图像引导放疗技术下癌症治疗质量保证和质量控制的研究进展

张磊 刘鲁迎 方敏

[摘要] 国内恶性肿瘤患者病例数越来愈多，死亡率也居高不下。放射治疗是目前治疗癌症的三大有效方式之一，放疗环节中的质量保证和质量控制对于提高肿瘤患者的治愈率有重要的作用，先进的图像引导下的放疗技术能够在治疗过程中准确的核定治疗的位置，保证剂量投射的精度，较大程度的提高了肿瘤患者的治疗效果。同时放疗计划的二维及三维模体剂量验证也是质量保证的重要部分，其在一定程度上确保放疗物理师设计的放疗剂量与直线加速器出束的剂量能相对一致。如何精确有效地保证放疗各环节中的治疗质量是放射治疗界的重点研究方向。本文主要探讨目前放射治疗中图像引导技术实施及放疗计划剂量验证中的质量保证与控制，同时针对日新月异的设备与技术，探索新的放疗质量保证措施。

[关键词] 图像引导;肿瘤放疗;剂量验证;质量保证;质量控制

[中图分类号] R734.2          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-9701（2019）13-0163-06

[Abstract] The number of cases of malignant tumors in China is increasing， and the mortality rate is also high. Radiation therapy is one of the three effective ways to treat cancer. Quality assurance and quality control of the radiotherapy play an important role in improving the cure rate of cancer patients. The advanced image-guided radiotherapy technology can accurately verify the position of the treatment during the treatment process， ensure the accuracy of the dose projection， and greatly improve the treatment effect. At the same time， the two-dimensional and three-dimensional phantom dose verification of the radiotherapy plan is also an important part of the quality assurance， which ensures that the radiotherapy dose designed by the radiotherapy physicist is relatively consistent with the dose of the linear accelerator. How to accurately and effectively ensure the quality of treatment in all aspects of radiotherapy is the key research direction of the radiotherapy community. This article mainly discusses the current quality assurance and control in the image-guided technology implementation and dose verification in radiotherapy， and explores new radiotherapy quality assurance measures for the ever-changing equipment and technology.

[Key words] Image guidance; Tumor radiotherapy; Dose verification; Quality assurance; Quality control

2018年全球癌癥统计数据报告了185个国家中的36类癌症的发病率与死亡率，其中全球全年新发癌症病例1810万，亚洲区域占近一半，癌症死亡患者约960万，亚洲区域占近70%。肺癌依旧是发病率（11.6%）与死亡率（18.4%）最高的恶性肿瘤，其次发病率最高的为乳腺癌（11.6%），死亡率最高为结直肠癌（9.2%）。中国的癌症数据在2018年统计中发病率与死亡率占全球最高，新增病例380.4万例，死亡病例229.6万[1]。放射治疗是目前治疗多种恶性肿瘤的重要方式之一，约50%～70%的癌症患者需接受放射治疗，放疗效果也得到医学界的广泛认可[2-4]。但在放射治疗过程中，不仅需要考虑恶性肿瘤靶区得到充分的治疗，且需要对重要器官加以保护。肿瘤放射治疗的根本目的是给予肿瘤靶区足够高的治疗剂量，同时使周边正常组织和器官（Organs at risk，OAR）的受照射剂量尽量降低，从而提高肿瘤治疗的局部控制率，降低危及器官的放疗副反应[5-6]。目前放疗技术不断精进，从二维适形到广泛应用的图像引导的三维弧形旋转调强及螺旋断层放疗等，放疗精度越来越高，同时放疗设备更新换代也逐渐提高了剂量标准。本文主要针对图像引导的肿瘤放射治疗技术及相关放射设备的质量保证和质量控制进行讨论，旨在提高放射治疗整个实施流程中的安全性认识，保证癌症患者治疗的精确性，尽可能降低放疗带来的毒副反应，进一步改善患者的治疗效果和预后。

1 质量保证和质量控制的定义

放射治疗的质量保证（Quality assurance，QA）指通过严格缜密的方案评判整个放射治疗过程中的服务质量和临床治疗效果，并通过质量控制保证放疗所有流程中的各个环节按照国际相关部门制定的标准准确安全的执行[7-10]。质量控制（Quality control，QC）便是采用相应的手段保证QA的执行达到公认水准，并且不断提升治疗过程中的细节，达到更好的放疗质量。欧洲癌症研究与治疗中心（European Organisation for Research and Treatment of Cancer，EORTC）Mckenzie A在20年的调研结果[11]表明，认真严谨的执行QC可以减少不同医院间、区域间甚至国家间在CT模拟定位、肿瘤靶区勾画与确定、放疗计划设计及执行方面的误差及不确定性，从而尽量拉平不同放疗机构因参差不齐的设备及医疗水平引起的差异性，达到国际规定的QA允许标准范围内。

