Investigation of a real-time EPID-based patient dose monitoring safety system using site-specific control limits

Data collection and selection method

Il sistema di verifica del trattamento del paziente in tempo reale, conosciuto come “Watchdog”, è stato inizialmente azionato passivamente durante i trattamenti dei pazienti per acquisire immagini EPID di transito. Nessuna azione interventistica, o altro, è stata eseguita nel corso del trattamento dei pazienti. Questo studio è stato approvato dal comitato etico locale per la ricerca umana. La raccolta dei dati è stata divisa in due fasi: 1) raccolta di dati di addestramento per determinare i limiti di controllo inferiori (cioè le soglie o i livelli di azione), e 2) raccolta di dati per valutare le prestazioni del sistema.

Per determinare i limiti di controllo inferiori (LCL) (fare riferimento alla sezione 2.3), le prime due frazioni sono state utilizzate per tutti i pazienti in quanto queste erano più vicine nel tempo alla condizione di riferimento (simulazione) e quindi meno probabile di sperimentare cambiamenti anatomici come la perdita di peso e la contrazione del tumore. Un presupposto simile è stato fatto in altri studi in cui le immagini EPID misurate acquisite dalla prima frazione sono state utilizzate come set di dati di riferimento per il confronto nelle frazioni successive. I dati selezionati sono stati utilizzati come “dati di allenamento” e quindi è stato verificato che non ci fossero errori sostanziali nella consegna, nell’acquisizione o nella generazione del piano. Tre vincoli chiave sono stati utilizzati per selezionare i dati di allenamento per garantire questo. Inizialmente, le prime due frazioni sono state selezionate per determinare la LCL. In secondo luogo, sono stati esclusi tutti i campi con un tasso di passaggio cumulativo finale χ (cioè il tasso di passaggio per il campo integrato) inferiore al 97%. In terzo luogo, sono stati esclusi anche tutti i dati che contenevano errori di sistema noti legati a Watchdog e/o errori umani (ad esempio, un processo di acquisizione delle immagini non corretto). Questi vincoli hanno fatto sì che i dati di allenamento consistessero in 137 trattamenti di pazienti (18 pazienti con retto, 82 con prostata e 37 con HN). Tutti i trattamenti sono stati pianificati utilizzando Eclipse (Varian Medical Systems, Palo Alto, CA) versione 11.

Watchdog: sistema di sicurezza di monitoraggio della dose al paziente basato su EPID in tempo reale

Sistema di consegna e acquisizione delle immagini

Tutti i trattamenti sono stati eseguiti utilizzando uno dei quattro acceleratori lineari Clinac Trilogy (linac) (Varian Medical Systems, Palo Alto, CA) dotati di collimatori multifoglia Millenium 120-leaf (MLC). La consegna era IMRT dinamico a finestra scorrevole utilizzando fotoni 6 MV a tassi di dose nominale di 400 MU/min. Le immagini a megavoltaggio (MV) sono state acquisite utilizzando un EPID aS1000 operante in modalità di acquisizione integrata controllata dal modulo software di trattamento clinico all’interno del PC 4D Integrated Treatment Console (4DITC). Tutte le immagini sono state automaticamente corrette per il campo scuro e il campo di inondazione e sono state acquisite con una distanza sorgente-rivelatore (SDD) di 150 cm. L’accesso a entrambi i fotogrammi di immagini individuali MV e kV era tramite cavi di collegamento della telecamera alle porte sul 4DITC e Varian On-Board Imager (OBI) computer. Questi erano collegati a un PC ausiliario dotato di una scheda frame-grabber a doppia base (Matrox Solios SOL 2 M EV CLB). Angoli di rotazione Gantry sono stati derivati da kilovoltage (kV) informazioni di rotazione della sorgente codificati nell’intestazione di kV “scuro” fotogrammi immagine dal Varian OBI. Si noti che la sorgente kV non era accesa durante l’acquisizione dei fotogrammi kV. I pazienti non hanno ricevuto alcuna dose aggiuntiva da questo studio. I dati grezzi frame grabber è stato ricostruito in formato immagine matrice utilizzando un in-house personalizzato Matlab/C# (MathWorks, Natick, MA, USA) codice. Questo sistema ha acquisito entrambi i fotogrammi delle immagini MV e kV a frame rate di 7,455 fps e 10,92 fps, rispettivamente.

Panoramica del sistema Watchdog

Il sistema Watchdog è stato precedentemente testato utilizzando campi IMRT dinamici clinici consegnati a un fantasma prostatico antropomorfo ed è stato implementato per uso clinico. Le immagini EPID previste sono state calcolate per incrementi di dose sequenziali utilizzando il modello basato sulla fisica di Chytyk et al. Le immagini EPID previste sono state generate a intervalli predeterminati del punto di controllo (CP) per ogni file del piano di trattamento, fornendo una sequenza di fotogrammi per l’intera consegna del fascio, come descritto in . Per le consegne IMRT viene applicato un metodo di sincronizzazione utilizzando le posizioni delle foglie MLC estratte dalle immagini previste e misurate. Il sistema è stato utilizzato per confrontare i fotogrammi cumulativi previsti e misurati integrati fino a un punto di sincronizzazione (indicato come un confronto di immagini cumulative). Le immagini misurate sono state ridimensionate a ½ risoluzione (512 × 384 pixel) e i confronti 2-D sono stati valutati utilizzando un confronto veloce χ con 4 %, 4 mm criteri. Il sistema ha raggiunto un tasso medio di passaggio del χ in tempo reale del 91,1 % per i criteri 4 %/4 mm. La struttura del sistema Watchdog è riassunta e illustrata nella Fig. 1. Dopo l’acquisizione e l’analisi, le immagini EPID previste e misurate sono memorizzate in un database, così come il risultato della verifica in tempo reale ed eventuali commenti inseriti manualmente dall’operatore.

