基于日志文件分析PerFRACTION系统的敏感度和特异度

闫慧芳，刘洪源，杨志勇，李勤，韩军，聂鑫，梁志文，张盛

1.郑州大学第二附属医院肿瘤放疗科，河南郑州450000；2.华中科技大学同济医学院附属协和医院肿瘤中心，湖北武汉430022

前言

质量保证（Quality Assurance,QA）和质量控制（Quality Control,QC）是保证放射治疗安全的重要措施［1-3］。随着放射治疗技术的发展，旋转容积调强放疗（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）技术逐渐成为主流［4-5］。因为VMAT在满足临床剂量学要求的前提下，大大地减少了机器跳数和治疗时间。但是VMAT 计划的复杂性和执行不确定性也给病人的QA带来更大的挑战。目前病人的QA主要是进行一维、二维和三维剂量验证。一维剂量验证设备主要是电离室、热释光剂量剂等；二维剂量验证设备主要是胶片［6］、MapCHECK［7］和MatrixX［8］；三维剂量验证设备主要是ArcCHECK 模体［9］和PerFRACTION系统［10］。电离室进行单点剂量的测量，无法提供测量点之外的剂量信息。胶片用于测量单个平面的剂量，无法实现三维剂量的验证。ArcCHECK 模体作为目前QA 的常规方式，虽然ArcCHECK 模体可以获取二维和三维剂量分布，剂量验证准确性、敏感度、稳定性及可重复性相较之前的剂量验证工具更好，但在计划准备、机器时间、数据测量和分析方面花费了大量的人力、物力和时间，也无法实现实时在线剂量验证。近年来出现的实时在线质控软件PerFRACTION 系统，它采用卷积迭代算法［11］，并且可以利用MLC日志文件、在线射野影像数据计算出病人的实时三维剂量，并自动得出剂量体积直方图（Dose-Volume Histogram,DVH）和γ 通过率。关于该系统执行过程中的稳定性、临床应用的有效性及基本误差侦测能力已经被证明［12］。本研究通过利用PerFRACTION实时在线获取原始计划和引入随机误差的修改计划在治疗过程中加速器记录的日志文件，重新计算获得病人的三维剂量分布，与治疗计划系统（Treatment Planning System,TPS）计算的原始计划剂量分布进行γ 分析对比，检测出修改计划中的误差，对误差进行统计学分析，进而得出该系统对误差检测的敏感度和特异度。考虑到不同机构、不同解剖部位的计划差异性，采取统一的γ 通过标准进行剂量分析，也许会导致部分误差的遗漏。因此，本研究经分析得出针对两组解剖部位的VMAT 计划γ 分析通过标准，为今后临床工作提供更为精确的γ 通过标准。

1 材料与方法

1.1 PerFRACTION系统

PerFRACTION 系统是实时在线质控软件，它采用的算法是基于图形处理器（Graphics Processing Unit,GPU）加速的独立卷积迭代算法，命名为SDC（Sun Nuclear Dose Calculator），该系统可以利用MLC日志文件、在线射野影像数据计算出病人的三维剂量分布，同TPS 计算的剂量分布进行γ 分析，当分析结果超出误差限定时可自动报告给物理师。在PerFRACTION 系统临床应用前，将根据本机构的机器相关参数，比如百分深度剂量（Percentage Dose Depth,PDD）、离轴比（Off Axis Ratio,OAR）及射野输出因子（Output Factor,OUF）等，建立本机构的机器相关的光束模型。本机构根据该光束模型进行调试并验证，保证临床应用的准确性。

1.2 原始VMAT计划和修改VMAT计划的获取

随机选取武汉协和医院肿瘤中心头颈和盆腔两个解剖部位的VMAT计划各10组，所有计划均已经接受临床治疗。计划均在Varian Eclipse 13.5 TPS(Varian Medical System,Plato Alto,CA）中完成，计划选取X射线能量为6 MV，采用双弧来优化靶区覆盖范围。使用光子优化算法（Photon Optimization Algorithm,PO）进行优化，PO 算法生成一系列控制点用来定义MLC 叶片的位置、机架角度及机器跳数（Monitor Unite,MU），然后使用多分辨率（Multiple Resolution,MR）方法来优化计划，此时分4 步，分别是MR1、MR2、MR3、MR4。最终Eclipse 采用AcurosXB 13.6.23 算法进行剂量计算，计算网格尺寸是0.25 cm，得出原始计划。将原始计划进行复制，在第4 步MR4 继续优化，将靶区最大剂量限制条件上调3%，人为诱导产生误差，得出修改计划［13］。Eclipse 新生成的修改计划与原始计划相比，误差主要体现在靶区剂量及危及器官剂量上，两者DVH 图可看出误差引入后产生的差别（图1、图2）。原始计划和修改计划经过Trilogy 加速器执行，执行后PerFRACTION 自动获取加速器记录的日志文件进行测量。测量的剂量分别进行了3 方面的比较，①原始计划（TPS）与测量的原始计划进行γ 分析比较；②修改计划与测量的修改计划进行γ 分析比较；③原始计划与测量的修改计划进行γ 分析比较。①和②γ 分析结果均满足临床要求。③人为诱导MLC 叶片位置、加速器旋转角度等随机变化，测试PerFRACTION 系统测试出随机误差的敏感度和特异度，该研究重点分析。

