CN113633897B - 一种设置监测调强放疗剂量验证过程的容差限值的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种设置监测调强放疗剂量验证过程的容差限值的方法，属于调强放疗剂量验证领域。该方法对调强放疗剂量验证过程的伽马通过率的分布不敏感，减小了非正态性对控制限值计算的影响，利用本发明的方法获得的容差限值更稳健、可靠。基于该方法获得的容差限值在监测调强放疗剂量验证过程中具有良好的性能，可有效检测出存在失控问题的调强放疗计划，同时减少放疗物理师调查“问题”计划的工作量。

Description

一种设置监测调强放疗剂量验证过程的容差限值的方法
技术领域
本发明属于调强放疗剂量验证领域，具体涉及一种设置监测调强放疗剂量验证过程的容差限值的方法。
背景技术
在现代放疗中，动态照射技术(例如调强适形放疗技术(IMRT)和容积旋转调强放疗技术(VMAT))已成为许多放疗中心的标准治疗技术。其中，调强放疗技术能够通过高度调制实现靶区的最佳剂量分布，同时最大限度地减少对周围正常组织和危及器官的照射剂量，进而在保证疗效的同时进一步降低毒副反应的发生。
伴随着治疗设备和技术复杂性的增加，调强放疗技术与常规三维适形放疗(3D-CRT)相比剂量精度更高，分布更加不均匀，误差来源更复杂。因此，临床上实施调强放疗技术需要严格、全面、有效的质量保证(QA)，以提高治疗的精准性和安全性，其中患者个体化的剂量验证尤为重要。
目前，调强放疗剂量验证主要是通过比较探测器阵列测量的实际剂量分布与治疗计划系统计算的剂量分布差异来评估治疗计划的执行精度，广泛采用的评估指标是伽马通过率。对于伽马通过率的容差限值，目前还没有确切的标准。美国医学物理协会(AAPM)任务组218号报告(TG-218)综述了调强放疗的各种误差来源，推荐使用基于统计过程控制的休哈特(Shewhart)图方法来设置调强放疗剂量验证过程的容差限值，大量文献研究也证实了休哈特控制图在调强放疗剂量验证中的有效性。
然而，常规休哈特控制图是基于观测值符合正态分布建立的，统计过程控制领域的大量研究证实了对非正态过程直接采用常规休哈特控制图方法建立控制限值是不可靠的，会增加犯I型错误的概率，导致错误决策。最近的研究也表明，伽马通过率大都不满足正态分布，直接采用休哈特控制图方法计算非正态调强放疗剂量验证过程的控制限值会高估实际的容差限值，增加误报率，加重放疗物理师调查“问题”计划的工作量。因此，目前亟需一种稳健可靠的容差限值算法，以便有效监测临床调强放疗剂量验证过程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种不基于特定分布的控制图方法，为调强放疗剂量验证过程设置更稳健、更可靠的容差限值。
本发明提供了一种设置监测调强放疗剂量验证过程容差限值的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：选择调强放疗计划；
步骤2：获取计划剂量分布和实际剂量分布：
步骤2.1.获取计划剂量分布：在计划系统上创建步骤1中选择的调强放疗计划相应的验证计划并导出计划剂量分布；
步骤2.2.获取实际剂量分布：在放射治疗设备上执行步骤1中选择的调强放疗计划并采用调强放疗剂量验证探测器阵列测量实际剂量分布；
步骤3：通过伽马分析软件分析计划剂量分布和实际剂量分布，计算调强放疗计划的伽马通过率；
步骤4：对伽马通过率进行分组统计，得到分组后的伽马通过率；
步骤5：基于比例加权方差控制图方法计算分组后的伽马通过率的控制限值LCL；
步骤6：判断分组后的伽马通过率是否都在该组控制限值LCL的范围内，若是，则所述控制限值LCL即为监测该组调强放疗剂量验证过程的容差限值。
进一步地，步骤2.1中，所述获取计划剂量分布的方法为：获取调强放疗剂量验证探测器阵列的CT影像，传至计划系统，在计划系统中将步骤1中选择的调强放疗计划移植到调强放疗剂量验证探测器阵列的CT图像上以创建验证计划，计算剂量并导出计划剂量分布。
