MatriXX二維電離室陣列的劑量特性研究

王學(xué)濤，朱 琳，戴振暉，招什武，楊 耕，朱遠(yuǎn)湖

·質(zhì)控與安全·

MatriXX二維電離室陣列的劑量特性研究

王學(xué)濤，朱 琳，戴振暉，招什武，楊 耕，朱遠(yuǎn)湖

目的:在加速器X線、電子線射野條件下，通過測量和計(jì)算的方法研究MatriXX二維電離室陣列的劑量學(xué)特性，為調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃的劑量驗(yàn)證提供依據(jù)。方法:用MatriXX測量X線、電子線射野，研究其劑量線性、重復(fù)性和劑量率響應(yīng)；用計(jì)算和測量相比對的方法，研究MatriXX多葉光柵射野的平面劑量分布。結(jié)果:MatriXX有良好的劑量線性、重復(fù)性，無劑量率依賴性；多野光柵射野較大時(shí)，計(jì)算和測量的劑量分布一致性較好，但在射野邊緣和劑量梯度大的區(qū)域，計(jì)算和測量的結(jié)果一致性較差。結(jié)論:MatriXX可用于調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃的劑量驗(yàn)證，對于劑量梯度較大區(qū)域的劑量驗(yàn)證需要進(jìn)一步研究。

MatriXX二維電離室陣列；劑量學(xué)特性；劑量驗(yàn)證

0 引言

隨著靜態(tài)調(diào)強(qiáng)、容積調(diào)強(qiáng)旋轉(zhuǎn)照射（volumetric modulated arc therapy，VMAT）等先進(jìn)放療技術(shù)的發(fā)展，治療計(jì)劃的劑量驗(yàn)證工作變得越來越重要[1]。MatriXX二維電離室陣列（IBA Dosimetry AB，Uppsala，Swenden）能夠?qū)φ{(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃進(jìn)行點(diǎn)劑量和面劑量驗(yàn)證，現(xiàn)已成為開展調(diào)強(qiáng)放療質(zhì)量保證的重要工具之一[2-3]。不同型號的加速器因其標(biāo)稱能量和多葉光柵的初始設(shè)計(jì)不同，相同的調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃在不同型號的加速器上執(zhí)行時(shí)劑量分布不同，因此，使用MatriXX二維電離室陣列進(jìn)行劑量驗(yàn)證之前，必須研究其劑量學(xué)特性，以保證治療計(jì)劃劑量驗(yàn)證的質(zhì)量。本文在Varian 23EX加速器X線、電子線射野條件下，通過劑量測量和計(jì)算的比對，研究MatriXX的劑量線性、穩(wěn)定性、平面分辨率等，為使用MatriXX進(jìn)行調(diào)強(qiáng)放療的劑量驗(yàn)證提供依據(jù)。

1 方法

1.1 測量設(shè)備

1.1.1 MatriXX二維電離室陣列

MatriXX二維電離室陣列由探測平板和軟件組成，其中探測平板由電離室陣列、控制器、信號處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等部分組成。在32×32的矩陣網(wǎng)格平板上均勻分布著1 020個(gè)通氣電離室（網(wǎng)格陣列的4個(gè)角上各缺少1個(gè)電離室），有效測量面積24.4 cm× 24.4 cm，每個(gè)電離室呈圓柱形，直徑4.5 mm，高5 mm，體積0.08 cm3，電離室中心之間的距離7.62 mm，有效測量點(diǎn)距表面3 mm。MatriXX平板通過標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口連接計(jì)算機(jī)，OmniPro I′mRT軟件控制整個(gè)測量過程，接受治療計(jì)劃系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，對比分析測量數(shù)據(jù)與計(jì)劃數(shù)據(jù)，有數(shù)據(jù)求和、插值、乘積，γ方法分析等功能。系統(tǒng)為了避免時(shí)間過于固定，采用2路獨(dú)立計(jì)數(shù)器，最小采樣周期20 ms。

1.1.2 測量模體

MULTICube（IBA Dosimetry）模體是廠家專門為MatriXX定制的配套模體，體積31.4cm×31.4cm×22cm，材料是Plastic Water ?，物理密度ρ=1.05 g/cm3，MatriXX可以嵌入其中。MULTICube上下表面到電離室有效測量平面的距離均為11 cm。利用模體表面的十字形標(biāo)志可以方便地將有效測量平面放置在加速器等中心處。

固體水模體為RW3材料，物理密度ρ=1.045g/cm3，有1、2、5、10、20 mm等不同厚度若干塊。使用MatriXX二維電離室陣列測量前需對固體水模體的測量深度進(jìn)行校正，公式為[4]

式中，ρp為固體水模體的物理密度（g/cm3）；Z為材料的原子序數(shù)；A為材料的原子量；dw為dp的等效水厚度。受到固體水模厚度的限制，校準(zhǔn)的深度與電離室測量的深度可能不一致，誤差＜1 mm。

