巴格西学术论著
收稿日期：2022-08-19
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*基金项目：“十三五”国家重点研发计划(2016YFC0105206)“多模式引导立体定向与旋转调强一体化放射系统研发”，(2016YFC0105207)“临床与质量控制流程研究”；中央高水平医院临床科研业务费资助(2022-PUMCH-B-116)“基于人工智能在线自适应放射技术研究” ①北京协和医学院 中国医学科学院北京协和医院放射科 北京 100730*通信作者：*************
作者简介：祝起禛，男，(1996- )，硕士研究生，从事医院放射计划质量研究。
[文章编号] 1672-8270(2023)04-0005-06 [中图分类号] R814.2 [文献标识码] A
Study on the correlation between the dose verification and the indicator of complexity of the IMRT field of Halcyon2.0 medical linear accelerator on chest/ZHU Qi-zhen, WANG Zhi-qun, YANG Bo, et al//China Medical Equipment,2023,20(4):5-10.
[Abstract] Objective: T o compare the difference of complexity of the field between dual-layer multi-leaf collimator (MLC) of the fixed field intensity-modulated radiotherapy (FF-IMRT) plan of Halcyon2.0 medical linear accelerator on chest, so as to explore the correlation between the indicators of the complexity of field based on the calculation of dual-layer MLC and the results of the dose verification. Methods: The Halcyon2.0 FF-IMRT plans of 67 patients who underwent radiotherapy on chest in Peking Union Medical College Hospital were selected, and electronic portal imaging device (EPID) was used to conduct verification of portal dosimetry (PD). A total of five kinds of indicators of complexities of field included the average modulation complexity score (MCS) of MLCs at the far-end and at the near-end of source, the average beam area (BA), the average beam irregularity (BI), the average small aperture
[摘要] 目的：比较Halcyon2.0医用直线加速器在胸部固定野调强放射(FF-IMRT)计划中双层多叶准直器(MLC)之间的射野复杂度差异，探索基于双层MLC计算的射野复杂度指标和剂量验证结果之间的相关性。方法：选取医院收治的67例胸部放射患者的Halcyon2.0 FF-IMRT计划，使用电子射野影像系统(EPID)进行Portal Dosimetry(PD)剂量验证。分别计算远源端MLC和近源端MLC的平均调制复杂度分数(MCS)、平均射野面积(BA)、平均射野不规则度(BI)、平均射野小孔径分数SAS 2mm 、SAS 5mm 、SAS 10mm 、SAS 15mm 和平均射野周长面积之比(C/A)5种射野复杂度指标。分析比较近源 端MLC和远源端MLC之间的射野复杂度指标差异，并将射野复杂度指标和PD验证得到的γ通过率进行Spearman相关性检验。结果：基于远源端MLC计算的MCS小于近源端MLC，且基于远源端MLC计算的BI、SAS 2mm 、SAS 5mm 、SAS 10mm 、SAS 15mm 和C/A 均大于近源端MLC，差异有统计学意义(Z =-4.148，Z =-6.347，Z =-7.115，Z =-6.915，Z =-6.041，Z =-5.079，Z =-6.359，P ＜0.05)。1%/1 mmγ分析标准下，近源端MLC的SAS 15mm 与γ通过率均呈现出强相关性(|r |＞0.7，P ＜0.05)，近源端和远源端MLC的C/A也均和γ通过率呈现强相关性(|r |＞0.7，P ＜0.05)。2%/2 mmγ分析标准下，近源端和远源端MLC的BA、SAS 2mm 、SAS 5mm 、SAS 10mm 、SAS 15mm 、C/A均与γ通过率均呈现中度相关性(0.4≤|r |≤0.7，P ＜0.05)。结论：射野复杂度指标中除远源端MLC的BI外均与PD验证的γ通过率具有不同程度的相关性，其中SAS和C/A的相关性较为明显，可在剂量验证前辅助物理师识别Halcyon2.0过于复杂的胸部计划。
[关键词] Halcyon医用直线加速器；射野复杂度；γ通过率；Portal Dosimetry(PD)剂量验证DOI: 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2023.04.002复方阿司匹林
引用本文：祝起禛，汪之，杨波，等.Halcyon2.0医用直线加速器胸部调强放射计划射野复杂度指标与剂量验证的相关性研究[J].中国医学装备,2023,20(4):5-10.
