EBT3膠片劑量校準(zhǔn)新方法在調(diào)強(qiáng)放射治療劑量驗(yàn)證中的應(yīng)用

劉志強(qiáng)，魏璽儀，安永偉，劉婷婷，牛瑞軍，趙林，高力英

甘肅省腫瘤醫(yī)院放射治療科，甘肅蘭州730050

前言

自20世紀(jì)90年代調(diào)強(qiáng)放射治療（Intensity-Modulated Radiotherapy,IMRT）技術(shù)誕生開始，其劑量驗(yàn)證一直是臨床質(zhì)量保證工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。劑量驗(yàn)證一般采用點(diǎn)劑量測(cè)量和面劑量分布測(cè)量，且這兩種方式互為補(bǔ)充。最近研發(fā)的EBT型免沖洗膠片就是為了更好地進(jìn)行IMRT的劑量驗(yàn)證，該膠片既能提供較高的空間分辨率，又免去了沖洗的過(guò)程，因此可以簡(jiǎn)化經(jīng)典膠片在劑量驗(yàn)證的流程，提高工作效率［1-2］。目前已有很多研究使用EBT系列免沖洗膠片來(lái)完成IMRT 劑量驗(yàn)證［3-4］。膠片校準(zhǔn)方法是找到膠片的像素值與劑量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然而這種方法步驟繁多且會(huì)引入更多誤差，因此本研究試圖引入一種新的更簡(jiǎn)便的方法來(lái)校準(zhǔn)膠片。

1 材料與方法

1.1 EBT膠片和掃描儀

EBT 系列膠片具有很多優(yōu)勢(shì)，包括較高的空間分辨率、很弱的能量依賴性以及較高的水等效性（即由輻射場(chǎng)的改變而引入的誤差非常?。?］?；谶@些優(yōu)勢(shì)，EBT 膠片非常適用于IMRT 劑量驗(yàn)證［6］。本研究采用EBT 系列膠片的第三代EBT3（批號(hào)：02261503）。較前幾代膠片，EBT3 膠片有很大的改進(jìn)，如均勻度高于EBT2，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，免除了掃描時(shí)需要考慮膠片的正反情況，表面涂有防牛頓環(huán)涂層等。此外，本研究的掃描儀使用EPSON Express 10000XL平板文檔掃描儀。

1.2 膠片掃描和像素值提取

膠片照射后遮光保存24 h 后開始掃描，掃描儀應(yīng)經(jīng)過(guò)至少2 h 的預(yù)熱，使光源設(shè)備達(dá)到性能穩(wěn)定。設(shè)置掃描參數(shù)時(shí)，應(yīng)關(guān)閉掃描軟件的圖像增強(qiáng)功能，并選擇72dpi 的掃描精度，保存為48 位RGB 彩色tiff格式；掃描時(shí)，注意保持膠片的長(zhǎng)邊方向和掃描儀的燈管運(yùn)動(dòng)方向垂直；掃描完成后，從保存的tiff圖像中提取紅色通道的像素值進(jìn)行分析。

1.3 膠片的劑量校準(zhǔn)

從照射過(guò)的膠片中直接讀出其像素值，只有得到像素值與劑量之間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，才能從膠片中讀出劑量，因此需要對(duì)膠片進(jìn)行校準(zhǔn)。常規(guī)校準(zhǔn)方法是建立像素值和絕對(duì)劑量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，由讀取的像素值確定測(cè)量劑量［7］。然而這種方法很不可靠，很容易受到一些因素的影響，如掃描儀的光源強(qiáng)度和探測(cè)器靈敏度等的影響，因此本研究引入凈光密度（net Optical Density,netOD），將像素值轉(zhuǎn)換為netOD，從而得到netOD和絕對(duì)劑量之間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這樣去除由于掃描儀光源強(qiáng)度和探測(cè)器靈敏度的變化等因素引入的誤差。由膠片的像素值得到netOD［8］：

其中，PVunexp、PVexp、PVbckg分別表示未曝光、曝光和不透光黑色紙板的像素值。由上式可以看出，在掃描過(guò)程中，曝光和未曝光的膠片中均包含了由掃描儀引入的誤差，但是兩個(gè)PV 值相減就可抵消這些誤差，使測(cè)量劑量只和netOD相關(guān)，排除掃描儀的影響。