1.1.3 醫(yī)用直線加速器

Clinac23EX加速器（VarianMedicalSystemsInc.，Palo Alto，CA）有6、15 MV 2擋能量的X線和多擋能量的電子線。Millennium多葉光柵（multileaf collimator，MLC）在等中心處可以形成40 cm×40 cm的射野，中心40對葉片在等中心的投影寬度為5 mm，邊緣20對葉片在等中心的投影寬度為10mm。

1.2 劑量測量和計(jì)算方法

1.2.1 劑量線性測量

在加速器X線、電子線條件下，源皮距=100 cm，射野尺寸為10cm×10 cm，設(shè)置2、3、5、10、20、50、100、200、300和500 MU順序出束照射，記錄MatriXX電離室的讀數(shù)，照射3次，取平均值。

1.2.2 劑量重復(fù)性測量

在相同源皮距和射野尺寸條件下，設(shè)置200 MU出束照射，每個(gè)能量重復(fù)10次，記錄MatriXX電離室的讀數(shù)。

1.2.3 劑量率響應(yīng)測量

在源皮距為100 cm條件下，射野尺寸為10 cm× 10 cm，設(shè)置200 MU出束照射，6、15 MV X線在5 cm深度測量，電子線按照能量大小分別在1、2 cm測量，劑量率分別設(shè)置為100～600 MU/min。

1.2.4 多葉光柵射野測量

MatriXX表面和底部分別放4.7和3 cm等效固體水模（RW3），使電離室在模體表面下5 cm深度，行5 mm層厚CT掃描，將影像傳輸?shù)絇innacle38.0m治療計(jì)劃系統(tǒng)（Philips Medical Systems Inc.，F(xiàn)itchburg，USA）。在機(jī)架角0°條件下，制定“h”形劑量分布計(jì)劃、動(dòng)態(tài)楔形板計(jì)劃、金字塔形和柵欄形劑量分布計(jì)劃，將這些計(jì)劃傳輸?shù)組atriXX工作站上，同時(shí)經(jīng)Varis網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)郊铀倨鞴ぷ髡旧?。按照CT定位的條件，將MatriXX擺放在加速器治療床上，按治療計(jì)劃實(shí)施照射。治療計(jì)劃和實(shí)際測量的劑量分布用γ方法評估，選取3 mm/3%的標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 調(diào)強(qiáng)放療劑量分布的驗(yàn)證

選擇鼻咽癌和前列腺癌患者各1例，用Pinnacle38.0m治療計(jì)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)7野逆向調(diào)強(qiáng)計(jì)劃，計(jì)劃確認(rèn)后，將其移植到MatriXX體模上，射野機(jī)架角全部歸一到0°，重新計(jì)算體模中的劑量，將計(jì)算和測量的劑量分布輸出到MatriXX系統(tǒng)中，用于分析評估。

2 結(jié)果

2.1 劑量線性

圖1為Varian Clinac 23EX加速器6 MV X線的測量結(jié)果。由圖1可見，在2～500 MU機(jī)器跳數(shù)范圍內(nèi)，MatriXX陣列電離室有良好的劑量線性，最大誤差不超過0.05%。

圖1 MatriXX陣列中心電離室的劑量線性

表1為加速器不同能量射線條件下，MatriXX陣列電離室的劑量。由表1可以看出，隨能量改變電離室的讀數(shù)變化為3.2%～6.5%。對于不同能量，MatriXX陣列電離室的劑量線性良好，但直線的斜率不同，這是電離室存在能量響應(yīng)的緣故，如圖2所示。

表1 不同能量射線條件下，MatriXX陣列中心電離室的劑量

圖2 不同能量射線條件下，MatriXX陣列中心電離室的劑量線性

2.2 劑量重復(fù)性

圖3為MatriXX經(jīng)溫度、氣壓修正后，陣列電離室測量的絕對劑量值與200 cGy的比值。圖示為6 MV X線的結(jié)果。由圖3可見，MatriXX陣列電離室的劑量重復(fù)性最大誤差不超過0.1%。15 MV X線和12MeV電子射線的劑量重復(fù)性也有類似的結(jié)果。

圖3 MatriXX陣列中心電離室的劑量重復(fù)性

2.3 劑量率響應(yīng)

圖4為MatriXX陣列中心電離室的劑量率響應(yīng)。由圖4可見，不同劑量率條件下，MatriXX中心電離室的劑量率響應(yīng)一致性很好。在低劑量率100 MU/min和高劑量率600 MU/min時(shí)，電離室有微小的劑量率響應(yīng)，誤差小于0.2%，這可能是由MatriXX固有的信號采樣時(shí)間引起的。