图1 头颈VMAT计划修改前后靶区及危及器官的剂量曲线变化Fig.1 Dose curve of target areas and organs-at-risk before and after modification of head and neck VAMT plans

图2 盆腔VMAT计划修改前后靶区及危及器官的剂量曲线变化Fig.2 Dose curve of target areas and organs-at-risk before and after modification of pelvic VAMT plans

1.3 MLC日志文件的获取

原始VMAT 计划和修改计划传输至加速器执行，由Trilogy（Varian Corporation）加速器记录患者治疗过程的日志文件，文件包含MLC 信息、治疗床位置、加速器输出剂量率及机器跳数等，PerFRACTION系统可实时获取包含MLC 信息的日志文件，利用日志文件实时在线计算病人三维剂量分布。

1.4 PerFRACTION 系统和ArcCHECK 模体计划验证的分析

PerFRACTION系统测量的原始计划剂量和修改计划剂量，分别与Eclipse 中计算的原始计划剂量分别进行γ 分析，参考美国医学物理学家协会第218 号报 告（American Association of Physicists In Medicine-Task Group 218,AAPM-TG218）［14］，本研究采用3%/3 mm、3%/2 mm 的γ 通过标准，分别得出不同通过标准下γ 通过率。同时基于ArcCHECK 也采用相同的测量方法。

1.5 统计学分析方法

使用GraphPad Prism（version 5.01）软件对γ 通过率进行分析，γ 通过率用均值±标准差表示。采用配对t检验分析方法，P＜0.05 为差异有统计学意义。受试者工作特征曲线（ROC）分析最初用于量化疾病诊断的价值，现在被用于评价QA 的错误检测能力及限制［15］。ROC 曲线下面积（Area Under Curve，AUC）评价诊断效能，AUC值为0.5～1，AUC值越接近1，诊断效能越大。敏感度即正确判断病人的概率，特异度即正确判断非病人的概率。本研究中，敏感度指在所得γ 通过标准下，修改计划中检测出误差计划数的比率；特异度则是指在此标准下，在原始计划中所检测出无误差计划数的比率。敏感度越高，漏检率越低；特异度越高，则误检率越低。本研究结果在MedCalc软件（Version 18.2.1）中实现，通过综合分析比较γ 通过率，选择敏感度和特异度均较高的γ 通过率作为通过标准，验证PerFRACTION 系统的敏感度和特异度，并得出不同解剖部位VMAT 计划的γ通过率的最佳通过标准。

2 结果

2.1 PerFRACTION 系统和ArcCHECK 模体测量结果分析

Eclipse 中原始计划的剂量分布分别与PerFRACTION 系统测量及ArcCHECK 模体测量的原始计划和修改计划的剂量分布进行γ 分析，分析结果如下。

在3%/3 mm 和3%/2 mm 的γ 分析标准下，PerFRACTION 系统原始计划的γ 通过率均在98%和95%以上，修改计划在同样的标准下，部分在98%和95%以下，部分在98%和95%以上。ArcCHECK 模体亦是如此。因此，修改计划中引入的误差并未能检测出，说明了此γ 通过标准不具有针对性。具体分析数据见表1。

表1 γ通过率的分析比较（%,± s）Tab.1 Analysis and comparison of gamma passing rates(%,Mean±SD)

表1 γ通过率的分析比较（%,± s）Tab.1 Analysis and comparison of gamma passing rates(%,Mean±SD)

项目头颈盆腔计划类型原始计划修改计划原始计划修改计划PerFRACTION 3%/3 mm 99.14±0.64 97.75±1.17 99.80±0.23 99.61±0.23 3%/2 mm 97.72±1.05 95.82±1.06 99.44±0.42 99.03±0.48 ArcCHECK 3%/3 mm 99.29±0.53 96.47±1.67 99.53±0.40 97.46±1.01 3%/2 mm 96.90±2.21 93.15±2.88 97.56±1.72 94.88±1.57