2 放射治疗设备的质量保证

图像引导放疗技术中放射治疗全过程中主要用到的设备有CT模拟定位机、放疗计划系统及医用电子直线加速器。其中，医用电子直线加速器的质量保证最为重要。

国际辐射单位与测量委员会（International commission on radiation units and measurements，ICRU）总结以往的研究后建议患者原发灶肿瘤接受到的治疗剂量应控制在处方剂量的±5%以内。这表明在辐射剂量经过一系列步骤传输到患者靶区内的每一个环节中精确性必须要优于5%。

直线加速器QA的目的在于确保设备参数不会明显偏离验收和调试时所设定的基准值。一旦出现偏差就意味着患者没有获得最佳的治疗，严重的甚至会出现医疗事故。直线加速器QA的方式有多种，广泛公认的参考标准主要是参考国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）、美国医学物理师协会（American association of physicists in medicine，AAPM）TG 40[12]及TG 142[13]报告。然而IEC并没有考虑将加速器的日检列入标准中。TG 142是在TG 40的基础上，加入了包括图像引导等新技术的设备检测范围，普遍应用于临床治疗的多叶准直器（MLC）、不对称光栅、动态虚拟楔形板、电子射野影像系统（EPID）、锥形束扫描CT（CBCT）及呼吸门控装置[14-17]。与此同时，近年来，直线加速器的准确性和精确性得到较高的改善和提升，一些新的治疗方法如立体定向放射外科（SRS）、体部立体定向放射治疗（SBRT）、全身光子照射（TBI）和调强放疗（IMRT）均得以开展，TG142也相应给出以上治疗方式的执行规范。TG 142报告对双光子直线加速器QA过程的指标包括检测频率、检测项目和误差指标。

3 放射治疗计划剂量的质量保证

目前，用于肿瘤治疗的放射治疗方式有三维适形放疗（Three dimensional conformal radiotherapy，3D-CRT）、调强放射治疗（Intensity modulated radiotherapy，IMRT）、容积旋转调强（Volumetric modulated arc therapy，VMAT）、体部立体定向放射治疗（Stereotactic body radiation therapy，SBRT）、螺旋断层放射治疗（Helical tomotherapy，TOMO）等，其中IMRT按照多叶准直器（MLC）运行模式不同可分为：MLC步进式（step and shoot）的静态调强技术（S-MLC）、滑窗式的动态调强技术（D-MLC）、旋转调强技术。VMAT及TOMO均属于调强技术的范畴。SBRT的实现主要以S-IMRT或VMAT方式，采用多个照射野实施大剂量少疗程分割方式。

为了保证放射治疗剂量投射的准确性，在治疗物理组将放疗计划设计完成后，患者治疗前，均需要对所有的调强治疗计划在加速器上进行独立的剂量验证[18]，剂量的验证合格率需达到95%以上。

3.1 静态调强放疗的剂量验证

S-IMRT常用剂量验证工具是美国Sun Nuclear公司设计生产的二维放疗照射野剂量QA验证系统Mapcheck，型号1175。Mapcheck面板在22 cm×22 cm有效测量范围内非均匀的分布着445个N型二极管探测器，其中心间隔在7～14 mm之间[19-21]。每个探测器有效监测范围是0.8 cm×0.8 cm。调强放疗计划是不可在患者身体上直接测量的，因此需将计划移植到等效模体上进行测量，Mapcheck验证模体采用密度为1.05 g/cm3的MapPHAN（Sun Nuclear）固体水块，等效于水的电子密度1.012 g/cm3。验证前将安装有模体的Mapcheck在CT模拟定位室以2.5 mm的层厚进行扫描，扫描的CT图像传至放疗计划系统中经三维重建得到数字体模，设置好模体的坐标原点，便可作为调强计划进行平面剂量的验证模体。其验证步骤主要是在TPS中将需要验证的患者制作对应的QA计划。将患者的调强治疗计划参数复制到Mapcheck的CT图像上，机架角度、准直器角度和床角度均选择0°，剂量计算网格选择2 mm，射野中心选择模体的坐标原点，重新进行剂量计算，见图1。计算的剂量数据导入患者的QA计划文件夹中。

