，在不考虑病种部位和验证工具的情况下，其3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的γ通过率的平均CL值分别为（7.2、12.1、23.0）、（4.6、9.4、18.4）、（4.4、7.4、14.5），表示在95%的置信水平下，3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的计划验证γ通过率应分别大于（92.8%、87.9%、77.0%）、（95.4%、90.6%、81.6%）、（95.6%、92.5%、85.4%）；对于Arc Check和Map Check验证工具，在不考虑病种部位和计划系统的情况下，其3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的γ通过率的平均CL值分别为（5.0、9.6、18.9）、（5.8、9.6、18.3），表示在95%的置信水平下，3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的计划验证γ通过率应分别大于（95.0%、90.4%、81.1%）、（94.0%、90.1%、81.2%）。与不同病种部位、不同计划系统和不同验证工具相对应的CL值见表3。
表3 3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm标准下放疗计划的CL
3 讨论
相对于传统的常规放疗，IMRT和VMAT技术实施过程中涉及较多的动态变化参数，增加了放疗计划的不确定性，因此，临床对IMRT和VMAT放疗过程中的质量保证工作提出了更高的要求。2008年，美国的放射物理中心（Radiological Physics Center,RPC）报道，在一项IMRT认证过程中，用头颈部模体测试了250例的IMRT计划，发现71例（28%）计划的剂量偏差大于7%，可见为保证治疗计划的剂量分布被精确地投照到患者体内，在患者治疗前必须对临床治疗计划进行严格的剂量验证[7]。近年来，有国内外学者的研究表明，IMRT和VMAT剂量验证γ通过率受治疗部位、射野强度调制复杂程度、剂量计算精度、设备的机械精度以及测量的不确定性等因素影响。虽然剂量验证并不能分别检测出上述因素的影响程度，但是可以检测出IMRT和VMAT计划的总体精度是否符合要求[8-9]。
本研究结果显示，在不考虑病种部位、计划系统和验证工具的情况下，2 487例调强放疗计划的3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mm评价标准的总体平均γ通过率分别大于98%、96%和90%，与杨瑞杰等[9]报道的2 010例调强放疗患者的3%/3 mm评价标准的平均γ通过率（97.9±3.4）%很接近。李成强等[5]分析了211例采用Arc Check验证的VMAT计划，鼻咽癌、宫颈癌和直肠癌，3%/3 mm的平均γ通过率分别为93.5%、95.7%和97.5%。本研究结果显示，腹部肿瘤的平均γ通过率略低于头颈部和胸部肿瘤，分析其原因主要是由于部分妇科肿瘤的靶区范围较大，超出了验证工具的有效测量面积，导致头脚方向的剂量探测点位于高剂量梯度区、剂量跌落区及射野边缘。从本研究结果来看，γ通过率还会受所使用的计划系统品牌的影响，计划系统的核心部分为算法。Monaco采用的是蒙特卡罗算法，直接模拟光子与人体组织的相互作用，然后直接计算次级电子在介质中的吸收剂量，目前该算法被认为是放疗剂量计算精度最高的算法，尤其在不均匀介质中、建成区和无法达到电子平衡的区域，如小野[10]。Oncentra和Pinnacle采用的均是筒串卷积算法，这种算法利用跟踪入射线在物质中的径迹来获取剂量计算矩阵中的所有点的总比释动能，进而根据物质的化学组成和射线经过的物质密度的变化，收集和沉积被射线穿过的每个体素所获得的能量或者剂量。然而，表面上Oncentra与Pinncale系统采用的算法相近，属于并行发展的两种模型，有许多共同点，但是在点剂量核函数的处理上有些不同，不再将射线分为原射线和散射线，计算的剂量是水中的吸收剂量，此方面与Monaco一样，计算的是在介质中的剂量。它们之间通过率的差别很可能由于Monaco和Oncentra相对于Pinnacle，是直接计算介质中的吸收剂量，Knoos等[11]的研究表明，这种处理对于骨性结构较多的组织，由于不同的碰撞阻止本领引起的这两种剂量算法的最大剂量偏差将达到6%。对于验证工具的选择，Arc Check和Map Check两种验证工具，前者的平均γ通过率低于后者（P<0.01），这是由于使用Arc Check验证时采用实际的机架角度，真实模拟了机架在旋转过程中可能带来机架到位精度的影响，以及多叶准直器可能由于重力作用而产生的位置偏差或到位精度的影响。而使用Map Check验证时，传统的做法是将射野的机架角度归零，这种方式在验证中很可能会掩盖或者缺失一些执行误差，以致分析结果不能真实地反映实际情况，导致较高的γ通过率[12]。此外，本研究析因分析的结果发现，病种部位、计划系统和验证工具不仅是造成验证γ通过率差异的独立影响因素，而且它们之间还有交互作用，共同作用于γ通过率。
此外，本研究提出了验证通过率的CL水平，用来判断调强放疗计划的总体剂量精度的可信度。AAPM TG-119号报告通过多中心协作，不考虑病种部位、计划系统和验证工具，仅针对点剂量验证、单野剂量测量和复合野胶片剂量验证分别给出了3%/3 mm标准下12.0、7.0和12.4的CL值，本研究参考该报告，从病种部位、计划系统和验证工具等因素出发，回顾性梳理了以上因素对应的CL值。由于CL是一个统计学概念，所以它在临床应用时要求一定的样本量，通过γ通过率的均值和标准差计算出95%置信水平下的CL值，如果CL值等于或小于本研究结果，则说明调强设备的总体剂量精度是稳定和可靠的，反之则应当对设备的每一步调试工作进行检查，而物理师在这个环节中起到了至关重要的作用。放疗计划与实际测量之间的计量偏差往往由多种因素共同作用，但主要是治疗计划系统（主要因素，贡献将近50%）、治疗设备和测量过程3个误差来源[13]。其中，对于治疗计划系统，加速器原始数据的采集、计算模型的建立、软件操作等都是影响计划系统剂量计算精度的主要因素。据研究报道，基于剂量和距离差异的γ通过率对于多叶准直器的穿透因子较敏感，如将计划系统中10 MV X线的多叶准直器的穿透因子从3%改为1.5%，调强计划的3%/3 mm平均γ通过率将从80%增加至93.3%[7]。可见，计划系统参数的调整可以改善调强计划的验证通过率。对于治疗设备，加速器的剂量输出、射野特性（平坦度、对称性）、多叶准直器的到位精度或者定位系统等都有可能产生剂量偏差。而在测量过程中的误差，主要是由于验证工具的精度或者设计缺陷、人为的摆位误差、验证方式的选择等造成剂量分布的偏差[14]。
总之，放疗的计划和实施不可能完全一样，所以临床中判断调强计划的质量是相对困难的，而本研究通过回顾性分析单中心的既往验证病例的γ通过率，比较了不同病种部位、计划系统和验证工具带来的γ通过率差异及其相互影响情况，并通过大样本量给出了调强放疗计划γ通过率在95%置信水平下的CL值，即从另一个角度回答了“对于调强放疗计划的γ通过率，需要达到什么范围才是可以接受和相信的？”，以期为临床提供实践经验和判断依据。
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