圖4 MatriXX陣列中心電離室的劑量率響應(yīng)

2.4“h”形劑量分布

圖5為6 MV X線治療計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算和MatriXX測量的“h”形劑量分布的比較圖。由圖5可見，劑量計(jì)算的網(wǎng)格是1 mm×1 mm×1mm，2種劑量分布圖用Cubic Spline算法插值為1 mm×1 mm的劑量矩陣，按中心軸劑量歸一，γ≤1的通過率為96.47%。15 MV X線的“h”形劑量分布也有類似的結(jié)果。

圖5 6 MV X線治療計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算和MatriXX測量的“h”形劑量分布

2.5 動(dòng)態(tài)楔形板劑量分布

圖6、7為6 MV X線15、45°動(dòng)態(tài)楔形板射野的劑量分布圖。由圖6、7可見，計(jì)算和測量的劑量分布一致性很好，γ≤1的通過率分別為 96.32%和94.01%，說明MatriXX適合動(dòng)態(tài)楔形板劑量分布的測量。2種劑量分布在射野邊緣差異較大，估計(jì)與MatriXX本身的結(jié)構(gòu)、較大的電離室間距和插值算法等因素有關(guān)。Varian Clinac 23EX加速器共用7個(gè)角度的動(dòng)態(tài)楔形板，分別是10、15、20、25、30、45、60°。從計(jì)算和測量的結(jié)果可以看出，楔形板角度越大，計(jì)算和測量的射野邊緣劑量差異越大。15°動(dòng)態(tài)楔形板在10%～90%的半影范圍內(nèi)，治療計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算和MatriXX測量的通過率為53.47%，45°動(dòng)態(tài)楔形板為37.87%。動(dòng)態(tài)楔形板的邊緣劑量分布需要進(jìn)一步研究，在實(shí)際用于放射治療時(shí)，對動(dòng)態(tài)楔形板的邊緣劑量，特別是45、60°2個(gè)角度楔形板的邊緣劑量必須進(jìn)行校正。15 MV X線動(dòng)態(tài)楔形板射野計(jì)算和測量的劑量在射野邊緣差異更大，中間部分與6MV X線類似。

圖6 6 MV X線治療計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算和MatriXX測量的15°動(dòng)態(tài)楔形板劑量分布

圖7 6MV X線治療計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算和MatriXX測量的45°動(dòng)態(tài)楔形板劑量分布

2.6 金字塔形劑量分布

圖8為6 MV X線金字塔形劑量分布。由圖8可見，計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算和MatriXX測量的劑量分布一致性較好，γ≤1的通過率為92.73%。射野中心劑量高、梯度大，計(jì)算和測量的結(jié)果差異明顯，γ≤1的通過率為42.73%；射野其余部分一致性較好，γ≤1的通過率均大于90.0%。

圖8 治療計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算和MatriXX測量的金字塔形劑量分布

2.7 柵欄形劑量分布

圖9為6 MV X線由5 mm的單個(gè)葉片形成的劑量分布。由圖9可見，治療計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算的劑量分布能夠較為明顯地區(qū)分劑量峰谷，而MatriXX測量的劑量分布無法正常區(qū)分劑量峰谷，這可能與MatriXX本身固有的平面劑量分辨率有關(guān)。圖10為6 MV X線由一對5 mm的葉片形成的劑量分布。由圖10可見，MatriXX陣列電離室能夠比較清晰地分辨劑量峰谷，但與劑量分布的計(jì)算結(jié)果一致性較差。圖11為6 MV X線由3個(gè)5 mm的葉片形成的劑量分布。由圖11可見，計(jì)算和測量的劑量分布一致性較好。3種柵欄形射野，在射野邊緣計(jì)算和測量的劑量分布一致性較差，在射野中間區(qū)域一致性較好。3種情況下，γ≤1的通過率分別為48.52%、85.68%和93.04%。

圖9 6 MV X線治療計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算和MatriXX測量的5 mm間隔的柵欄形劑量分布

2.8 調(diào)強(qiáng)適形放射治療劑量分布

圖12、13分別為鼻咽癌6 MV X線7野調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的1個(gè)分野和所有射野合成的劑量分布，分野和合成野γ≤1的通過率分別為96.52%和93.26%。圖14、15分別為前列腺癌6 MV X線7野調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的1個(gè)分野和所有射野合成的劑量分布，分野和合成野的通過率分別為97.35%和92.13%。

圖10 6 MV X線治療計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算和MatriXX測量的10 mm間隔的柵欄形劑量分布

圖11 6 MV X線治療計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算和MatriXX測量的15 mm間隔的柵欄形劑量分布