祝起禛① 汪之① 杨 波① 杨景茹① 梁永广① 邱 杰①*
Halcyon2.0医用直线加速器胸部调强放射计划
射野复杂度指标与剂量验证的相关性研究
*
中国医学装备2023年4月第20卷第4期 China Medical Equipment 2023 April V ol.20 No.4
学术论著中国医学装备2023年4月第20卷第4期 Halcyon2.0医用直线加速器胸部调强放射计划
射野复杂度指标与剂量验证的相关性研究*-祝起禛等
score (SAS2mm, SAS5mm, SAS10mm, SAS15mm) of field and the average ratio of circumference to area (C/A) of field were respectively calculated. The difference of the complexity indicator of field between MLC at the far-end of source and MLC at the near-end of source was analyzed and compar
ed, and Spearman analysis was adopted to test the correlation between complexity indicator of field and γ passing rates obtained from PD verification. Results: The MCS based on the calculation of MLC at the far-end of source was significantly smaller than that of MLC at the near-end of source, and the BI, SAS2mm, SAS5mm, SAS10mm and SAS15mm that based on the calculation of MLC at the far-end of source were significantly larger than those that based on the calculation of MLC at the near-end of source (Z=-4.148, Z=-6.347, Z=-7.115, Z=-6.915, Z=-6.041, Z=-5.079, Z=-6.359, P＜0.05), respectively. Under the criteria of 1%/1mm γ analysis, the results of the correlation analysis showed that the SAS15mm of MLC at the far-end of source appeared strong correlation with γ passing rate (|r|＞0.7, P＜0.05). and the C/As both MLCs at the near-end and the far-end of source appeared strong correlations with γ passing rate (|r|＞0.7, P＜0.05). Under the criteria of 2%/2mm γ analysis, the BA, SAS2mm, SAS5mm, SAS10mm, SAS15mm and C/A both MLCs at the near-end and the far-end of source appeared moderate correlations with γ passing rates (0.4≤|r|≤0.7, P＜0.05). Conclusion: In the indicators of complexities of field that is calculated by this study, each indicator has different degree of correlation with γ passing rate that is verified by PD except BI of the MLC at the far-end of source. The correlations of SAS and C/A of them are relatively obvious, which can be used in auxiliary recognition for excessively complex plan of Halcyon2.0 on chest before dose verification.