膠片的netOD 和劑量之間的關(guān)系并不是線性關(guān)系，而是隨著劑量的增加，其光密度逐漸趨于飽和狀態(tài)，這類似于放射生物學(xué)中的輻射粒子擊中DNA 的單靶單擊模型［9］：netOD(D)=ODmax(1-e-mD)netOD(D)=ODmax(1-（e-2m）D)其中，ODmax為膠片的飽和光密度；m為斜率系數(shù)，描述膠片對(duì)射線能量的因子，不同m值代表不同的射線種類或射線能量。膠片校準(zhǔn)時(shí)，分別用若干個(gè)已知?jiǎng)┝康纳渚€照射膠片，測(cè)量膠片的像素值，并轉(zhuǎn)換為netOD，由已知?jiǎng)┝亢偷玫降膎etOD，用最小二乘法擬合數(shù)據(jù)，即可得到ODmax和m值，并得到netOD與劑量之間的關(guān)系。

1.4 計(jì)劃劑量驗(yàn)證

固體水模體經(jīng)CT 掃描導(dǎo)入治療計(jì)劃系統(tǒng)（Eclipse,V8.9）。將一例用于測(cè)試治療計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算準(zhǔn)確度的IMRT 計(jì)劃移植到模體上，機(jī)架角歸0°，計(jì)算劑量，以DICOM-RT 格式導(dǎo)出等中心處的冠狀位劑量平面的RTDOSE 文件，作為劑量驗(yàn)證時(shí)與測(cè)量劑量相比較的參考劑量分布。將EBT3 膠片按照射野大小裁剪為合適的尺寸，放入密封遮光的信封中，盡量減少可見光的照射。模體在加速器（Varian 600CD）治療床上進(jìn)行擺位，膠片放入驗(yàn)證計(jì)劃設(shè)計(jì)的位置，調(diào)取計(jì)劃進(jìn)行照射。驗(yàn)證前加速器的多葉準(zhǔn)直器到位精度和絕對(duì)劑量等參數(shù)需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格校準(zhǔn)。

1.5 膠片處理

完成照射的膠片經(jīng)掃描儀掃描后以tiff的格式保存。劑量分析時(shí)，提取紅色通道數(shù)據(jù)（像素值），并轉(zhuǎn)換為netOD 的二維分布圖。由于校準(zhǔn)膠片時(shí)已由式（2）得到了netOD與劑量之間的關(guān)系，而式（2）可以轉(zhuǎn)化為式（3）：

可以由已經(jīng)得到的netOD二維分布圖及式（3）得到實(shí)際射野劑量的二維分布圖。在進(jìn)行提取EBT3膠片的紅色通道像素值轉(zhuǎn)換為netOD，以及由netOD轉(zhuǎn)換為劑量的過(guò)程中，本研究采用Matlab 軟件并通過(guò)編寫程序代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.6 劑量學(xué)比較

將驗(yàn)證測(cè)量的劑量分布和驗(yàn)證計(jì)劃導(dǎo)出的參考劑量文件同時(shí)導(dǎo)入OmniPro-Imrt（IBA,V1.4）對(duì)比分析兩者的Gamma通過(guò)率［10］，完成劑量驗(yàn)證。

2 結(jié)果

膠片劑量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中照射的劑量、像素值以及由式（1）計(jì)算的netOD如表1所示。

表中的不透光黑紙板表示為在劑量達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)膠片的像素值，為理想狀態(tài)。因此實(shí)際操作時(shí)使用一塊黑色不透光的紙板掃描得到其像素值。其凈光密度理論上為1，實(shí)際中并不能夠得到。圖1 顯示了膠片netOD和劑量之間的關(guān)系，藍(lán)線為實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果，紅線為根據(jù)式（2）擬合的結(jié)果。由擬合結(jié)果可以看出，本研究選擇的擬合公式非常合理，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.998 99。

表1 膠片劑量校準(zhǔn)的劑量、像素值及凈光密度Tab.1 Dose,pixel value and net optical density of film dose calibration