进一步地，步骤1中，所述的调强放疗计划是根据所分析的调强放疗技术选择的相应技术的计划；
步骤2中，所述调强放疗剂量验证探测器阵列为二维探测器阵列或三维探测器阵列，所述放射治疗设备为医用电子直线加速器，所述计划系统为Raystation治疗计划系统；
步骤3中，所述的伽马分析软件是适用于步骤2中调强放疗剂量验证探测器阵列的分析软件，所述伽马通过率是基于分析标准下的伽马通过率。
进一步地，步骤1中，所述的调强放疗计划包括用于一台以上的放射治疗设备的调强放疗计划，和/或所述调强放疗计划包括一种以上治疗病种的调强放疗计划；优选的，所述病种为脑肿瘤、鼻咽癌、宫颈癌、前列腺癌、直肠癌中的一种或多种，所述调强放疗计划中的病例数为25例以上；
步骤2中，所述二维探测器阵列优选为MapCHECK，所述三维探测器阵列优选为ArcCHECK，所述医用电子直线加速器为医科达Versa HDTM医用电子直线加速器；
步骤3中，所述分析标准为：以最大剂量点进行绝对剂量全局归一，剂量阈值设为10％，采用3％剂量误差和2mm距离误差(3％/2mm)。
进一步地，步骤1中，所述的调强放疗计划是IMRT计划或VMAT计划；
步骤2中，所述调强放疗剂量验证探测器阵列为ArcCHECK；
步骤3中，所述伽马分析软件为适用于ArcCHECK的SNC Patient软件。
进一步地，步骤4中，所述分组方式为按照放射治疗设备或者按照治疗病种分组；优选的，所述分组后的伽马通过率包括一台放射治疗设备上所有治疗病种的调强放疗计划的伽马通过率、一台放射治疗设备上一种治疗病种的调强放疗计划的伽马通过率。
进一步地，步骤5中，所述控制限值LCL的计算方法为：
Figure BDA0003148241850000031
Figure BDA0003148241850000032
其中，Xi为单例调强放疗计划的伽马通过率；
Figure BDA0003148241850000033
为一组伽马通过率的平均值；N为一组伽马通过率的例数；/>
Figure BDA0003148241850000034
为一组伽马通过率的平均移动极差值；LCL为控制限值；PX为一组伽马通过率中低于/>
Figure BDA0003148241850000035
平均伽马通过率的比例；α为常规休哈特控制图犯Ⅰ型错误的概率，取0.0027；WL为与PX有关的控制限参数，WL与PX的关系如下：
当PX≤0.5时，WL的值等于下表中1-PX对应的WU值；
当PX＞0.5且PX在下表中时，WL的值即下表中对应的WL值；
当PX＞0.5且PX不在下表中时，采用插值法计算WL的值：如果PX在下表的数据点之间采用线性内插法计算，如果PX在下表的数据点之外采用线性外插法计算：
PX 0.50 0.52 0.54 0.56 0.58 0.60 0.62 0.64 0.66 0.68 0.70
WL 1.88 1.86 1.83 1.81 1.82 1.84 1.85 1.89 1.96 2.04 2.13
WU 1.88 1.93 1.97 2.04 2.14 2.26 2.36 2.53 2.74 2.98 3.26
。
进一步地，步骤6中，若分组后的伽马通过率不都是在该组控制限值LCL的范围内，则该组调强放疗计划中存在失控的计划，需要检查并消除失控原因后重复步骤2～6。
本发明还提供了上述方法设置的容差限值在监测调强放疗剂量验证过程中的用途。
本发明还提供了一种用于设置监测调强放疗剂量验证过程容差限值的计算机设备，所述计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的步骤1～6。
关于本发明的使用术语的定义：除非另有说明，本文中术语提供的初始定义适用于整篇说明书的该术语；对于本文没有具体定义的术语，应该根据公开内容和上下文，给出本领域技术人员能够给予它们的含义。
“伽马通过率”是指在一定剂量阈值及伽马分析标准下的相对剂量或绝对剂量的通过率。
