Tomotherapy HDA型螺旋断层调强放疗设备剂量传输方式的质控标准建立

庞廷田，于浪，杨波，刘峡，刘楠，李文博，董婷婷，邱杰

北京协和医院 放疗科，北京 100730

引言

根据2018年中国癌症中心发布数据显示，恶性肿瘤是导致我国居民死亡的首要原因[1]。约70%的癌症患者在治疗过程中需要用放射治疗，约有40%的恶性肿瘤可以用放疗根治，放射治疗已成为治疗恶性肿瘤的主要手段之一[2]。根据张烨等[3]的调查，国内能够开展放疗的医疗单位有1463家，其中可以开展调强放疗技术的单位为1121家，占比76.6%。可见调强放疗技术已经在全国得到普及。但是调强技术的开展的水平需要严格的质控程序保障。早在2003年美国医学物理学家协会（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）就专门发布了调强放射治疗技术质控的全流程指导性文件[4]，2008年美国放射物理中心通过利用头部模体剂量比对的方式对美国250家开展调强放疗技术的医学中心进行照射比对，发现在低梯度区偏差7%或高剂量梯度区4 mm DTA的标准下，仍然有71家即28%的放疗单位没有通过检测[5]。由此可见，各放疗单位开展调强技术的质量水平参差不齐。因此，对调强技术整个流程的质控和测试显得尤为必要。通过对参加课题的单位进行统一的调强计划的设计和剂量验证分析，来建立调强计划质控项目结果的置信区间，参与工作的各单位所用放疗设备和测量设备不尽相同，计划系统也有差异，从而使这个报告产生的结果具有普遍性和可实施性[6]。另外，有很多其他的学者和学术组织也在调强技术以及螺旋断层放疗的实施流程质控方面有了很多研究[7-10]。新安装放疗设备在投入临床应用之前，可以通过AAPM TG119以及相关报告中的测试拟合方法得到自己的设备质控数据，并将所得数据和建立的置信区间与报告中推荐的数据范围进行比较，从而确定该调强放疗系统是否得到充分拟合和验证，并据此建立该调强放疗系统的临床质控工作的标准，指导临床治疗工作。

本单位于2019年安装Tomotherapy HDA型螺旋断层调强放疗设备，该设备具有Tomo-Helical和Tomo-Direct两种调强传输方式[11-12]，本研究在进行调强系统测试时，对测试的内容进行了相应的调整，分别对两种传输方式进行单独测试，以期得到该设备的质控置信区间，为今后不同传输方式的调强计划的质控提供依据。

1 材料与方法

本实验依照AAPM TG119报告中提供的病例要求进行调强计划设计，点剂量和面剂量的测量、分析标准和误差评价方法以及置信区间的计算均依照报告推荐执行。由于Tomotherapy系统与常规直线加速器结构和原理均有区别，其计划系统没有正向计划设计功能，因此TG119中AP：PA射野和Bands条状射野测试以及Per-Field单野测试将不在本实验中进行测试，本研究所测试内容包括多靶区、前列腺靶区、头颈部靶区和两种C型靶区等4个部位5种复杂程度的调强计划设计以及对所有上述计划进行点剂量和面剂量测量，计算计划剂量和实测剂量的偏差并分析偏差结果，依据测量偏差结果建立起该测量置信区间范围。

1.1 实验设备

Tomotherapy螺旋断层调强放疗系统（美国ACCURAY公司）；Eclipse治疗计划系统（美国Varian公司）；Cheese phantom模体（美国Gammex公司）；Philips Brilliance放疗专用大孔径CT模拟定位机（荷兰 Philips公司）；点剂量测量工具为A1SL电离室和Tomo-Electrometer静电计（美国Standard Image公司）；面剂量测量设备为Arccheck矩阵电离室（美国 Sun Nuclear公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 治疗计划制作

利用CT模拟机对cheese phantom进行扫描，扫描条件为头部扫描条件（125 kV，140 mAs），扫描完成后导入Eclipse治疗计划系统，将AAPMTG119中所涉及测试部位的靶区和危及器官的CCT图像以及轮廓从AAPM官方指定的网站下载并倒入Eclipse计划系统，在计划系统中将所需测试的靶区和危及器官的轮廓通过配准融合到cheese phantom模体中，轮廓的坐标中心为cheese phantom模体中心下5 mm处。

1.2.1.1 多靶区调强计划制作

区轮廓如图1所示，3个靶区在模体中心轴上头尾方向依次排列，分别为：头向靶区、中央靶区和尾向靶区，每个靶区均为圆柱形且体积相同，长4 cm，直径为4 cm，中间靶区的中心位于模体中心下5 mm处。