圖1 膠片的劑量響應(yīng)特性Fig.1 Dose response curve of EBT3 film

驗(yàn)證計(jì)劃共計(jì)4個(gè)射野，圖2顯示了其中的一個(gè)射野的劑量驗(yàn)證結(jié)果。圖2a～c 分別為計(jì)劃劑量分布、測(cè)量劑量分布和兩個(gè)劑量分布對(duì)比。圖2c 中X軸方向上的劑量Profile，紅色代表計(jì)劃劑量，綠色代表測(cè)量劑量。圖2d 為兩個(gè)劑量分布的Gamma 對(duì)比結(jié)果。表2則顯示了4個(gè)射野的Gamma通過(guò)率，通過(guò)條件分別設(shè)為3 mm/3%和2 mm/2%，分別研究劑量＞0%和＞5%的情況。從結(jié)果可以看出，在所驗(yàn)證的4個(gè)射野中，在3 mm/3%的條件下，Gamma通過(guò)率均大于98%，即使在更為嚴(yán)苛的條件下（2 mm/2%），Gamma通過(guò)率也能接近95%。

3 討論

劑量驗(yàn)證設(shè)備由最早的慢感光膠片發(fā)展到二維探測(cè)器陣列，再到三維測(cè)量設(shè)備，已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。使用慢感光膠片來(lái)執(zhí)行劑量驗(yàn)證時(shí)，可以提供非常高的空間分辨率，不足之處是需要沖洗膠片，而沖洗膠片過(guò)程非常耗時(shí)，且引入的誤差很難避免。此外，使用膠片測(cè)量是一個(gè)離線的測(cè)量方法，即測(cè)量結(jié)果不能實(shí)時(shí)顯示，因而不能馬上得到驗(yàn)證結(jié)果。開發(fā)的新型探測(cè)器陣列能夠更好地克服以上缺點(diǎn)，然而，目前市售的各種探測(cè)器設(shè)備，雖測(cè)量方便，卻犧牲了空間分辨率，雖然有些設(shè)備能得到高分辨率的結(jié)果，但這些結(jié)果是通過(guò)插值計(jì)算得到的，和實(shí)際測(cè)量的高分辨率的臨床意義并不相同。使用EBT免洗膠片來(lái)執(zhí)行IMRT劑量驗(yàn)證更為經(jīng)濟(jì)，其更高的分辨率精度甚至可以滿足科研需求。本研究旨在分析EBT3 膠片對(duì)X 射線的響應(yīng)特性，并探討使用EBT3膠片完成IMRT 劑量驗(yàn)證的方法及過(guò)程。本研究采用EBT3 膠片進(jìn)行IMRT 劑量驗(yàn)證，但此方法并不限于EBT3膠片，還適用于其他型號(hào)的免沖洗膠片。此外，基于該技術(shù)在X 射線IMRT 劑量驗(yàn)證的應(yīng)用，以后有望能用于重離子治療的劑量驗(yàn)證。EBT3 膠片已進(jìn)入常規(guī)臨床IMRT劑量驗(yàn)證的可選項(xiàng)目中，相對(duì)于二維探測(cè)器陣列，具有空間分辨率高的優(yōu)勢(shì)［11］，尤其體現(xiàn)在現(xiàn)代放療中的小射野測(cè)量。李君等［12］使用EBT3及其他一些探測(cè)器測(cè)量射波刀的輸出因子，發(fā)現(xiàn)EBT3 膠片測(cè)量結(jié)果和寶石探測(cè)器的結(jié)果有很好的一致性，并和蒙特卡羅模擬結(jié)果最為接近，這和Christian 等［13］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也非常吻合。丁艷秋等［14］對(duì)比了EBT3 膠片和ArcCheck 在螺旋斷層放射治療的劑量驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在小靶區(qū)劑量驗(yàn)證中，對(duì)于劑量梯度較大的區(qū)域及低劑量區(qū)域，EBT3和ArcCheck驗(yàn)證的Gamma通過(guò)率有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。郭躍信等［15］使用EBT3 膠片和IBA MatrxX 對(duì)Oncentra TPS 進(jìn)行驗(yàn)收測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)EBT3 膠片由于具有較高的空間分辨率，可以很好地辨識(shí)射野的邊緣。EBT3膠片的劣勢(shì)在于無(wú)法實(shí)時(shí)讀取在線驗(yàn)證結(jié)果，膠片顯影穩(wěn)定時(shí)間一般需要24 h，這一特性不太適合目前很多治療中心需要較高的工作效率，然而，因其具有較高的空間分辨率，故常被認(rèn)為是調(diào)強(qiáng)劑量驗(yàn)證的“金標(biāo)準(zhǔn)”［16］。