然后在加速器中機架角打到0°，调整治疗床到合适位置，把Mapcheck模体放置到治疗床上，机头下方的位置，连接好线路，调整模体的位置。使激光线对准模体中心线，加速器源到电离室的中心距离为100 cm，进行逐野照射。测量结束后，对患者每一个照射野的平面剂量分布的测量剂量和QA计划剂量进行对比，以3 mm 3%标准进行DTA（Distance to agreement）方法分析，通过率≥95%表示通过，反之则未通过，肝癌调强计划一个照射野的剂量对比结果见图2。

3.2 容积旋转调强放疗的剂量验证

VMAT主要使用Delta4三维剂量验证系统（Scandidos，Sweden）进行VMAT计划的QA验证。Delta4系统的主体是材质为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的圆柱状模体，长40 cm，直径为22 cm，共有1069个P型硅半导体探测器正交排列分布其中[22]，具有各向同性的特点，不依赖于入射角度，因此可在三维各方向完成剂量测量，探测器为圆柱形，面积为0.0078 cm2，在中心面积6 cm×6 cm的平面，每个探头间隔0.5 cm，在中心面积20 cm×20 cm的平面，探头间隔1 cm。这两个平面依靠主探测板正交分布于整个模体直径轴上。Delta4系统可与电脑软件相连，记录QA计划执行时的测量剂量，便于用户比较测量剂量与计划剂量的差别。验证前将Delta4模体在CT模拟定位室以2.5 mm的层厚进行扫描，扫描的CT图像传至放疗计划系统中经三维重建得到数字体模，设置好模体的坐标原点，便可作为VMAT进行三维剂量的验证模体，Delta4也可作为S-IMRT的验证系统。测量结束后，对患者每一个弧度照射野的三维方向测量剂量和QA计划剂量进行对比，以3 mm 3%标准进行gamma方法分析，通过率≥95%表示通过，反之则未通过。图3为1例直肠癌VMAT计划单弧验证结果。

3.3 螺旋断层放疗的剂量验证

TOMO计划剂量验证方式较多，包括采用一维的EBT3免冲洗胶片、二维的PTW729探测阵列、三维的Delta4及ArcCheck等[23]。其中以膠片的空间分辨率最高，验证最为精确，但操作步骤复杂，不如二维、三维探测器简便快捷。胶片验证采用的是TOMO自带的圆柱形固体水体膜（Cheese模体），半径15 cm，长18 cm，模体由2个半球体组成，便于EBT3免冲洗胶片置于半球中间[24]。模体需在CT模拟定位室以3 mm的层厚进行扫描，扫描前在模体贴上3个标记点用于确定模体中心，扫描的CT图像传至TOMO系统中经三维重建得到数字体模，作为剂量验证模体图像使用。TOMO的验证步骤中需要调整治疗床到合适位置，把cheese模体放置到治疗床上，采用激光灯摆位模体。在TOMO放疗服务器中调用QA计划后、连接电离室，将EBT3免冲洗胶片放在模体半球中间位置，采用MVCT，与计划CT图像配准，精确摆位后出束照射。测量结束后，在TOMO胶片分析系统中，定性分析胶片测量的横断面剂量分布，与QA计划剂量进行对比，如图4，以3 mm 3%标准进行gamma方法分析，通过率≥90%表示通过，反之则未通过，查找原因重新验证直至通过。

4 放射治疗执行的质量保证

调强治疗和螺旋断层治疗等新技术的广泛应用可以使得放疗计划质量显著提高，靶区剂量高适形度，而OAR的受量降低。高、低剂量梯度增加了对剂量投射精度与准确性的要求。常规的放疗过程需要短则5 d多则30 d的分次治疗，而每次治疗期间及治疗过程中技术员操作的摆位误差、固定装置的松紧程度、患者的自身体型变化、呼吸运动、肠道的消化情况及蠕动和膀胱的充盈状况等均可能导致肿瘤靶区偏移出照射野范围，影响临床治疗效果。放射治疗执行QA的目的是保证患者接受到的加速器投射剂量与计划设计时剂量分布尽可能一致，有利于减低OAR并发症几率，提高肿瘤治愈效果，避免照射过程中出现靶区偏离。

保证放疗过程准确实施的方法是采用图像引导下的放射治疗技术（Image-guided radiotherapy，IGRT）。IGRT原理是在放射治疗前使用在线影像系统采集患者的解剖影像，获取靶区定位的准确信息，并允许定位图像与计划CT图像在线配准，保证两者固定体位、照射中心点、靶区和OAR位置相吻合，提高治疗过程的精准度[25]，保证三维误差值在各方向上不能超过3 mm。目前临床应用的图像引导技术主要包括电子射野影像系统（Electronic portal imaging device，EPID）、锥形束扫描CT（Cone beam CT，CBCT）以及螺旋断层放疗系统的MV级CT。