[Key words] Halcyon accelerator; Complexity of field; γ passing rate; Portal dosimetry (PD) dose verification [First-author’s address] Department of Radiotherapy, Peking Union Medical College Hospital, Peking Union Medical College and Chinese Academy of Medical Sciences, Beijing 100730, China.
随着多叶准直器(multi-leaf collimator，MLC)在医用直线加速器中的广泛应用和计算机技术的发展，MLC已是实现调强放射(intensity modulated radiation therapy，IMRT)的标准配置，且能够调节射野形状并实现射束强度的调制。对比适形放射，IMRT在生成更好的剂量分布的同时无疑增加了计划的复杂性[1-2]。过于复杂的放射计划会导致计划设计系统(treatment planning system，TPS)计算得到的剂量分布和计划实际执行时的剂量分布有所偏差，而随着计划复杂性的增加，剂量计算和计划执行时的不确定性会增加[3-6]。为了保证调强放射计划的安全性和可靠性，需在计划执行前进行患者特定的剂量验证(patient-specific quality assurance，PSQA)检验剂量分布的差异是否在可接受范围内。计划的射束调制程度越高，射野越复杂，子野形状越不规则，小面积子野越多，计划的剂量验证结果越差[7]。通过计算计划复杂度指标可以量化评估这种复杂性，以综合评价计划质量。计划复杂度指标通常可以分为两类：基于通量图的复杂度指标和基于射野的复杂度指标，目前基于射野的复杂度指标的应用较为广泛，其主要描述的是MLC所形成的射野复杂性情况[7-9]。但是，各种复杂度指标和剂量验证结果之间需具有相关性，才使得应用复杂度指标评估计划质量
具有实际意义[10]。Halcyon2.0加速器具有新颖的无铅门双层MLC设计，两层MLC叠加交错排列并依据距离X射线源的远近分别命名为远源端MLC和近源端MLC，两层MLC共同参与射束调制。目前，针对这种新型双层MLC加速器的射野复杂性研究及其和剂量验证结果的关系鲜有报道。本研究分别基于远源端和近源端MLC计算5种常用的射野复杂度指标，探索比较Halcyon2.0直线加速器双层MLC 在胸部固定野IMRT(fixed field-IMRT，FF-IMRT)计划中，其远源端和近源端MLC之间的射野复杂性差异，并检验各复杂度指标和剂量验证结果的相关性，为临床计划设计和质量评估提供参考。
1 资料与方法
1.1 临床资料与计划选取
选取2021年1-7月在北京协和医院接受胸部FF-IMRT的67例患者资料进行分析，其中肺癌41例，乳腺癌20例，食管癌6例；肺癌、乳腺癌和食管癌患者的计划分次剂量分别为150～250cGy、180～300cGy 和180～200cGy；次数分别为5～30次、10～25次和13～33次。
1.2 仪器设备与剂量计算
采用配备SX2 MLC的Halcyon 2.0型直线加速器(美国Varian公司)；TPS均为Eclipse15.6(美国Varian 公司)，剂量计算采用各向异性分析算法(anisotropic analytical algorithm，AAA)，计算网格为2.5mm3，优化算法采用光子优化算法(photon optimizer，PO)。
1.3 剂量验证方法
通过使用Halcyon2.0加速器上的电子射野影像装置(electronic portal imaging device，EPID)对67例FF-IMRT计划进行Portal Dosimetry(PD)剂量验证以得到每个计划的γ通过率。Halcyon2.0加速器的EPID探测板固定于源图距154cm处的位置，物理探测范围43
学术论著
中国医学装备2023年4月第20卷第4期 Halcyon 2.0医用直线加速器胸部调强放射计划 射野复杂度指标与剂量验证的相关性研究*-祝起禛 等
cm×43 cm，等中心投影处的探测范围28 cm×28 cm，分辨率为1280×1280。在进行P D 验证之前，对Halcyon2.0进行机器性能检查(machine performance check，MPC)并进行EPID的校准，以保证加速器出束性能正常和PD验证数据采集的准确性。γ分析采用全局模式，γ分析标准选取1%/1 mm和2%/2 mm，采用绝对剂量模式进行比较，阈值设定为10%，即高于全局最大剂量值10%的剂量点参与计算。1.4 射野复杂度指标