“容差限值”也称警告限值，当存在观测值超出容差限值时，警示该过程发生变化，需要关注。容差限值取决于临床调强放射治疗剂量验证过程本身，且独立于干预限值。正如AAPM TG-218报告所述，调强放疗剂量验证过程的干预限值是实施过程中的最低水平，测量超出干预限值可能对患者产生负面影响；而容差限值指的是调强放疗剂量验证过程在这个范围内不会被改变，容差限值可对一个失控的过程发出警告，提示该过程正在发生变化。如果调强放疗剂量验证结果超出了容差限值但是在干预限值内，则需要医学物理师决定该计划能否在临床实施。
“线性内插法”是一种利用回归方程对数据范围内的点进行预测的常用方法，它是根据一组已知的未知函数自变量的值和它相对应的函数值，利用等比关系去求未知函数其他值的近似计算方法，是一种求未知函数逼近数值的求解方法。
“线性外插法”即线性外推法，是一种利用回归方程预测范围以外的数值的常用方法。
与现有技术相比，本发明方法提供了一种基于比例加权方差控制图方法来设置调强放疗剂量验证过程的容差限值的方法，该方法对调强放疗剂量验证过程的伽马通过率的分布不敏感，减小了非正态性对控制限值计算的影响，因此利用本发明的方法获得的容差限值更稳健、可靠。基于该方法获得的容差限值在监测调强放疗剂量验证过程中具有良好的性能，可有效检测出存在失控问题的调强放疗计划，同时减少放疗物理师调查“问题”计划的工作量。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
图1为利用本发明方法设置调强放疗计划剂量验证过程的容差限值的流程示意图。
图2为本发明实施例1的方法与对比例1的方法设置的整台直线加速器的容差限值(VMAT总)的可靠性比较结果。
具体实施方式
本发明所用原料与设备均为已知产品，通过购买市售产品所得。
本发明实施例的剂量验证计划由Raystation治疗计划系统(Raystation MedicalLaboratories AB,Stockholm,Sweden)创建、计算并导出，并在配备Agility多叶准直器的医科达Versa HDTM(Elekta,Crawley,UK)医用电子直线加速器上进行测量。剂量验证测量采用带有CavityPlug插入物的ArcCHECK螺旋形半导体探测器阵列，并由SNC Patient软件(版本6.7)进行伽马通过率分析。根据AAPM TG-218报告建议，伽马分析标准为：以最大剂量点进行绝对剂量全局归一，剂量阈值设为10％，采用3％/2mm的标准计算伽马通过率。
实施例1：一种设置调强放疗剂量验证过程的容差限值的方法
步骤1、选择一定数量的调强放疗计划
本实施例采用的调强放疗计划是586例VMAT计划，其中脑肿瘤49例，鼻咽癌129例，宫颈癌39例，前列腺癌39例，直肠癌110例，计划数低于25例的其它病种合计220例。
步骤2、采用剂量验证专用二维或者三维探测器阵列在加速器上进行剂量测量
本实施例选择的探测器阵列是三维探测器阵列ArcCHECK。测量前将ArcCHECK对准激光灯进行摆位，按照SunNuclear公司提供的标准步骤对ArcCHECK模体进行矩阵校准、本底校准和剂量校准；使用患者的VMAT计划进行出束，通过ArcCHECK模体进行剂量测量。
步骤2.1：获取计划剂量分布
获取ArcCHECK模体三维CT影像，传至Raystation治疗计划系统用于剂量计算；在计划系统中将步骤1中的586例VMAT计划移植到ArcCHECK模体三维CT影像上以创建验证计划，计算剂量并导出计划剂量分布相关的RT Plan(计划信息)和RT Dose(剂量信息)文件，用于伽马分析。
步骤2.2：获取实际剂量分布
本实施例采用的医用电子直线加速器为配备Agility多叶准直器的医科达VersaHDTM(Elekta,Crawley,UK)医用电子直线加速器，在该医用电子直线加速器上执行步骤1中的586例VMAT计划并采用ArcCHECK测量实际剂量分布。
步骤3、通过伽马分析软件计算调强放疗计划的伽马通过率
本实施例采用的伽马分析软件为SNC Patient软件(版本6.7)，伽马分析标准为：以最大剂量点进行绝对剂量全局归一，剂量阈值设为10％，采用3％/2mm的标准计算伽马通过率。
