術中光子立體定向放射治療的質量保證和質量控制

李兆斌，熊霏，黃國鋒

上海交通大學附屬第六人民醫(yī)院腫瘤放療科，上海200233

前言

術中放療（Intraoperative Radiation Therapy,IORT）是指手術切除腫瘤后在直視下用射線對瘤床及可能殘留的腫瘤組織進行單次大劑量放射治療。由于術中放療可以在直視下確定受照射靶區(qū)的位置和范圍，因而既可以準確地給予病灶大劑量的照射，又避免了對正常組織的嚴重損傷［1-2］。隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展以及對術中放療的深入研究，尤其是術中放療專用加速器的發(fā)展，術中放療在腫瘤治療方面發(fā)揮著越來越重要的作用。上海交通大學附屬第六人民醫(yī)院腫瘤放療科早在1993年就開始利用常規(guī)直線加速器開展術中放療。2014年，上海交通大學附屬第六人民醫(yī)院新引進移動式術中光子立體定向放療儀，使術中放療有了進一步的發(fā)展。它利用溫和且照射深度淺的X射線（50 kV）照射腫瘤和瘤床，照射深度不同（0～2.0 cm），治療時間也不同，一般照射時間為15～30 min。設備特點是體積小、機身輕便、防護要求低、安全可靠，可在手術間靈活移動、操作簡單，同時可為多臺手術提供術中放療。放療時只需將施源器置于瘤床，通過精確的靶區(qū)定位，利用低能X射線直接殺傷癌細胞，正常組織能夠被最大限度排除或遮擋在照射野外，有效地保護正常組織，減少放療相關毒副反應，提高手術成功率，降低復發(fā)幾率，患者無需移出手術室，大大降低感染及相應風險的發(fā)生［3］。多個研究表明，對于早期乳腺癌，術中放療相對于外照射具有優(yōu)勢［4-8］。

1 材料與方法

1.1 一般材料

INTRABEAM 系統(tǒng)是由卡爾蔡司公司專門為術中放療設計的放射治療設備，該設備配備的可移動微型放射源通過一個長10 cm、最大功率為電壓50 kV、管電流40 μA的漂移管加速電子束射入金靶，進而激發(fā)出手術所需的各向同性低能量X射線。根據實際使用中的臨床應用要求，可以連接不同型號和大小的施源器到X射線源上，形成不同的照射野，其可產生球型射線野、平面射線野或管狀射野。本研究所有的測量均在50 kV、40μA的條件下進行，這也是臨床術中放療常使用的條件。

1.2 重復性和穩(wěn)定性檢測

利用蔡司公司提供的專用測量水箱（30×30×20）cm3、劑量儀（UNIDOS E, PTW）、平板電離室（34013，PTW）等，測量移動式術中放療加速器INTRABEAM的臨床運用數(shù)據。監(jiān)測內容主要包括劑量線性，把源固定在專用水箱上，利用kV級電離室在相同位置分別測量加速器出束第1～41 min的劑量率，每5 min記錄一次，觀察加速器出束是否線性。重復性檢測包括3 個方面的內容：短期穩(wěn)定性、36 h 內穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性。短期穩(wěn)定性為連續(xù)測量3 d，比較3 次測量數(shù)值的誤差；36 h 內穩(wěn)定性連續(xù)測量3 天，每天對放射源進行重復檢測一次，分別記錄每天的劑量；長期穩(wěn)定性，每個月對放射源劑量進行測量并記錄。

1.3 均一性檢測

理論上，放射源發(fā)出的低能量X射線是各向同性的，但由于在治療過程中，可能有碰撞、擠壓等，會引起漂移管和金靶彎轉、變形，這就有可能導致放射源發(fā)出的射線不是各向同性。這項檢測通過一個專用、封閉、具有5個微型電離室的套筒進行。

1.4 劑量學檢測

球形施源器的劑量學檢測，包括不同型號施源器的深度劑量曲線檢測和轉換系數(shù)檢測。系統(tǒng)僅提供了球形施源器的深度劑量和轉換系數(shù)，未提供平板施源器和管狀施源器的深度劑量和轉換系數(shù)，并且在臨床實際運用中，以球形施源器利用率最高，本研究以球形施源器為例，其他施源器的測量方法與球形施源器類似。轉換系數(shù)的定義為距中心同一深度處，有/無施用器時的劑量率的比值。系統(tǒng)通過X射線源深度劑量率與轉換系數(shù)來計算得到不同施源器不同深度的劑量率值。

1.5 安全性檢測

系統(tǒng)安全與功能質量保證（Quality Assurance,QA），控制臺傳輸每個信號指令到X 射線源，X 射線源均有返回信號，控制臺校驗返回信號的完整性和正確性。如果信號沒有正確地通過X射線源返回，放射停止或不會啟動。內部實時放射監(jiān)測儀不斷監(jiān)測治療期間的出束率。如果出束率高于計劃10%，射線發(fā)射停止。不斷監(jiān)測計劃治療時間和出束率的比率，如果發(fā)生任何變化，射線發(fā)射停止。

2 結果

2.1 劑量線性

加速器劑量線性是評估加速器穩(wěn)定性的重要指標之一，是保證加速器輸出劑量的準確度和治療效果的關鍵。測量結果顯示，該設備劑量線性良好。在各時間節(jié)點讀數(shù)誤差小于0.5%，平均為0.25%（范圍為0.13%～0.44%）。