Panoramica del sistema Watchdog

Controllo statistico del processo per derivare i limiti di controllo

Determinazione del limite di controllo inferiore (LCL)

L’applicazione dei limiti di controllo SPC assiste nella classificazione delle cause normali e assegnabili (speciali) di variazione in un processo sulla base dei dati di addestramento. I limiti per questa classificazione sono fissati calcolando la media (μ) e la deviazione standard (σ) di una metrica di processo quando il processo è in funzionamento stabile. SPC impiega normalmente due limiti di controllo statistico e una linea centrale (CL), compreso un limite di controllo superiore (UCL) e un limite di controllo inferiore (LCL). Tuttavia, in questa applicazione l’uscita di verifica in tempo reale (cioè il tasso di passaggio del confronto χ) non può superare il 100%, quindi l’UCL viene eliminato e viene considerato solo l’LCL.

Quando il tasso di dose del linac aumenta rapidamente dopo l’accensione del fascio, la risposta di dose dell’asse centrale EPID aumenta rapidamente, spesso con un piccolo overshoot, e poi si stabilizza dopo circa due secondi. Per evitare questa regione di instabilità del tasso di dose, il metodo utilizzato per calcolare i limiti di controllo ha escluso i primi due secondi di trattamento. I CL e gli LCL sono stati determinati per il tasso di passaggio cumulativo χ per tre siti di trattamento: prostata, HN e retto utilizzando le Eq. 1 e 2.

dove \( {\mu}_{t\ge 2s} \ è il tasso medio cumulativo di passaggio del confronto della dose dopo due secondi di trattamento, e \( {sigma}_{t\ge 2s} \ è la deviazione standard del tasso cumulativo di passaggio della dose dopo due secondi. Dopodiché, la carta di controllo viene costruita sulla base della LCL definita per il sito di trattamento specifico.

Rilevamento degli errori

Il monitoraggio tramite la sola LCL è tuttavia sensibile agli eventi altamente transitori e quindi è stato introdotto un secondo parametro per fornire una migliore identificazione degli errori clinicamente significativi. Il secondo parametro utilizza una tecnica di valutazione del processo per assistere nell’individuazione degli errori.

La valutazione del processo utilizza un indice di capacità del processo \( \left({C}_{pml}\right) \), che rappresenta la capacità di un processo di produrre dati che soddisfano la LCL. Usando il set di dati di addestramento, l’indice di capacità del processo è calcolato usando l’Eq. 3.

dove \( {\mu}_t \) e \( {\sigma}_t \) sono la media e la deviazione standard del tasso di passaggio cumulativo di confronto della dose dopo due secondi di trattamento fino al punto di consegna. La costante 1,46 è raccomandata per un limite di specificazione unilaterale e T è il valore target del processo che può essere assunto come la media del tasso di passaggio cumulativo di confronto della dose o la linea centrale mostrata nell’Eq. 1. Si noti che non c’è un singolo valore ideale di \( {C}_{pml} \) che assicura che un processo stia funzionando in modo ottimale. Tipicamente \( {C}_{pml}=1.33 \) è usato come limite inferiore per un processo accettabile e indica un processo di AQ di alta qualità.

La consegna è stata classificata come “fail” quando entrambe le seguenti due condizioni erano vere:

1. Il tasso di passaggio cumulativo χ in tempo reale era inferiore al LCL specifico del sito

2. L’indice di capacità di processo, \( {C}_{pml} \) era inferiore a 1.33

Test di sensibilità

La sensibilità dei limiti di controllo derivati a varie fonti di errore è stata testata e valutata. Questo è stato eseguito utilizzando due set di dati di pazienti prostatici. Le classi di errore simulate sono state introdotte modificando i dati della TAC del paziente o i parametri del piano di trattamento, quindi ricalcolando il set di immagini EPID previsto. La tabella 1 presenta l’elenco dei casi di test e dei parametri di simulazione utilizzati per i test di sensibilità. Un confronto tra le immagini di transito previste e misurate è stato poi eseguito utilizzando un simulatore offline del sistema di verifica in tempo reale.

Classificazione delle fonti di errore

In questa indagine preliminare sono stati utilizzati cinque pazienti selezionati a caso per trattamenti IMRT alla prostata, HN e retto. I limiti di controllo sito-specifici derivati sono stati utilizzati per esaminare e classificare i risultati della verifica clinica in tempo reale con il set di dati del paziente selezionato, comprese tutte le frazioni di ogni sito di trattamento. Un “fail” viene innescato quando la valutazione del singolo trattamento supera la condizione di rilevamento dell’errore (confronto cumulativo χ < LCL e Cpml < 1,33). Qualsiasi fallimento durante la verifica richiede un’ulteriore analisi per classificare e determinare la fonte dell’errore.

La capacità di rilevamento degli errori utilizzando il sistema è stata studiata e classificata come una delle due categorie principali; fonti cliniche e relative al sistema Watchdog . Per le fonti di errore clinico, ci sono due sottocategorie; errori di consegna legati al paziente ed errori di trasferimento dati e linac. Tre sottocategorie sono legate a fonti di errore non cliniche, compresi gli errori di acquisizione EPID, gli errori del sistema Watchdog e gli errori dell’utente Watchdog. I parametri di osservazione sono presentati nella tabella 2.

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