ArcCheck的劑量學(xué)特性測(cè)量及其對(duì)VMAT計(jì)劃的驗(yàn)證

王濤，程秀艷，郭躍信

1.鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射治療部，河南鄭州450000；2.河南省腫瘤醫(yī)院放療科，河南鄭州450000

前言

腫瘤放射治療技術(shù)的快速發(fā)展使得醫(yī)用電子直線加速器越來越廣泛地應(yīng)用于放射治療。三維適形放療、調(diào)強(qiáng)放療、圖像引導(dǎo)放療等新技術(shù)的應(yīng)用對(duì)放射治療的質(zhì)量保證/質(zhì)量控制不斷提出新的要求［1］。容積調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）作為一種新的調(diào)強(qiáng)放療實(shí)現(xiàn)方式，越來越多地應(yīng)用于腫瘤的放射治療。VMAT技術(shù)的復(fù)雜程度對(duì)治療前的質(zhì)量保證和劑量驗(yàn)證要求也越來越高。傳統(tǒng)的膠片驗(yàn)證方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也比較浪費(fèi)資源。三維半導(dǎo)體矩陣在VMAT計(jì)劃的驗(yàn)證上相對(duì)比較簡(jiǎn)便，已廣泛應(yīng)用于VMAT計(jì)劃的劑量驗(yàn)證［2］。本研究旨在對(duì)三維半導(dǎo)體矩陣ArcCheck模體探測(cè)器的劑量學(xué)特性進(jìn)行測(cè)量，對(duì)其性能進(jìn)行分析，從而為放射治療提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究采用Varian Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)、美國Varian RapidArc直線加速器和螺旋形半導(dǎo)體探測(cè)器陣列ArcCheck及其配套的SNC Patient V6.1.1劑量分析軟件。ArcCheck螺旋形半導(dǎo)體探測(cè)器陣列（圖1a）共有1 386個(gè)探測(cè)器，分別植入距離ArcCheck模體中心均為10.4 cm的22塊呈正22邊形排列的印刷電路板上，每塊電路板上等距離分布3列探測(cè)器進(jìn)行三維劑量驗(yàn)證［3］。所采用的探測(cè)器為Sun Nuclear SunPoint?Diode Detectors，探測(cè)器橫截面和靈敏體積分別為0.64 mm2、0.000 019 cm3，臨床上被證明為是最小、最穩(wěn)定、最適合做復(fù)雜調(diào)強(qiáng)計(jì)劃質(zhì)量保證的探測(cè)器。ArcCheck模體是中空的圓柱體，內(nèi)直徑為15.1 cm，外直徑為26.6 cm（圖1b），中空部分可插入測(cè)量使用的套件。

圖1 三維半導(dǎo)體矩陣ArcCheck及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Three-dimensional semiconductor matrix ArcCheck and its internal structure

1.2 ArcCheck模體探測(cè)器劑量學(xué)特性的測(cè)量

1.2.1 重復(fù)性射野大小為27 cm×25 cm，機(jī)架角與機(jī)頭角度均為0°，6 MV X線，劑量率為400 MU/min，機(jī)器跳數(shù)為100 MU，在加速器物理模式下出束，使用SNC Patient V6.1.1劑量分析軟件記錄模體探測(cè)到的絕對(duì)劑量，重復(fù)測(cè)量20次。

1.2.2 能量響應(yīng)射野大小為27 cm×25 cm，機(jī)架角與機(jī)頭角度均為0°，6 MV X線，劑量率為400 MU/min，機(jī)器跳數(shù)分別為5、10、15、20、25、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、600 MU，在加速器物理模式下出束，重復(fù)測(cè)量3次取平均。利用Excel 2003辦公軟件進(jìn)行線性度計(jì)算。

1.2.3 角度響應(yīng)射野大小為27 cm×25 cm，6 MV X線，劑量率為400 MU/min，機(jī)器跳數(shù)為100 MU，機(jī)頭角度為0°，機(jī)架角從180°開始15°等間隔測(cè)量一周至195°，在加速器物理模式下出束，重復(fù)測(cè)量3次取平均。

