基于調(diào)強(qiáng)放療射野下的二維電離室矩陣探測(cè)器的方向性響應(yīng)研究

李立芳 翟賀爭(zhēng) 王永志 明鑫 韓寶林

1天津市寶坻區(qū)人民醫(yī)院放療科，天津醫(yī)科大學(xué)寶坻臨床學(xué)院放療科301800；2中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所，輻射檢測(cè)與評(píng)價(jià)中心，天津300192；3天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院 300072；4天津醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院300070

0 引言

調(diào)強(qiáng)放射治療（intensity modulated radiation therapy，IMRT）技術(shù)作為腫瘤精準(zhǔn)治療的先進(jìn)放射治療方式之一，能夠給予腫瘤靶區(qū)準(zhǔn)確的輻射劑量，從而有效控制腫瘤的生長(zhǎng)。IMRT獨(dú)特的性質(zhì)之一是把腫瘤靶區(qū)分割成多個(gè)小照射野進(jìn)行出束照射，并調(diào)制出強(qiáng)度不均勻的射線分布，從而得到更適形的靶區(qū)劑量分布。近些年來，IMRT、容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)等技術(shù)在臨床上得到了廣泛應(yīng)用，腫瘤治療效果得以提升。目前IMRT放療技術(shù)的主要特點(diǎn)是臨床中射野分隔應(yīng)用廣泛，而照射野在不同機(jī)架角度下的平面劑量分布問題、放療照射野劑量的準(zhǔn)確度問題是研究者關(guān)注的重點(diǎn)。新型放療技術(shù)對(duì)患者治療前的質(zhì)量保證體系的要求更加嚴(yán)格。其中，有效的劑量驗(yàn)證方法和小照射野的劑量驗(yàn)證是相關(guān)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。

近些年發(fā)展起來的平面劑量驗(yàn)證工具——二維矩陣探測(cè)器，因其使用簡(jiǎn)單便捷、準(zhǔn)確高效等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于IMRT的質(zhì)量保證過程中[2-5]，確保了腫瘤治療計(jì)劃的順利實(shí)施。然而，二維矩陣探測(cè)器作為劑量學(xué)工具，其結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特性，國(guó)內(nèi)尚未出臺(tái)與其相關(guān)的質(zhì)量控制檢測(cè)規(guī)范，大部分醫(yī)療機(jī)構(gòu)或研究機(jī)構(gòu)均依據(jù)廠家提供的校準(zhǔn)因子對(duì)患者的臨床劑量進(jìn)行測(cè)量。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)二維矩陣探測(cè)器的劑量學(xué)特性的測(cè)試和臨床的研究，主要是將其作為常規(guī)的劑量探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量[6-7]。截至目前，關(guān)于二維矩陣探測(cè)器的方向性響應(yīng)的劑量學(xué)測(cè)試研究較少。筆者結(jié)合臨床患者治療計(jì)劃的驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)和目前所具備的Seven29二維電離室矩陣探測(cè)器，選取部分探測(cè)器作為研究對(duì)象，研究其在IMRT技術(shù)照射下的二維電離室矩陣探測(cè)器探頭在不同照射角度下的劑量方向響應(yīng)，以期建立一套對(duì)其方向性測(cè)試的方法，為后續(xù)相關(guān)計(jì)量部門對(duì)其質(zhì)量控制打下基礎(chǔ)，也為相關(guān)醫(yī)療機(jī)構(gòu)、放射技術(shù)服務(wù)機(jī)構(gòu)及研究單位對(duì)探測(cè)器劑量學(xué)性能測(cè)試提供一定的方法依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要材料與儀器