本实施例将上述步骤2计划系统导出的计划剂量分布相关的RT Plan和RT Dose文件导入SNC Patient软件，与测得的实际剂量分布进行比较，并作伽马分析，计算得到每一例患者调强放疗计划的伽马通过率：X1，X2，X3，…，Xn，n＝586。
步骤4、对伽马通过率进行分类统计
对同一台医用电子直线加速器上不同治疗病种的伽马通过率或者对整台直线加速器上的所有治疗病种的伽马通过率进行分组统计。在本实施例中，分别统计了整台直线加速器组、脑肿瘤组、鼻咽癌组、宫颈癌组、前列腺癌组、直肠癌组的伽马通过率。
步骤5、基于比例加权方差控制图方法计算各组伽马通过率的控制限值
根据步骤4获得每一组伽马通过率，例如，脑肿瘤组的伽马通过率为：X1，X2，X3，…，XN(N＝49)；代入
Figure BDA0003148241850000051
即可获得每一组的平均移动极差/>
Figure BDA0003148241850000052
根据已知的每一组伽马通过率X1，X2，X3，…，XN，即可算出该组伽马通过率的平均值/>
Figure BDA0003148241850000053
以及低于/>
Figure BDA0003148241850000054
的比例PX；根据WL、WU与PX的关系，通过插值即可确定控制限参数WL；根据已知的α＝0.0027以及上述过程获得的/>
Figure BDA0003148241850000061
Figure BDA0003148241850000062
PX和WL，即可算出控制限值/>
Figure BDA0003148241850000063
LCL的计算方法可参考文献：X Control Chart for Skewed Populations using a ScaledWeighted Variance Method，Vol.7,No.3(2000)237-252。
WL、WU与PX符合以下关系：
表1.WL、WU与PX的关系
PX 0.50 0.52 0.54 0.56 0.58 0.60 0.62 0.64 0.66 0.68 0.70
WL 1.88 1.86 1.83 1.81 1.82 1.84 1.85 1.89 1.96 2.04 2.13
WU 1.88 1.93 1.97 2.04 2.14 2.26 2.36 2.53 2.74 2.98 3.26
当PX≤0.5时，WL的值等于1-PX对应的WU值；当PX＞0.5且PX在表1中时，WL的值即表1中对应的WL值；当PX＞0.5且PX不在表1中时，采用插值法计算：如果Px在表1的数据点之间采用线性内插法计算，如果Px在表1的在数据点之外采用线性外插法计算。
例如，当PX＝0.30时，WL的值＝WU(PX＝0.70)＝3.26；
当PX＝0.56时，WL的值＝1.81；
当PX＝0.57时，WL的值＝1.815；
当PX＝0.80时，WL的值＝2.58。
步骤6、评估伽马通过率是否都在该组的控制限值范围内，若是，则计算的控制限值LCL即为临床调强放疗剂量验证过程的容差限值
评估每一组伽马通过率与控制限值的关系，判断是否存在伽马通过率低于改组控制限值(失控)的情况：
(1)若不存在伽马通过率低于该组控制限值的情况，则步骤5中计算的控制限值可作为临床调强放疗剂量验证过程的容差限值；
(2)若存在伽马通过率低于该组控制限值的情况，则需要对失控的调强放疗计划进行分析并消除失控原因后，返回步骤2～6进行相同的操作。
以下通过实验例证明本发明的有益效果。
实验例1：利用本发明设置的容差限值检测调强放疗计划的剂量验证过程时的可靠性
1、实验方法
分别利用本发明实施例1的方法和AAPM TG-218报告中推荐的常规休哈特控制图方法设置容差限值，比较两种方法所得容差限值的可靠性。
1)利用本发明实施例1的方法建立剂量验证流程的容差限值
共实施了586例VMAT计划的剂量验证，其中脑肿瘤49例，鼻咽癌129例，宫颈癌39例，前列腺癌39例，直肠癌110例，计划数低于25例的其它病种合计220例。采用实施例1基于比例加权方差控制图方法建立整台直线加速器及单个治疗病种VMAT计划剂量验证流程的容差限值。