1.2.4 劑量率響應(yīng)射野大小為27 cm×25 cm，機(jī)架角與機(jī)頭角度均為0°，6 MV X線，機(jī)器跳數(shù)為100 MU，在加速器物理模式下出束，劑量率分別為100、200、300、400、500、600 MU/min，重復(fù)測(cè)量5次取平均值。

1.3 VMAT計(jì)劃驗(yàn)證的測(cè)量

選取鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院自2015年8月到2016年8月的150例病人（其中宮頸癌、食管癌和鼻咽癌各50例）的VMAT計(jì)劃進(jìn)行三維劑量驗(yàn)證，將ArcCheck置于加速器治療床上，對(duì)ArcCheck進(jìn)行本底校準(zhǔn)、矩陣校準(zhǔn)和絕對(duì)劑量校準(zhǔn)。在加速器臨床模式下，按照模體驗(yàn)證計(jì)劃出束。將測(cè)量結(jié)果與治療計(jì)劃進(jìn)行比較，取最大劑量點(diǎn)為歸一點(diǎn)，去除劑量值小于歸一點(diǎn)劑量10%的點(diǎn)，采用絕對(duì)劑量結(jié)合等劑量距離差別的計(jì)算方法，分別取3%/3 mm和2%/2 mm標(biāo)準(zhǔn)得到每個(gè)計(jì)劃的通過率。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

數(shù)據(jù)的處理采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件，曲線的獲取采用Excel 2003辦公軟件。

2 結(jié)果

2.1 重復(fù)性

以20次測(cè)量所得的模體頂部正中探頭的絕對(duì)劑量的平均值歸一，得到重復(fù)性的變化曲線（圖2）。統(tǒng)計(jì)軟件分析得出20次測(cè)量值歸一后的平均值為0.990 6，標(biāo)準(zhǔn)差為0.009 0。

圖2 重復(fù)性的曲線Fig.2 Curve of reproducibility

2.2 能量響應(yīng)

對(duì)機(jī)器跳數(shù)為5～600 MU時(shí)所測(cè)得的模體頂部正中探頭的絕對(duì)劑量做直線回歸（圖3），得到擬合的回歸方程為：

其中，X為機(jī)器跳數(shù)；Y為模體頂部正中探頭的吸收劑量；常數(shù)項(xiàng)為-0.257 5，標(biāo)準(zhǔn)差為0.121 5?；貧w系數(shù)反映了ArcCheck的能量響應(yīng)，其標(biāo)準(zhǔn)差為5.368 7E-4。在機(jī)器跳數(shù)為5～600 MU時(shí)，探頭依然具有十分良好的線性度。

2.3 角度響應(yīng)

在ArcCheck模體上集成所有1 386個(gè)探測(cè)器的22塊印刷電路板（在橫斷面上呈正22邊形分布）?？紤]左右對(duì)稱性，對(duì)ArcCheck頂部左側(cè)縱軸方向上的21個(gè)探測(cè)器在180°～195°內(nèi)的測(cè)量值求平均，以模體測(cè)量的最大值歸一，得到角度響應(yīng)的曲線（圖4）。

圖3 能量響應(yīng)的曲線Fig.3 Curve of energy response

圖4 角度響應(yīng)的曲線Fig.4 Curve of angle response

2.4 劑量率響應(yīng)

將測(cè)量得到的不同劑量率的模體頂部正中探頭的絕對(duì)劑量以治療時(shí)常用的劑量率（400 MU/min）歸一，得到劑量率響應(yīng)的曲線（圖5）。歸一化度數(shù)的平均值為0.997 5，標(biāo)準(zhǔn)差為0.005 5。