2.2 ROC曲线分析结果

对于头颈VMAT计划，3%/3 mm、3%/2 mm的γ分析标准下，ArcCHECK 模体分析结果对应的AUC 值分别是0.97、0.82（图3、4）；PerFRACTION系统分析结果对应的AUC分别是0.86、0.88（图5、6）。同样，对于盆腔VMAT 计划，3%/3 mm、3%/2 mm 的γ 分析标准下ArcCHECK 模体分析结果对应的AUC 值分别是0.98、0.86（图7、8）；PerFRACTION系统分析结果对应的AUC 分别是0.76、0.76（图9、10）。 基于PerFRACTION系统，在敏感度和特异度均较高时，头颈VMAT 计划在γ（3%/3 mm）、γ（3%/2 mm）分析标准下通过标准分别是98.80%、96.32%；盆腔VMAT计划分别是99.62%、99.36%。

2.3 PerFRACTION的敏感度和特异度分析

根据ROC 曲线分析得出的γ 分析的最佳通过标准，对PerFRACTION 系统和ArcCHECK 模体检测出修改计划的敏感度和特异度进行分析，不论头颈还是盆腔计划两者均具有较高的敏感度和特异度，具体结果见表2。

3 讨论

本研究随机选取20对VMAT原始计划和修改计划进行分析，IMRT 计划并没有纳入研究的范畴，因为它的分段都是静态的，并且很好被定义，用探测器可以很容易检测出误差，这在Islam［16］等和Hoffman等［17］的研究中都有详细的介绍。并且，本中心头颈和盆腔计划均是通过VMAT 放疗技术实现的。目前关于PerFRACTION 系统的相关研究旨在验证其作为QA 工具的临床应用有效性，本研究目的则是通过PerFRACTION 检测修改VMAT 计划，分析该系统的敏感度和特异度，并且通过获取的γ通过率进行ROC分析，得出头颈及盆腔VMAT计划的γ通过标准。

目前，临床上在线剂量验证系统成为QA 的重要工具，它可以监测复杂计划传输和执行的准确性。Boggula 等［18］借助加速器机头和患者之间的二维辐射探测器，获取平面剂量分布图，然后COMPASS 系统进行重新计算，获取病人的三维剂量分布，与电离室及胶片进行对比，验证了COMPASS系统在线验证的准确性。Thoelking 等［19］验证了新型传输探测器DTD（IBADosimetry,Germany）在线测量传输剂量的准确性和有效性，足以应用于临床QA。Spreeuw等［20］基于EPID 在治疗过程中获取的平面剂量图，采用三维剂量计算算法进行计算，实现了在线剂量验证。基于MLC日志文件的分析广泛应用于患者的在线剂量验证，大大提高了QA 的效率。Schreibmann等［21］和Agnew 等［22］基于日志文件验证了VMAT 和IMRT 计划在传输过程中的准确性。关于在线剂量验证的研究还有很多［23-24］，本研究对实时在线剂量验证系统PerFRACTION 进行研究，它可自动获取日志文件信息实现剂量重建，检测出放疗传输过程中的误差［12］。

图3 头颈VMAT计划在3%/3 mm γ分析标准下的ROC曲线（ArcCHECK）Fig.3 ROC curve of head and neck VMAT plans under gamma passing criterion of 3%/3 mm(ArcCHECK)

图4 头颈VMAT计划在3%/2 mm γ分析标准下的ROC曲线（ArcCHECK）Fig.4 ROC curve of head and neck VMAT plans under gamma passing criterion of 3%/2 mm(ArcCHECK)

图5 头颈VMAT计划在3%/3 mm γ分析标准下的ROC曲线（PerFRACTION）Fig.5 ROC curve of head and neck VMAT plans under gamma passing criterion of 3%/3 mm(PerFRACTION)

图6 头颈VMAT计划在3%/2 mm γ分析标准下的ROC曲线（PerFRACTION）Fig.6 ROC curve of head and neck VMAT plans under gamma passing criterion of3%/2 mm(PerFRACTION)

图7 盆腔VMAT计划在3%/3 mm γ分析标准下的ROC曲线（ArcCHECK）Fig.7 ROC curve of pelvic VMAT plans under gamma passing criterion of 3%/3 mm(ArcCHECK)

图8 盆腔VMAT计划在3%/2 mm γ分析标准下的ROC曲线（ArcCHECK）Fig.8 ROC curve of pelvic VMAT plans under gamma passing criterion of 3%/2 mm(ArcCHECK)