周穎娟等［17］使用標(biāo)準(zhǔn)片來(lái)對(duì)掃描儀進(jìn)行校準(zhǔn)，確定掃描儀的模數(shù)轉(zhuǎn)換值和吸光值之間的確定關(guān)系，再使用階梯照射膠片確定膠片光密度和劑量之間的關(guān)系，這是使用膠片實(shí)現(xiàn)IMRT劑量驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)方法，此方法需要標(biāo)準(zhǔn)片校準(zhǔn)掃描儀。由于標(biāo)準(zhǔn)片的獲取困難，并且掃描儀的校準(zhǔn)也需花費(fèi)一定的時(shí)間，因此本研究采用了新的校準(zhǔn)方法。本研究引入物理量netOD以去除掃描儀燈管光強(qiáng)的差異，即不需要使用標(biāo)準(zhǔn)片來(lái)校準(zhǔn)掃描儀。本研究中掃描儀需要充分預(yù)熱，待其性能穩(wěn)定即可掃描膠片。使用式（1）可以將由掃描儀引入的誤差全部消除，因此只需一次校準(zhǔn)即可，然而當(dāng)使用下一批次的膠片時(shí)，必須要重新建立校準(zhǔn)曲線。關(guān)于EBT3 膠片的操作細(xì)節(jié)詳見參考文獻(xiàn)［18］。

圖2 1例IMRT計(jì)劃的驗(yàn)證結(jié)果Fig.2 Verification result of a IMRT plan

表2 各射野的Gamma通過(guò)率（%）Tab.2 Gamma passing rate of each field(%)

掃描EBT3 膠片時(shí)，很容易引入誤差，如掃描時(shí)間、膠片放置方向以及膠片的不均勻度等都會(huì)給最終的劑量測(cè)量帶來(lái)誤差［19-20］。圖2d顯示，在對(duì)比圖的邊緣處存在Gamma＞1 的區(qū)域，這是由于EBT3 膠片在裁剪時(shí)非常容易變形，甚至分層開裂，盡管在掃描時(shí)膠片上壓了一層玻璃片來(lái)保證膠片的平整，但是還是會(huì)引入劑量誤差。因此在分析Gamma 因子時(shí)，本研究分別分析了整個(gè)范圍內(nèi)（劑量＞0%）和劑量＞5%的區(qū)域的Gamma因子，即可有效排除由于膠片邊緣的不平整引入的劑量誤差。由表2 可以看出排除邊緣區(qū)域相比不排除邊緣區(qū)域的Gamma 通過(guò)率更高。

Matlab 軟件可以提供強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算功能。本研究使用Matlab 軟件，從掃描的膠片中提取紅色通道的數(shù)據(jù)，并保存為一個(gè)二維數(shù)組；將每一個(gè)像素值轉(zhuǎn)化為netOD，再轉(zhuǎn)換為劑量值，并保存為ASCII 文件，導(dǎo)入劑量對(duì)比軟件。經(jīng)過(guò)這樣的數(shù)據(jù)處理，就可以不需要再次從軟件中輸入校準(zhǔn)曲線，即可完成劑量校準(zhǔn)，從而減小操作過(guò)程中引入的誤差。

綜上所述，使用EBT3 膠片執(zhí)行IMRT 劑量驗(yàn)證時(shí)，采用將像素值轉(zhuǎn)化為netOD，再由netOD 校準(zhǔn)劑量的方法，可以去除耦和在掃描過(guò)程中的掃描儀的一些誤差，更方便地得到膠片測(cè)量劑量的結(jié)果，可以在臨床推廣使用；然而這一方法并不能消除不同批次的膠片的差異，當(dāng)使用下一批次的膠片時(shí)，必須重新建立校準(zhǔn)曲線。