圖5 劑量率響應(yīng)的曲線Fig.5 Curve of dose-rate response

2.5 計(jì)劃劑量驗(yàn)證

VMAT計(jì)劃的劑量驗(yàn)證計(jì)劃過程如圖6所示。導(dǎo)入ArcCheck模體（模體的CT圖像由鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院的TomoTherapy的MVCT掃描得到），將患者的治療計(jì)劃移植入ArcCheck模體中，得出模體的VMAT計(jì)劃。

VMAT計(jì)劃ArcCheck劑量驗(yàn)證所得的劑量分布與TPS計(jì)算結(jié)果的比較分析如圖7所示。其中，ArcCheck模體比較的是圓柱體分?jǐn)傞_后的二維劑量分布圖，這相當(dāng)于將圓柱形的模體從一個(gè)位置剪開，攤成一個(gè)平面再與計(jì)劃里的相同平面的劑量分布進(jìn)行比較。

圖6 ArcCheck模體驗(yàn)證計(jì)劃示意圖Fig.6 ArcCheck phantom for VMAT plan verification

圖7 ArcCheck劑量驗(yàn)證分析示意圖Fig.7 Analysis of ArcCheck dose verification

150例患者VMAT計(jì)劃的通過率為：（1）3%/3 mm標(biāo)準(zhǔn)的通過率均值為98.227%，標(biāo)準(zhǔn)差為2.3159；（2）2%/2 mm標(biāo)準(zhǔn)的通過率均值為92.442%，標(biāo)準(zhǔn)差為6.999 8。

3 討論

VMAT計(jì)劃的高度復(fù)雜性決定了其在計(jì)劃執(zhí)行前必須進(jìn)行準(zhǔn)確的劑量驗(yàn)證，以保證計(jì)劃可以準(zhǔn)確實(shí)施。三維半導(dǎo)體矩陣ArcCheck可以直接獲得三維的劑量分布，方便快捷。只有保證ArcCheck模體探測(cè)器的劑量學(xué)特性滿足臨床使用的要求，才可以使用ArcCheck對(duì)VMAT計(jì)劃進(jìn)行劑量驗(yàn)證。本研究的結(jié)果表明：ArcCheck模體探測(cè)器的劑量學(xué)特性良好，滿足臨床使用的要求。

ArcCheck的劑量學(xué)特性中，重復(fù)性偏差為0.990 6±0.009 0，反映了ArcCheck的穩(wěn)定性，而ArcCheck的穩(wěn)定性很大程度上取決于其采用的硅探測(cè)器。硅探測(cè)器連續(xù)重復(fù)15次測(cè)量，每次機(jī)器跳數(shù)60 MU，探測(cè)器的響應(yīng)變化為±0.15%［4］。距標(biāo)定9個(gè)月后，采用該型探測(cè)器的MapCheck的探測(cè)器響應(yīng)變化為±0.2%［5］。部分研究也證明采用SunPoint Diode Detector的探測(cè)器陣列的穩(wěn)定性比空氣電離室陣列好［6-8］。

現(xiàn)代放療已進(jìn)入高精度放療時(shí)代，大劑量少分次成為可能。作為質(zhì)控設(shè)備的探測(cè)器陣列的能量響應(yīng)必須在接受大劑量照射時(shí)仍保持很好的線性度。經(jīng)過直線回歸后的回歸系數(shù)為1.464 3±5.368 7E-4,回歸系數(shù)的變化值越小，證明ArcCheck的能量響應(yīng)越好。本研究中機(jī)器跳數(shù)在5～600 MU時(shí)，探測(cè)器仍具有很好的能量響應(yīng)。文獻(xiàn)［5］報(bào)道ArcCheck所用的探測(cè)器的線性度變化為±0.1%。半導(dǎo)體探測(cè)器在接受很高劑量時(shí)仍可以保持很好的線性度［9-11］。