4.1 电子射野影像系统

电子射野影像系统早在八九十年代便用于临床图像引导放疗摆位。该系统采用电子技术可在加速器射野出束方向获取射野影像，组成结构分两大部分：射线探测器和射线信号影像处理系统。按射线探测方式的差异，EPID分为3类：荧光探测器、固体探测器、液体电离室[26]。瓦里安公司的23EX直线加速器安装的是非晶硅矩阵的固体探测板，患者摆位固定之后，分别在0°和90°两个正交方向使用EPID拍摄摆位验证影像，然后与计划系统中基于CT图像生成相同角度的数字重建图像（DRRs）作比较，验证治疗中心点，校正摆位。ERID图像分辨率不高，不能很精确的对比器官组织的解剖结构，但EPID同时也是二维剂量测量系统，因此关于EPID在线验证放疗计划剂量也是研究热点之一。

4.2 锥形束扫描CT

锥形束CT是在直线加速器上配备KV/MV级影像系统，在射野出束治疗前获取患者定位信息，是现在运用最广泛的图像引导技术之一，目前配有此影像系统的加速器型号为瓦里安公司的Trilogy、True Beam和医科达公司的Synergy等。CBCT的基本原理是通过使用低能量的X射线绕患者作360°环形旋转获取多角度平面图像，利用CT成像的滤波反投射算法，在计算机上将数字信息重建转换为三维体积图像，可以识别肿瘤靶区、OAR以及患者体内标志结构[27]。扫描的图像可以与计划CT做配准，判定是否需要调整患者治疗体位，各方向误差要求低于3 mm。KV级CBCT系统组成结构包括X射线球管和平板X射线探头，X射线球安装在可伸缩臂架上，垂直于直线加速器的出束方向，平板X射线探头安装在对侧的伸缩臂架。CBCT的主要优点是射线能量低，重建图像清晰度高，利于软组织对比。

4.3 螺旋断层放疗系统的兆伏级CT（MVCT）

TOMO系统相当于在类似于CT机的滑环机架结构上安装了一个6 MV直线加速器，以窄扇形射野（Fan Beam）环绕机械等中心可做360°连续旋转照射，每旋转7°形成一个弧形照射野，一个旋转周期共51个射野。探测器阵列系统安装在与加速器相对的位置，可随机架同时旋转。TOMO系统的加速管可切换2.8 MeV和6 MeV两种能量，在患者摆位验证时，输出2.8 MV的扇形束X光，绕患者旋转扫描产生MVCT的三维图像[28-29]。MVCT扫描层厚分6 mm（粗糙）、4 mm（普通）、2 mm（精细）三种模式，图像系统最大扫描层数限制在80层。MVCT图像获取完成后，TOMO的在线图像配准可以调节横断面、冠状面和矢状面3个方向的图像位置，配准模式分手动和自动两种。自动模式配准方法为：骨性标志配准、骨性标志和软组织配准、影像信息配准3种。腹部患者治疗中可选择前列腺和膀胱为配准参照物。TOMO图像引导的优势在于采用了同源双束的技术，不需要安装附加的影像射线产生设备，同时其保证治疗坐标和成像坐标的一致性，降低系统误差[30-31]。由于MV射线特性，MVCT图像在低对比度分辨率较差，在软组织成像中劣于KV级CBCT图像，但成像清晰度足以校正摆位误差，提高剂量投射精准度，满足临床治疗需求。

5 展望

图像引导下的放疗技术是目前应用最广泛，也是最先进的技术之一。世界顶尖级的加速器研发公司纷纷对其不断研究创新，如最近已通过欧洲CE认证，开始投入使用的医科达公司的Unity MR Linac磁共振影像引导直线加速器及瓦里安研发中的简化和增强图像引导体积强度的HalcyonTM直線加速器。各类先进设备的更新目的都是为了更好的保证放疗过程中的计划剂量和治疗精度。图像引导技术发展日趋完善，分辨率越来越高。但对于剂量质量验证，传统二维矩阵板、三维探测器、胶片等目前仍是应用最多的验证手段，其缺陷在于并不能准确获取人体实际受照剂量，只采用QA计划在模体上加以实施。而日益更新的加速器，新的剂量验证方式可能需要进一步研究分析并加以改进，例如是否可以从图像引导的验证CT中，通过计算机分析以重建剂量分布，再与放疗计划系统中的剂量体积直方图验证对比，形成新验证标准等，以不断提升放疗技术的质量，为众多的癌症患者实施治疗加以保障，提高患者治愈率和预后效果。

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（收稿日期：2019-01-03）