RW3固體水模體（面積為30 cm×30 cm，厚度分別為 1、2、5和 10 mm）（德國(guó) PTW 公司）。

T30013 0.6 cm3電離室、Seven29二維電離室矩陣探測(cè)器、UNIDOS E通用劑量計(jì)、加速器常規(guī)刻度標(biāo)準(zhǔn)水箱（德國(guó)PTW公司），Precise型醫(yī)用電子直線加速器、前向指針（瑞典Elekta公司）。所用醫(yī)用電子直線加速器能夠?qū)嵤㊣MRT，且該設(shè)備的年檢各項(xiàng)指標(biāo)符合國(guó)家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求（天津市疾病預(yù)防控制中心檢驗(yàn)報(bào)告編號(hào)：2018ZW-ZK-LA-03）。

1.2 方法

1.2.1 研究對(duì)象選取

所使用的矩陣探測(cè)器的參數(shù)指標(biāo)見表1。二維電離室矩陣探測(cè)器各電離室探頭AB方向?yàn)镃1～C27，TG方向?yàn)镽1～R27。選取探測(cè)器的13個(gè)電離室探頭為主要研究對(duì)象，其分布如圖1所示，各測(cè)量點(diǎn)及坐標(biāo)見表2。

表1 Seven29二維電離室矩陣探測(cè)器的參數(shù)指標(biāo)

1.2.2 設(shè)備的刻度與校準(zhǔn)方法

（一）醫(yī)用加速器的刻度與校準(zhǔn)

使用UNIDOSE劑量?jī)x（計(jì)量校準(zhǔn)因子Nx＝104.8）、0.6 cm3電離室和標(biāo)準(zhǔn)水箱對(duì)醫(yī)用加速器進(jìn)行常規(guī)劑量校準(zhǔn)。在源皮距為100 cm、照射野為10 cm×10 cm的標(biāo)準(zhǔn)條件下，確保最大劑量點(diǎn)處100 MU＝100 cGy[8]。同時(shí)，保證醫(yī)用加速器的輸出劑量值和劑量?jī)x的測(cè)量值滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)重復(fù)性的要求。

（二）醫(yī)用加速器機(jī)架旋轉(zhuǎn)等中心的測(cè)定

采用醫(yī)用加速器標(biāo)配的前向指針和等中心測(cè)量?jī)x對(duì)醫(yī)用加速器機(jī)架旋轉(zhuǎn)等中心進(jìn)行測(cè)試，如圖2所示。應(yīng)保證在不同機(jī)架角度條件下，前向指針與等中心位置偏差≤1.0 mm。

（三）二維電離室矩陣探測(cè)器的刻度與校準(zhǔn)

根據(jù)探測(cè)器的說明書完成相對(duì)校準(zhǔn)，并在測(cè)量過程中進(jìn)行溫度、氣壓校準(zhǔn)。在測(cè)量之前，對(duì)二維電離室矩陣探測(cè)器進(jìn)行大射野、大劑量照射，使所有探頭達(dá)到電子平衡。因?yàn)樵诙S電離室矩陣探測(cè)器出廠前，生產(chǎn)廠家已利用60Co射線對(duì)其729個(gè)電離室進(jìn)行了水下吸收劑量校準(zhǔn)。因此，僅需對(duì)其中心電離室探頭進(jìn)行校準(zhǔn)。在源皮距為100 cm、照射野為10 cm×10 cm的條件下，分別將二維電離室矩陣探測(cè)器的中心探頭、0.6 cm3電離室的有效測(cè)量點(diǎn)放置在水下5.0 cm處，測(cè)量?jī)烧叩奈談┝浚⒈容^其結(jié)果。將得到的0.6 cm3電離室對(duì)二維電離室矩陣探測(cè)器的水下吸收劑量校準(zhǔn)因子輸入到二維電離室矩陣探測(cè)器配套的測(cè)量軟件中。然后，隨機(jī)挑選二維電離室矩陣探測(cè)器的3～5個(gè)探頭，并分別在水下5.0 cm下進(jìn)行計(jì)量測(cè)量，驗(yàn)證二維電離室矩陣探測(cè)器的各探頭讀數(shù)的一致性。