将Halcyon2.0的67例胸部FF-IMRT计划按医学数字成像及通信(digital imaging and communication of medicine，DICOM)文件格式导出，并使用Matlab R2020b开发解析程序(美国MathWorks公司)提取文件中的MLC坐标序列及其他信息进行射野复杂度指标计算。基于远源端和近源端的MLC分别计算平均调制复杂度分数(modulation complexity score，MCS)[11]、平均射野小孔径分数(small aperture score，SAS)[12]、平均射野面积(beam area，BA)[7]、平均射野不规则度(beam irregularity，BI)[7]和平均射野周长面积之比(circumference/area，C/A)[13]5种常用描述射野复杂性的射野复杂度指标，MCS、SAS、BA、BI和C/A计算公式分别为公式1、公式2、公式3、公式4和公式5：
MCS =∑i AAV ni ×LSV ni ×
(1)
MU ni MU n
式中AAV ni 为第n 个射野的第i 个子野的子野面积变化率，LSV ni 为第n 个射野的第i 个子野的叶片序列变化率，MU ni 为第n 个射野的第i 个子野的跳数，MU n 为第n 个射野的跳数。MCS 的值域为0～1，MCS 值越小表明射野中子野形状越不规则，子野面积变异程度越大，射野越复杂。
SAS =∑i
×(2)
MU ni N (a <X )ni
MU n
N ni
式中N (a <X )ni 为第n 个射野第i 个子野的MLC叶片间距小于X的叶片数目，N ni 为第n 个射野的第i 个子野的参与射束调制的MLC叶片数目，本研究计算的X分别为2 mm、5 mm、10 mm和15 mm的SAS，即SAS 2mm 、SAS 5mm 、SAS 10mm 及SAS 15mm ，SAS值越大表明子野中形成小叶片间距的MLC叶片数目越多，射野越复杂。
BA =∑i
(3)
AA ni ×MU ni
MU n
式中AA ni 为第n 个射野的第i 个子野的面积，BA 值越
小，射野越复杂。
BI =∑i
AI ni =
,(4)
AI ni ×MU ni
AP ni
2
MU n
4π×AA ni
式中AP ni 为第n 个射野的第i 个子野的周长，BI 值能反应
射野的狭窄程度，BI 值越大，射野越狭窄形状越不规
则，射野越复杂。
C /A =∑i
×(5)
MU ni C ni MU n
AA ni
式中C ni 为第n 个射野第i 个子野的周长，C /A 值越大，射野形状越不规则，射野越复杂。
1.5 统计学方法
使用S P S S 23.0软件对基于远源端和近源端M L C 计算的射野复杂度指标进行Wil c o xo n 秩检验，以P ＜0.05为差异具有统计学意义；对所有射野复杂度指标和计划γ通过率进行Spearman相关性检验，相关性系数的绝对值|r |越大表明两变量之间的相关性越强，|r |＜0.4为弱相关，|r |在0.4～0.7之间为中度相关，|r |＞0.7为强相关。以P ＜0.05为两变量之间
的相关性具有统计学意义。2 结果2.1 PD 验证结果
Halcyon2.0直线加速器67例患者的FF-IMRT计划PD验证γ通过率显示，在1%/1 mm标准下的平均γ通过率为93.00%，2%/2 mm标准下的平均γ通过率为95.97%，见表1。
表1 不同γ分析标准下 67例患者
胸部FF-IMRT 计划的PD 验证γ通过率(%，x
-±s )分析标准
肺癌
乳腺癌
食管癌
全部计划
1%/1 mm(%)92.17±2.7394.93±1.2992.30±3.1093.00±2.712%/2 mm(%)95.50±2.3897.46±0.8394.25±3.5895.97±2.38
2.2 基于远源端和近源端MLC 计算的射野复杂度指标比较
Halcyon2.0直线加速器远源端MLC的MCS小于近源端MLC，差异有统计学意义(Z =-4.148，P ＜0.05)；远源端MLC的BI、SAS 2mm 、SAS 5mm 、SAS 10mm 、SAS 15mm 和C/A均大于近源端MLC，其差异均有统计学意义(Z =-6.347，Z =-7.115，Z =-6.915，Z =-6.041，Z =-5.079，Z =-6.359；P ＜0.05)。表明远源端MLC形成的射野形状较不规则，射野中的子野形状变异性较大，形成小叶片间距的MLC叶片数目较多，复杂度较高。远源端和近源端MLC的BA差
注：表中FF-IMRT 为固定野调强放射；PD 为Portal
Dosimetry 剂量验证。
学术论著
情感与形式
异无统计学意义(Z =-0.918，P ＞0.05)，见表2。2.3 远源端和近源端MLC 射野复杂度指标与γ通过率相关性