图1 多靶区病例中各靶区分布

（1） 治疗计划目标函数。三个靶区的目标函数均为包绕99%靶区体积的剂量D99和包绕10%靶区体积的剂量D10来描述，具体参数如表1所示。

表1 多靶区调强计划参数统计

（2） 治疗计划参数设置。Tomo-Direct计划由7个射野角度（0°、50°、100°、150°、210°、260°、310°）组成，调制因子MF设置为2.0，分别制作三组铅门尺寸（1.0、2.5、5.0 cm）计划，每组铅门模式分为Fixed和Dynamic两种，HelicalDirect总共5个治疗计划；Tomo-Helical计划调制因子MF设置为2.0，pitchfactor设置为0.43，共3组铅门每组铅门两种模式5个治疗计划。

（3） 点剂量测量点位置。3个剂量测量点分别位于三个靶区的中心，不进行危及器官剂量点测量。

（4） 面剂量测量。将靶区移植到Arccheck电离室曲面进行面剂量验证计划制作和测量。

1.2.1.2 前列腺调强计划制作

靶区轮廓如图2所示，包括前列腺区CTV、PTV、膀胱、直肠等，前列腺的左右、前后、头脚方向的尺寸分别为：4.0、2.6、6.5 cm。PTV为CTV外放0.6 cm边界。直肠、膀胱和靶区的关系如图2所示，前列腺癌靶区的中心位于模体中心下5 mm处。治疗计划的目标函数如表2所示。

表2 前列腺癌调强计划参数

图2 前列腺癌计划示例，靶区、膀胱、直肠分布

（1）治疗计划射野参数设置。TOMO-Direct和TOMOHelical治疗计划参数设置如多靶区计划设置相同，分别为5个治疗计划。

（2）点剂量测量位置。该部分包括靶区中心和直肠中心（靶区中心下2 cm处）两个点剂量测量

（3）面剂量测量。将靶区移植到Arccheck电离室曲面进行面剂量验证计划的制作和测量,

1.2.1.3 头颈部调强计划制作

靶区轮廓如图3所示，包括头颈部靶区的PTV、脊髓和腮腺等，PTV范围为颅底至锁骨上区域包括颈后淋巴结引流区。脊髓距离PTV下缘边界1.5 cm、腮腺为危及器官位于PTV头的方向两侧，位置关系如图3，靶区位于模体中心下5 mm处。治疗计划的目标函数如表3所示。

图3 头颈部靶区计划示例，靶区、脊髓、腮腺

表3 头颈部肿瘤调强计划参数

（1） 治疗计划射野参数设置。Tomo-Direct计划由9野均分计划组成，MF设置为2.5和Tomo-Helical的射野参数设置MF：2.5，pitchfactor：0.287，铅门设置与前相同，两种传输方式共10个治疗计划。

（2） 点剂量测量位置。该部分包括靶区中心和脊髓中心（靶区中心下4 cm处）两个点剂量位置测量。

（3） 面剂量测量。将靶区移植到Arccheck电离室曲面进行面剂量验证计划的制作和测量。

1.2.1.4 容易型C形靶区计划制作

靶区轮廓如图4所示，包C形PTV和中心的危及器官core组成等，PTV长8 cm，环形的宽度为2.2 cm，core距离PTV 0.5 cm，长10.0 cm，危及器官的中心位于模体中心下5 mm处，治疗计划的目标函数如表4所示。

图4 C形靶区计划示例，靶区、中间危及器官

表4 C形靶区容易型调强计划参数

（1） 治疗计划射野参数设置。TOMO-Direct计划由9野均分计划组成，MF设置为2.5和TOMO-Helical的射野参数设置MF：2.5，pitchfactor：0.287，铅门设置与前相同，两种传输方式共10个治疗计划。

（2） 点剂量测量位置。core中心位置和靶区中心位置（core中心上2.5 cm处）两个点剂量位置测量

（3） 面剂量测量。将靶区移植到Arccheck电离室曲面进行面剂量验证计划的制作和测量。

1.2.1.5 困难型C形靶区计划制作

靶区轮廓如图4所示，和容易型C形靶区相同。治疗计划目标函数：治疗计划的目标函数比容易型C形计划更苛刻如表5所示。本部分只用TOMO-Helical传输方式进行治疗计划制作。射野参数设置MF：2.5，pitchfactor：0.287，铅门设置与前相同，共5个治疗计划。core中心位置和靶区中心位置（core中心上2.5 cm处）两个点剂量位置测量。将靶区移植到Arccheck电离室曲面进行面剂量验证计划的制作和测量。

表5 C形靶区困难型调强计划参数

1.2.2 点测量测量

由于A1SL电离室和Tomo-Electrometer静电计经过标准实验室校准，具有ND，wCo-60和KQ以及静电计校准因子KE，所以可以直接测量吸收剂量，不需要像常规直线加速器一样利用标准射野进行静电计读数的剂量换算。调取所需治疗计划，利用红激光灯对cheese phantom模体进行摆位，摆位完成后利用MVCT对模体位置进行校准，根据上文中所述点的位置分别进行点剂量测量，计算点剂量偏差。