其中，整台直线加速器的容差限值指基于586例患者的调强放疗计划在该医用电子直线加速器上建立的容差限值。单个治疗病种的容差限值指将患者按照病种分组后，基于每组数据在该医用电子直线加速器上建立的容差限值；例如，对于脑肿瘤，是根据49例脑肿瘤患者的调强放疗计划在该医用电子直线加速器上建立适用于该部位的容差限值。
2)对比例1：基于AAPM TG-218方法建立剂量验证流程的容差限值
共实施了同上的586例VMAT计划的剂量验证，其中脑肿瘤49例，鼻咽癌129例，宫颈癌39例，前列腺癌39例，直肠癌110例，计划数低于25例的其它病种合计220例。基于AAPMTG-218报告中推荐的常规休哈特控制图方法设置容差限值。公式如下：
Figure BDA0003148241850000071
其中/>
Figure BDA0003148241850000072
为伽马通过率平均值，/>
Figure BDA0003148241850000073
为相应的平均移动极差，LCL即为容差限值。
2、实验结果
本发明方法与对比例方法设置调强放疗剂量验证流程容差限值的结果如表2所示。其中，以整台加速器为例的容差限值的比较情况如图2所示。
表2容差限值可靠性结果比较
Figure BDA0003148241850000074
表2中，对比例1和实施例1的失控例数指低于相应容差限值的例数，实际失控例数是指调查后存在失控原因的计划例数。
从实验结果可以看出，对于正态过程，本发明方法与对比例方法容差限值的可靠性基本一致，最大偏差1.06％，检测到的失控例数均与实际失控例数相当；对于非正态过程，对比例方法容差限值高于本发明方法，最大偏差达3.11％，存在较多虚报的失控例数，而本发明方法检测到的失控例数与实际的失控例数一致性更好。
上述结果表明，与基于AAPM TG-218方法建立剂量验证流程的容差限值相比，本发明的方法建立的容差限值在检测调强放疗计划的剂量验证过程中更可靠，尤其是在伽马通过率不满足正态分布的情况下。
综上，本发明提供了一种设置调强放疗剂量验证过程的容差限值的方法。该方法对调强放疗剂量验证过程的伽马通过率的分布不敏感，减小了非正态性对控制限值计算的影响，因此获得的容差限值更稳健、可靠。基于该方法获得的容差限值在调强放疗剂量验证过程监测中具有良好的性能，可有效检测出存在“失控”问题的调强放疗计划，同时减少放疗物理师调查“问题”计划的工作量。

Claims (10)

1.一种设置监测调强放疗剂量验证过程容差限值的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：选择调强放疗计划；
步骤2：获取计划剂量分布和实际剂量分布：
步骤2.1.获取计划剂量分布：在计划系统上创建步骤1中选择的调强放疗计划相应的验证计划并导出计划剂量分布；
步骤2.2.获取实际剂量分布：在放射治疗设备上执行步骤1中选择的调强放疗计划并采用调强放疗剂量验证探测器阵列测量实际剂量分布；
步骤3：通过伽马分析软件分析计划剂量分布和实际剂量分布，计算调强放疗计划的伽马通过率；
步骤4：对伽马通过率进行分组统计，得到分组后的伽马通过率；
步骤5：基于比例加权方差控制图方法计算分组后的伽马通过率的控制限值LCL；所述控制限值LCL的计算方法为：
Figure FDA0004187345540000011
Figure FDA0004187345540000012
其中，Xi为单例调强放疗计划的伽马通过率；
Figure FDA0004187345540000013
为一组伽马通过率的平均值；N为一组伽马通过率的例数；/>
Figure FDA0004187345540000014
为一组伽马通过率的平均移动极差值；LCL为控制限值；PX为一组伽马通过率中低于/>
Figure FDA0004187345540000015
平均伽马通过率的比例；α为常规休哈特控制图犯Ⅰ型错误的概率，取0.0027；WL为与PX有关的控制限参数，WL与PX的关系如下：
当PX≤0.5时，WL的值等于下表中1-PX对应的WU值；