(1)远源端MLC射野复杂度。Spearman相关性检验结果表明，基于远源端MLC计算的射野复杂度指标与γ通过率呈现出不同程度的相关性。①在1%/1 mm标准下，远源端MLC的MCS和γ通过率呈现出弱相关性(|r |＜0.4，P ＜0.05)，BA、SAS 2mm 、SAS 5mm 、SAS 10mm 、SAS 15mm 和γ通过率呈现出中度相关性(0.4≤|r |≤0.7，P ＜0.05)，C/A呈现出强相关性(|r |＞0.7，P ＜0.05)；②在2%/2 mm标准下，远源端MLC的MCS和γ通过率呈现出弱相关性(|r |＜0.4，P ＜0.05)，BA、SAS 2mm 、SAS 5
mm 、SAS 10mm 、SAS 15mm 、C/A和γ通过率呈现出中度相关性(0.4≤|r |≤0.7，P ＜0.05)；两种γ分析标准下，基于远源端MLC计算的BI与γ通过率均无相关性(r =-0.136，r =-0.197；P ＞0.05)，见表3。表2 67例患者FF-IMRT 计划基于远源端和近源端MLC 计算的射野复杂度指标比较(x
-±s
)注：表中FF-IMRT 为固定野调强放射；MLC 为多叶准直器；MCS 为调制复杂度分数；BA 为射野面积；BI 为射野不规
则度；SAS 为小孔径分数；C/A 为射野周长面积之比；2 m m 、5 m m 、10 m m 、15 m m 分别为射野小孔径分数的小叶片间距取值。
表3 67例患者FF-IMRT 计划基于远源端MLC 计算的射野复杂度指标与γ通过率不同标准下的相关性
射野复杂度指标
1%/1 mm 2%/2 mm r 值P 值r 值P 值d-MCS 0.3650.0020.2640.031d-BA(cm 2)0.6650.0000.6350.000d-BI -0.1360.271-0.1970.110d-SAS 2mm -0.5130.000-0.4890.000d-SAS 5mm -0.6070.000-0.6050.000d-SAS 10mm -0.6680.000-0.6740.000d-SAS 15mm -0.6770.000-0.6530.000d-C/A(cm -1)
-0.719
0.000
-0.681
0.000
注：表中FF-IMRT 为固定野调强放射；MLC 为多叶准直器；d-MCS 为远源端多叶准直器调制复杂度分数；d-BA 为远源端多叶准直器射野面积；d-BI 为远源端多叶准直器射野不规则度；d-SAS 为远源端小孔径分数；d-C/A 为远源端射野周长面积之比；2 mm 、5 mm 、10 mm 、15 mm 分别为射野小孔径分数的小叶片间距取值。
(2)近源端MLC射野复杂度。基于近源端MLC计算的射野复杂度指标和γ通过率也呈现出不同程度的
相关性。①在1%/1mm标准下，近源端MLC的MCS和γ通过率呈现出弱相关性(|r |＜0.4，P ＜0.05)，BA、BI、SAS 2mm 、SAS 5mm 、SAS 10mm 和γ通过率呈现出中度相关性(0.4≤|r |≤0.7，P ＜0.05)，SAS 15mm 、C/A 与γ通过率呈现出强相关性(|r |＞0.7，P ＜0.05)；②在2%/2 mm标准下，近源端MLC的MCS和γ通过率呈现出弱相关性(|r |＜0.4，P ＜0.05)，BA、BI、SAS 2mm 、SAS 5mm 、SAS 10mm 、SAS 15mm 、C/A与γ通过率呈现出中度相关性(0.4≤|r |≤0.7，P ＜0.05)，见表4。表4
67例患者FF-IMRT 计划基于近源端MLC 计算的
射野复杂度指标与γ通过率的相关性
射野复杂度指标
1%/1 mm 2%/2 mm r 值P 值r 值P 值p-MCS 0.3890.0010.2990.014 p-BA(cm 2)0.6710.000 0.6390.000 p-BI -0.4580.000 -0.4470.000p-SAS 2mm -0.5540.000 -0.5500.000 p-SAS 5mm -0.6340.000 -0.6390.000 p-SAS 10mm -0.6960.000 -0.6890.000 p-SAS 15mm -0.7030.000 -0.6660.000 p-C/A(cm -1)
-0.719
0.000
-0.683
0.000
注：表中FF-IMRT 为固定野调强放射；MLC 为多叶准直器；p-MCS 为近源端调制复杂度分数；
p-BA 为近源端射野面积；p-BI 为近源端射野不规则度；p-SAS 为近源端小孔径分数；p-C/A 为近源端射野周长面积之比；2 mm 、5 mm 、10 mm 、15 mm 分别为射野小孔径分数的小叶片间距取值。
在1%/1m m 标准下|r |值最大的前4个射野复杂度指标是p -C /A 、d -C /A 、p -S A S 15m m 和p-SAS 10mm ;2%/2mm标准下|r |值最大的前4个射野复杂度指标是p-SAS 10mm 、p-C/A、d-C/A和d-SAS 10mm 。两种γ分析标准下|r|值最大的前4个射野复杂度指标都是属于C/A和SAS两种类型。3 讨论