3 結(jié)論與討論

目前，國內(nèi)眾多的放療單位已經(jīng)開展調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)，基于指形電離室的點(diǎn)劑量驗(yàn)證和基于慢感光膠片的平面劑量驗(yàn)證工作變得十分復(fù)雜，需要一種高效、準(zhǔn)確、簡便的驗(yàn)證方法和工具。近幾年出現(xiàn)的二維平面劑量驗(yàn)證工具，如SunNuclear的Mapcheck、PTW的2D-ARRAY和IBA的MatriXX，都具有點(diǎn)劑量和平面劑量分布實(shí)時(shí)在線的測量能力，大大提高了劑量的測量效率。但是，這些測量工具的結(jié)構(gòu)和劑量學(xué)特性是否適應(yīng)各種調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)的劑量驗(yàn)證，需要進(jìn)行實(shí)際測量研究。

本文的研究結(jié)果表明，在Varian加速器X線、電子線條件下，MatriXX二維電離室陣列具有良好的劑量線性，但不同能量的劑量線性斜率不同，這個(gè)結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道相一致[5]。在多葉光柵射野條件下，用3 mm/3%的γ方法評估，大部分測試射野γ≤1的通過率大于90%。由于MatriXX陣列電離室的間隔是7.62 mm，它無法正確描述5、10 mm柵欄形劑量分布，也無法正確描述射野半影區(qū)或野中葉片的邊緣等高劑量梯度區(qū)的劑量分布；資料顯示[6]，用Matri-XX測量Varian加速器6 MV X線，當(dāng)射野≤3 cm× 3 cm時(shí)，MatriXX測量結(jié)果的可靠性明顯降低，這與本文的結(jié)果相一致；慢感光膠片空間分辨率高，適合于這些區(qū)域劑量分布的測量[7-8]。所以，二維陣列探測器與膠片劑量相結(jié)合的方法應(yīng)該是加速器日常質(zhì)量保證與調(diào)強(qiáng)適形劑量驗(yàn)證的一個(gè)合適選擇[9-10]。

由于二維電離室陣列MatriXX的探頭結(jié)構(gòu)和陣列幾何設(shè)計(jì)等原因，它的初始設(shè)計(jì)只用于測量0°機(jī)架角時(shí)的射野劑量分布[3]，是目前大部分醫(yī)院采用的調(diào)強(qiáng)計(jì)劃劑量驗(yàn)證模式。如果需要在實(shí)際治療角度下驗(yàn)證調(diào)強(qiáng)放療的劑量分布，需要進(jìn)行角度響應(yīng)修正[11]。本文中2例患者的調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃，每一單野劑量分布γ≤1的通過率都大于90%，合成野劑量分布的通過率也都大于90%，可以對患者實(shí)施放射治療。

圖12 6 MV X線治療計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算和MatriXX測量的鼻咽癌調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的單野劑量分布

圖13 6 MV X線治療計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算和MatriXX測量的鼻咽癌調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的合成野劑量分布

圖14 6 MV X線治療計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算和MatriXX測量的前列腺癌調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的單野劑量分布

圖15 6 MV X線治療計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算和MatriXX測量的前列腺癌調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的合成野劑量分布

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（收稿：2014-06-05 修回：2014-11-15）

Investigation on dose characteristics of 2D array MatriXX

WANG Xue-tao,ZHU Lin,DAI Zhen-hui,ZHAO Shi-wu,YANG Geng,ZHU Yuan-hu
(Radiotherapy Center of University Town Branch,Guangdong Provincial Hospital of TCM,Guangzhou 510120,China)

ObjectiveTo investigate the dose characteristics of MatriXX by measurement and calculation using X-ray and e-ray of the accelerator to lay a foundation for dose verification of intensity modulated radiation therapy(IMRT).Methods The dose linearity,reproducibility,dose rate dependence were studied by involving MatriXX in the measurement of the X-ray and e-ray fields,and the planar dose distribution of multileaf collimator fields was explored by comparison of measurement and calculation.ResultsMatriXX had high dose linearity,reproducibility while no dose rate dependence.The consistency between measurement and calculation was high in case of large fields,while got reduced at field edges and the area with high dose gradient.ConclusionMatriXX is suitable to verify IMRT dose distribution,while has to be researched for the dose verification at the area with high dose gradient.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（6）：87-91]

2D array MatriXX;dose characteristic;dose verification

R318；R814.42

A

1003-8868（2015）06-0087-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.06.087

廣東省醫(yī)學(xué)科研基金資助（A2014274）

王學(xué)濤（1968—），男，博士，主任，主要從事腫瘤放射物理及治療技術(shù)方面的研究工作，E-mail:wangxuetao0625@126.com。

510120廣州，廣東省中醫(yī)院大學(xué)城醫(yī)院放療中心（王學(xué)濤，朱 琳，戴振暉，招什武，楊 耕，朱遠(yuǎn)湖）

朱 琳，E-mail:ilhuohuo@163.com