1.2.3 面剂量测量

取所需治疗计划，利用红激光灯对Arccheck进行摆位，摆位完成后利用MVCT对模体位置进行校正，确认位置无误后进行面测量验证。测量分析采用剂量偏差3%标准，分析方法采用Van Dyk percentage difference方法[13]，以通过率百分比为结果进行验证结果分析、统计。对所测得参数进行分析并计算置信区间为95%的测量数值落在该区间的概率[14-16]。

2 结果

2.1 点剂量测量置信区间

两种剂量传输方式计划中，靶区和危及器官的点剂量测量结果和计算所得置信区间如表6所示。Tomo-Helical传输模式中，所有靶区点剂量测量偏差均小于2%，范围从-1.67%到+1.86%，根据CL公式计算置信区间为±2.43%，即测量靶区内的高剂量低梯度点剂量时，95%的点测量偏差将<2.43%；危及器官测量点偏差范围为-1.28%到+1.41%，置信区间为±1.46%，Tomo-Direct传输模式，靶区测量点偏差范围为：-3.08%+1.57%，置信区间为2.72%；危及器官点剂量测量偏差置信区间为2.66%。需要注意的是，在危及器官点剂量测量时，由于测量点处于低剂量高梯度区，所以我们要对电离室测量位置准确性给予特别关注，笔者测量过程中发现，电离室位置偏差2 mm，剂量偏差结果可能增大5倍。

表6 靶区和危及器官的点剂量测量结果和计算所得置信区间

2.2 面剂量置信区间

两种剂量传输方式计划中，面剂量验证结果和计算所得置信区间如表7所示，面剂量分析标准为：Threshold为10%， 3 mm Gamma分 析 结 果， 标 准 为>90%。 在Tomo-Helical传输模式中，面剂量测量通过率偏差范围为96.7%～100%，置信区间为2.08%，即95%的面剂量测量通过率都将超过97.9%，Tomo-Direct传输模式面剂量测量通过率范围为95.5%～100%，计算所得置信区间为3.07%。

表7 两种剂量传输方式的面剂量验证结果和计算所得置信区间

3 讨论

可以开展调强技术并不能等同于能开展好调强技术，由于调强技术的剂量特性，如果该技术的可靠性和精确性得不到保障，那么不仅无法体现技术的优越性，甚至给患者带来病情复发、放疗毒性加重等负面影响[17-19]。

本研究依据测量结果计算所得的置信区间均在TG119推荐范围以内，并且区间有了大范围缩小，说明我科新安装Tomotherapy HDA螺旋断层调强放疗系统在调强实施的整个流程的拟合度非常好。同时本研究所得点剂量偏差值均小于3%，符合根据Palta等[20]推荐的点剂量验证偏差纠正阈值：其中靶区点剂量验证行动水平为5%，危及器官点剂量验证低剂量高梯度区行动水平7%。同时，将根据计算所得的置信区间标明日后临床调强计划剂量验证的允许误差范围，更好的指导后续调强放疗的质控工作。

在进行调强技术的验收测试时，测试人员可以根据本单位患者构成比例和病种特色进行测试项目优化，如宫颈癌患者较多则可以加入带有盆腔淋巴结引流区的马蹄形靶区，以及照射腹主动脉淋巴结引流区的病例[21-23]，乳腺癌患者较多则可以加入胸壁的对穿照射靶区等。

该部分测试目的并非单独对计划系统的剂量计算精度以及靶区和危及器官剂量分布进行比较，其主要目的是测试从调强计划制作到剂量传输的整个流程，评估的是计划系统优化计算和放疗设备实际执行计划的能力，因此需要根据测试目的对计划制作的过程的各种参数进行统筹设置、规划，以做到尽量不影响测试结果的可靠性。

在进行测量结果分析和置信区间计算时，最佳方法是根据自己的测量结果对计算公式的标准偏差σ的系数1.96进行适当的调整，以期让所得置信区间更适合本单位的调强放疗设备和剂量测量系统。在设置我们的行动水平时，并没有对国际推荐的靶区剂量误差5%和危及器官剂量误差7%进行调整，但从测量结果显示，所有靶区和危及器官点剂量偏差都在2%以内，远小于报告中误差区间，因此是否需要对行动水平重新定义，是需要深入探讨的问题[24-26]。

本研究参照AAPM TG119报告对新安装Tomotherapy HDA新型螺旋断层放疗设备进行详细测试，根据调强传输方式的不同分布对Tomo-Helical和Tomo-Direct两种传输方式分别建立调强计划质控项目以及结果的置信区间，所得结果以及置信区间均在报告的推荐范围之内，并大大缩小了置信区间的范围，为日后的调强质控项目提供了可靠标准，为患者进行精确放疗打下基础。