對(duì)于大體積的靶區(qū)，ArcCheck的角度依賴性是一個(gè)重要的影響因素［3］。本研究測(cè)量所得的探測(cè)器的角度響應(yīng)的曲線符合探測(cè)器表面覆蓋模體材料厚度的變化規(guī)律，與Hrbacek等［12］得到的結(jié)果類似，但本研究所采用的方法更為簡(jiǎn)便，可操作性更強(qiáng)。

VMAT技術(shù)通過調(diào)整單弧或多弧內(nèi)任意角度的多葉準(zhǔn)直器形狀和改變劑量率來實(shí)現(xiàn)靶區(qū)內(nèi)部的劑量均勻性，因此探測(cè)器的劑量率響應(yīng)也是影響VMAT計(jì)劃劑量驗(yàn)證的重要因素。本研究中ArcCheck模體探測(cè)器的劑量率響應(yīng)歸一后平均值為0.9975，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0055，顯示出與劑量率的不相關(guān)性。Létourneau等［4］報(bào)道MapCheck的電離室用Elekta SL20加速器測(cè)量時(shí)，50～600 MU/min劑量率響應(yīng)平均值為0.984。Kozelka等［11］報(bào)道ArcCheck的電離室在Varian Trilogy和TrueBeam加速器測(cè)量時(shí)，50～600 MU/min劑量率響應(yīng)為0.987。均與本研究的測(cè)量值接近。

對(duì)于VMAT計(jì)劃三維驗(yàn)證的γ分析的3%/3 mm標(biāo)準(zhǔn)被廣泛采用［13-15］，TG 119號(hào)報(bào)告中VMAT的平均通過率在Local dose歸一時(shí)3%/3 mm標(biāo)準(zhǔn)和Globally dose歸一時(shí)2%/2 mm標(biāo)準(zhǔn)均大于90%。Fredh等［16］的研究認(rèn)為3%/3 mm的標(biāo)準(zhǔn)可能不夠靈敏，無法檢測(cè)到引入的誤差，認(rèn)為2%/2 mm的標(biāo)準(zhǔn)是更好的，但會(huì)增加發(fā)現(xiàn)不重要錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。因此建議在做病人質(zhì)量保證時(shí)要明確自己想做什么檢測(cè)，找什么樣的誤差。Nelms等［17］也提出目前普遍采用的3%/3 mm標(biāo)準(zhǔn)不足以在計(jì)劃系統(tǒng)驗(yàn)收時(shí)提供最佳的調(diào)試結(jié)果，建議采用更敏感的標(biāo)準(zhǔn)。因此本研究中患者的驗(yàn)證計(jì)劃采用了3%/3 mm和2%/2 mm的雙重標(biāo)準(zhǔn)來衡量，ArcCheck在150例患者VMAT計(jì)劃的通過率在3%/3 mm和2%/2 mm標(biāo)準(zhǔn)時(shí)分別為98.227%和92.442%，均在90%以上，符合VMAT劑量驗(yàn)證的要求。易金玲等［18］報(bào)道了ArcCheck與膠片在鼻咽癌VMAT計(jì)劃劑量驗(yàn)證的結(jié)果沒有明顯差異，說明使用ArcCheck對(duì)復(fù)雜VMAT計(jì)劃進(jìn)行劑量驗(yàn)證的可行性。

ArcCheck探測(cè)器的排列方式為螺旋形排列，這就導(dǎo)致了沒有任何兩個(gè)探頭位于任何單軸面，但在較寬的射野中單環(huán)的縱向位移可以忽略［2］。Kozelka等［11］采用的測(cè)量射野也為27 cm×25 cm，因此盡管ArcCheck模體探測(cè)器的有效測(cè)量長度為21 cm，本研究中所采用的所有射野均為27 cm×25 cm。

對(duì)ArcCheck探測(cè)器的劑量學(xué)特性的測(cè)量證明其各項(xiàng)性能指標(biāo)均能很好地滿足臨床使用的要求，對(duì)VMAT計(jì)劃的驗(yàn)證結(jié)果表明ArcCheck可以作為日常VMAT計(jì)劃劑量驗(yàn)證的工具。