当PX＞0.5且PX在下表中时，WL的值即下表中对应的WL值；
当PX＞0.5且PX不在下表中时，采用插值法计算WL的值：如果PX在下表的数据点之间采用线性内插法计算，如果PＸ在下表的数据点之外采用线性外插法计算：
ＰX 0.50 0.52 0.54 0.56 0.58 0.60 0.62 0.64 0.66 0.68 0.70 WL 1.88 1.86 1.83 1.81 1.82 1.84 1.85 1.89 1.96 2.04 2.13 WU 1.88 1.93 1.97 2.04 2.14 2.26 2.36 2.53 2.74 2.98 3.26
步骤6：判断分组后的伽马通过率是否都在该组控制限值LCL的范围内，若是，则所述控制限值LCL即为监测该组调强放疗剂量验证过程的容差限值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2.1中，所述获取计划剂量分布的方法为：获取调强放疗剂量验证探测器阵列的CT影像，传至计划系统，在计划系统中将步骤1中选择的调强放疗计划移植到调强放疗剂量验证探测器阵列的CT图像上以创建验证计划，计算剂量并导出计划剂量分布。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤1中，所述的调强放疗计划是根据所分析的调强放疗技术选择的相应技术的计划；
步骤2中，所述调强放疗剂量验证探测器阵列为二维探测器阵列或三维探测器阵列，所述放射治疗设备为医用电子直线加速器，所述计划系统为Raystation治疗计划系统；
步骤3中，所述的伽马分析软件是适用于步骤2中调强放疗剂量验证探测器阵列的分析软件，所述伽马通过率是基于分析标准下的伽马通过率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤1中，所述的调强放疗计划包括用于一台以上的放射治疗设备的调强放疗计划，和/或所述调强放疗计划包括一种以上治疗病种的调强放疗计划；
步骤2中，所述二维探测器阵列为MapCHECK，所述三维探测器阵列为ArcCHECK，所述医用电子直线加速器为医科达Versa HDTM医用电子直线加速器；
步骤3中，所述分析标准为：以最大剂量点进行绝对剂量全局归一，剂量阈值设为10％，采用3％剂量误差和2mm距离误差。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤1中，所述病种为脑肿瘤、鼻咽癌、宫颈癌、前列腺癌、直肠癌中的一种或多种，所述调强放疗计划中的病例数为25例以上。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤1中，所述的调强放疗计划是IMRT计划或VMAT计划；
步骤2中，所述调强放疗剂量验证探测器阵列为ArcCHECK；
步骤3中，所述伽马分析软件为适用于ArcCHECK的SNC Patient软件。
7.根据权利要求1～6任一项所述的方法，其特征在于：步骤4中，所述分组方式为按照放射治疗设备或者按照治疗病种分组。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤4中，所述分组后的伽马通过率包括一台放射治疗设备上所有治疗病种的调强放疗计划的伽马通过率、一台放射治疗设备上一种治疗病种的调强放疗计划的伽马通过率。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤6中，若分组后的伽马通过率不都是在该组控制限值LCL的范围内，则该组调强放疗计划中存在失控的计划，需要检查并消除失控原因后重复步骤2～6。
10.一种用于设置监测调强放疗剂量验证过程容差限值的计算机设备，其特征在于：所述计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1～9任一项中所述的步骤1～6。
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