2017年美国Varian公司推出了加速器Halcyon，其具有新颖的无铅门双层MLC设计，并配备环形机架。Halcyon共有57对MLC叶片，两层MLC叶片交
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学术论著
错排列，其中远源端MLC有28对叶片，近源端MLC 有29对叶片，叶片宽度为1 cm，叶片最大运动速度为5 cm/s，该加速器只配备6 MV非均整器(flattening filter free，FFF)模式一档X射线能量。2018年新升级的Halcyon 2.0配备SX2 MLC，对比Halcyon 1.0的SX1 MLC，其能够使远源端和近源端两层MLC共同调制射束，使得等中心投影区的叶片分辨率变为0.5 cm，进一步增加了MLC的射束调制能力。
当调强放射逐渐成为临床开展的主流技术时，计划达到理想的剂量分布的同时降低计划的复杂性是一个值得研究的问题。对于调强放射而言，为了达到临床可接受的剂量分布，一定的计划复杂性是必须的[8]。但是，过度调制的计划伴随着高度的计划复杂性，这可能会影响的总体准确性。一般而言，一个IMRT计划越复杂，其组成射野的子野形状越不规则，子野形状的变异越大，小面积子野越多，狭长野、孤岛野越多，机器跳数越高。本研究通过比较远源端和近源端MLC的射野复杂度指标发现，对于胸部FF-IMRT计划，远源端MLC的MCS 小于近源端，远源端MLC的BI、SAS、C/A均大于近源端，表明Halcyon2.0的远源端MLC形成的射野比近源端的复杂，这和Tamura等[14]针对Halcyon2.0 VMAT 计划的研究结果类似，造成此现象的具体原因仍需要进一步研究。由于不
同的直线加速器硬件配置，剂量验证的方法和工具不同，TPS数据建模和算法等差异，需要针对各放疗中心特定的临床实践情况筛选出和实际剂量验证结果具有统计学相关性的复杂度指标[15]。目前，此领域针对如Halcyon2.0这种配置双层MLC 的直线加速器的相关研究较少。
本研究结果表明，基于远源端和近源端MLC计算的大部分射野复杂度指标和γ通过率呈现出不同程度的相关性。McNiven等[11]于2010年针对FF-IMRT 计划提出了MCS指标，旨在将叶片位置的变异性、射野形状的不规则性、子野权重和面积等可能造成计划复杂的因素合并到一个单一评分中，后由Masi等[16]改进，使其可用于VMAT计划。许多学者[16-19]就MCS和剂量验证结果之间是否具有相关关系进行了研究，大部分研究结果报道为弱到中度相关，也有研究报道为强相关[20]和无相关性[21]。本研究的结果表明，MCS和γ通过率之间呈现弱相关性。G ötstedt等[13]计算了30个不同IMRT测试野的复杂度指标，并使用EPID和胶片进行了剂量验证，其研究表明C/A和剂量偏差具
基督教圣歌有强相关性，而本研究的结果表明，C/A和1%/1 mm 标准下的γ通过率也具有强相关性，与2%/2 mm标准下的γ通过率具有中度相关性。Crowe等[12]计算了
18个前列腺的FF-IMRT计划(共计122个射野)的复杂度指标，使用Mapcheck矩阵探测器进行剂量验证，通过线性回归F检验发现SAS和γ通过率具有显著相关性。本研究中，不论是基于远源端还是近源端MLC 计算的SAS都和γ通过率表现出不同程度的相关性，其中当小叶片间距阈值取10 mm和15 mm
时的SAS其相关性更为明显(|r |值越大)。此外，本研究基于双层叶片计算的BA和γ通过率表现为中度相关，这符合小面积子野会影响计划执行精度的认知。
安持人物琐忆在射野复杂度指标的应用中，物理师首先需在计划设计过程中根据射野复杂度指标优化设计参数，以减少复杂子野的生成，在达到临床可接受的剂量分布的同时降低计划的射野复杂性。射野复杂度指标可以作为减少剂量验证工作量的辅助工具，如低复杂性的计划可能不需要像高复杂性的计划进行过多的实际剂量验证，物理师通过复杂度指标可提前关注到有较大可能性无法通过剂量验证的计划，以及时采取干预措施。4 结论
对于Halcyon2.0的胸部FF-IMRT计划，本研究计算的射野复杂度指标中除远源端MLC的BI外均与PD验证的γ通过率具有一定程度的相关性，其中SAS 和C/A的相关性较为明显，使用这些指标能够帮助物理师在进行剂量验证前更好地识别Halcyon2.0过度调制的胸部复杂计划。
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短信写手
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参考文献
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