图9 盆腔VMAT计划在3%/3 mm γ分析标准下的ROC曲线（PerFRACTION）Fig.9 ROC curve of pelvic VMAT plans under gamma passing criterion of 3%/3 mm(PerFRACTION)

图10 盆腔VMAT计划在3%/2 mm γ分析标准下的ROC曲线（PerFRACTION）Fig.10 ROC curve of pelvic VMAT plans under gamma passing criterion of 3%/2 mm(PerFRACTION)

表2 PerFRACTION 系统和ArcCHECK模体敏感度和特异度分析Tab.2 Sensitivity and specificity of PerFRACTION system and ArcCHECK phantom

通过人为引入误差产生错误计划是研究常用的方法。通常可以分为两种类型，一种是机器性能误差，如机架歪斜、铅门偏移、MLC 到位不准；另一种则是无规律、随机的误差。机器性能误差通常在病人QA 执行之前进行相关的排除，随机误差与临床密切相关。对计划优化条件进行修改后继续优化，产生随机偏差是本研究的主题。随机误差通常包括MLC叶片位置的变化、加速器的输出剂量率、机架旋转速率及治疗床位置的变化等。机架角度和准直器角度等误差很少对QA 的结果产生影响，且很容易被监测到。而MLC是形成每个光束角度的注量图的重要机器组件，很小的MLC 摆位误差都可以造成剂量传输较大的误差。Heilemann 等［25］通过在前列腺和头颈癌的RapidArc 计划中人为加入MLC 误差，使用2%/2 mm 通过标准进行分析，研究MLC 误差对γ 通过率结果的影响。这项研究显示即使0.5 mm MLC 误差也会显著降低γ 通过率。Vieillevigne 等［26］选取VMAT 计划，将MLC 误差引入计划中。他们的结果表明，在2%/2mm 分析标准下下，引入2 mm MLC 误差时，γ 通过率降低至23.4%。因此本研究人为诱导产生随机误差，PerFRACTION 系统对包含MLC信息的日志文件进行剂量的测量，与TPS计算的剂量分布对比进而筛选出错误计划，由ROC曲线可以看出，无论头颈还是盆腔解剖部位，PerFRACTION 系统可检测出随机误差，且具有较高的敏感度和特异度，检测结果具有统计学意义。相比较目前普遍应用的ArcCHECK 模体，该软件也显示出与ArcCHECK 模体良好的一致性。

本研究采用γ 分析的方法，γ 分析是一种定量比较两种剂量分布的快速又可靠的方法。随着放射治疗技术的发展，γ 分析方法不仅用于比较TPS 计算的剂量分布与被测量的剂量分布，也普遍应用于两种计算剂量分布以及两种测量工具的剂量分布［27-28］。为了统一标准，AAPM-TG218 报告建议的参考标准是在3%/3 mm、3%/2 mm 的基准下，两种剂量分布的γ 通过率分别在98%、95%以上。虽说此标准具有普适性，但不具有针对性。考虑到治疗部位组织的不均一性、治疗技术的不同及治疗机器的差别，采用此标准，也许会遗漏一些随机误差。从本研究结果中可看出部分修改后的计划在此标准下并未被检测出。因此，本研究针对头颈及盆腔VMAT 计划的γ通过率进行ROC 曲线分析，在敏感度和特异度均较高的情况下，获得γ 通过率的最佳标准，即在3%/3 mm、3%/2 mm 的分析标准下，头颈VMAT 计划两者对应的最佳γ 通过标准分别是98.80%、96.32%；盆腔VMAT 计划对应的γ 通过标准分别是99.62%、99.36%。这为以后头颈及盆腔VMAT 计划的QA 提供了更为精确的通过标准，充分体现了“三精时代”之一即精准放疗。

本研究存在一定不足之处，尽管20 个VMAT 计划的研究是很好的开端，但仍需要更多的数据来检查 PerFRACTION 敏感度和特异度。 虽然PerFRACTION 系统和ArcCHECK 模体对同一批计划进行分析，以ArcCHECK 模体作为标准，PerFRACTION 系统的结果可以很好的与之符合，得出的结论可信度相对较高，但仍需要其他方面的研究，比如人工智能相关研究［29］，预测γ通过率，进一步分析验证研究结果是否与TPS 类型以及与加速器的模型相关。本研究针对头颈及盆腔VMAT 计划进行研究，关于其他解剖部位的分析及其他治疗技术的研究将会进一步开展。

总之，PerFRACTION 系统可以方便快捷的进行实时的三维剂量测定，具有较高的敏感度和特异度。本研究经分析得出针对本中心两组解剖部位的VMAT 计划的γ 通过率，为今后临床工作提供更为精确的γ通过标准，有助于精准放疗的开展。