2.2 劑量重復性

分別距裸源2、5、10、20、30 mm處進行3次測量，各測量點3次測量間的最大偏差分別為0.55%、0.91%、1.37%、1.36%、1.46%，重復性良好。廠家推薦手術前36 h 內QA，超過36 h需重新QA，所以36 h內的穩(wěn)定檢測對于劑量精確至關重要。利用不同大小的施源器，在距離施源器正下方5 mm的位置上測量，結果顯示36 h內劑量誤差小于1%，滿足臨床精度要求。由于一次QA后，該設備設定有效期為36 h，超過36 h后，需要重新QA，否則就無法出束，所以超過36 h的劑量測量就無法在一次QA后完成。圖1為連續(xù)24個月監(jiān)測該設備輸出量的變化，顯示術中光子放療儀的長期穩(wěn)定性并不是很好，和驗收時的數(shù)據相比，最大偏差達到-4.5%。

2.3 劑量均一性

由于目前缺少更好的各向同性檢測設備，各向同性的檢測只能在有限的幾個測量點進行。對于每個測量點均進行了3 次測量，然后求平均值，比較各測量點的相對偏差范圍。以源正下方測量點的數(shù)值為標準，各測量點的誤差分別為-4.6%、-2.7%、-0.9%和-3.3%。說明施源器并不是各向同性，四周劑量較正下方劑量低。

圖1 長期穩(wěn)定性Fig.1 Long-term stability

2.4 深度劑量率

測量不同直徑的球形施源器的深度劑量率和轉換系數(shù)。由于施源器直徑不同，射線穿過施源器時造成射線衰減不同，導致不同直徑的球形施源器表面劑量率差異明顯（表1），對于相同材質的施源器來說，直徑越大，施源器對射線衰減越多，表面劑量越低。但表1中35和40 mm施源器的表面劑量大于30 mm，這是因為直徑≥35 mm的施源器和直徑≤30 mm 所用材質不同。由于目前還沒有任何儀器可以測量真正的表面劑量（0 mm），并且受限于測量條件的影響，深度＜2 mm 的數(shù)據點經擬合得到。圖2為不同大小施源器深度劑量率歸一化處理，其深度劑量率值在0mm處進行歸一。結果顯示隨深度增加，劑量率下降顯著。不同大小的施源器其劑量梯度不一致，直徑越小，劑量跌落越快。對于轉換系數(shù)，不同直徑球形施源器與系統(tǒng)值偏差均＜3%，最大偏差值為2.7%，遠離中心時，偏差較大；靠近中心時，偏差較小。

圖2 不同直徑球形施源器相對劑量率Fig.2 Relative dose rate for spherical applicators of different sizes

3 討論

術中放療是一種復雜且特殊的放射治療技術，與常規(guī)放射治療相比，在臨床輻射劑量學上有其特殊性，尤其是由于手術中實時采集CT解剖影像數(shù)據比較困難，使術中放療不能像常規(guī)放療那樣在放射治療之前預先進行三維治療計劃的設計和優(yōu)化，以獲得每個病人的精確劑量分布。因此，測量和分析術中放療臨床劑量學特性、制定有效的質量保證措施，對術中放療的臨床開展具有較大實際意義。與常規(guī)放療相比，術中放療靶區(qū)設定更精準、更直接、生物學效應更高，照射劑量是常規(guī)放療的1.5～2.5倍，治療時間更短，費用更低，從而使得腫瘤外科從傳統(tǒng)的根治性手術向微創(chuàng)、風險小的改良手術轉變。目前術中光子放療設備應用不太廣泛，對其劑量學研究并不多見，利用電離室在水模體中測量是目前最常用的方法［9-12］。

本研究發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性最大偏差達到-4.5%，可能是由于疊加了測量誤差和位置誤差造成的。由于50 kV X線穿透力比較弱，組織內衰減快，對測量設備和測量條件要求比較高，測量時主觀誤差較大，劑量誤差來源主要來源于位置誤差，測量人員主觀觀察會帶來0.2 mm左右的位置誤差，這一誤差可以引起劑量不確定度超過10%［13-15］。通過本研究發(fā)現(xiàn)，每年對該系統(tǒng)重新校準、數(shù)據重新擬合是必要的。

理論上，電子線打靶后發(fā)出各向同性的X射線，但是由于偏轉電壓、漂移管和金靶彎轉、變形等原因，會造成焦點偏移，導致施源器四周劑量分布并不均勻，本研究發(fā)現(xiàn)不均勻度最大達到4.6%，Z方向劑量率比X和Y方向高。Eaton 等［16］報道，Z 方向表面的劑量率高出XY 平面7%～15%，如果有條件，必須進一步完善對系統(tǒng)三維劑量分布測試。由于施源器周圍劑量的不均勻性，而且不均勻度較大，在臨床實際應用中，大多都僅使用Z 方向的深度劑量數(shù)據進行劑量計算，所以在處方劑量給予時，需要考慮四周劑量是否足夠，在正常組織允許的范圍下，可以根據本單位實際情況適當提高處方劑量，以保證周圍瘤床劑量足夠。

通過對該設備全面的測量，驗證了系統(tǒng)數(shù)據的可靠性和穩(wěn)定性，了解了INTRABEAM 系統(tǒng)的臨床特性，獲得了臨床使用和QA 數(shù)據，并為臨床提供了QA的方法，定期對該設備進行治療保證和治療控制是十分必要的。