1.2.3 0.6 cm3電離室的方向性響應(yīng)測(cè)試

0.6 cm3電離室的方向性響應(yīng)指加速器機(jī)架的改變對(duì)加速器輸出劑量的影響，該測(cè)試可反映醫(yī)用加速器在其機(jī)架為不同角度下，輸出劑量的一致性。測(cè)試時(shí)，先給0.6 cm3電離室戴上平衡帽，將其固定在床面上并使其探出床面，將電離室的有效測(cè)量點(diǎn)放置在醫(yī)用加速器機(jī)架旋轉(zhuǎn)等中心位置。在6 MV光子線、照射野為10cm×10cm、輸出劑量為200MU、劑量率為300 MU/min的條件下，分別測(cè)量機(jī)架角度為 0°、15°、30°、45°、60°、-15°、-30°、-45°和-60°時(shí)，醫(yī)用加速器的輸出劑量。每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)測(cè)量5次，記錄輸出值的最大值和最小值，并將測(cè)試結(jié)果取平均值。最大偏差的計(jì)算方法為

圖1 二維電離室矩陣探測(cè)器測(cè)量探頭分布

表2 探測(cè)器選取測(cè)量點(diǎn)及坐標(biāo)

圖2 醫(yī)用加速器機(jī)架旋轉(zhuǎn)等中心測(cè)定

1.2.4 二維電離室矩陣探測(cè)器的方向性響應(yīng)測(cè)試

基于0.6 cm3電離室的方向性響應(yīng)測(cè)試結(jié)果，在保證醫(yī)用加速器機(jī)架角度改變對(duì)其輸出劑量的影響很小的前提下，進(jìn)行二維電離室矩陣探測(cè)器的方向性響應(yīng)測(cè)試。以固體水模體覆蓋二維電離室矩陣探測(cè)器的上方與下方。下方的固體水模體厚度為3 cm；經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和計(jì)算，確定上方固體水模體的厚度，使每次測(cè)試時(shí)探測(cè)器的有效測(cè)量距離均為5.0 cm，即使二維電離室矩陣探測(cè)器探頭的有效測(cè)量中心到模體上表面射線中心軸入射點(diǎn)的等效水距離始終為5.0 cm，如圖3所示。采取等中心的方法，以二維電離室矩陣探測(cè)器自帶的標(biāo)記點(diǎn)為參考點(diǎn)，以機(jī)架0°時(shí)的射線中心軸為軸，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)二維電離室矩陣探測(cè)器。將正常擺位定義為0°，選取0°、45°、90°和 135°四個(gè)位置，每個(gè)位置分別在機(jī)架角度為 60°、45°、30°、15°、0°、-15°、-30°、-45°和-60°條件下，對(duì)選取的矩陣探測(cè)器探頭進(jìn)行照射。測(cè)試條件為：6 MV光子線、3.0 cm×3.0 cm平野、輸出劑量200 MU、劑量率300 MU/min。每次測(cè)試1個(gè)探頭，每個(gè)探頭測(cè)量5次，結(jié)果取平均值。各角度下二維電離室矩陣探測(cè)器的方向性響應(yīng)如圖4所示。

1.2.5 二維電離室矩陣探測(cè)器的穩(wěn)定性測(cè)試

二維電離室矩陣探測(cè)器的穩(wěn)定性是其在測(cè)量條件不變的情況下，在某個(gè)持續(xù)時(shí)間段內(nèi)得到的測(cè)量值的偏差。為反映二維電離室矩陣探測(cè)器對(duì)醫(yī)用加速器輸出劑量測(cè)試的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，對(duì)選取的13個(gè)二維電離室矩陣探測(cè)器的電離室探頭開展長(zhǎng)期測(cè)試，在5個(gè)月內(nèi)共進(jìn)行10組測(cè)試，每組測(cè)試重復(fù)測(cè)量5次，結(jié)果取平均值。穩(wěn)定性測(cè)試的條件為：6 MV光子線、25.0 cm×25.0 cm平野、輸出劑量200 MU、劑量率300 MU/min、源皮距100 cm。最后將得到的每個(gè)探頭的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行自歸一化處理，得到輸出計(jì)量偏差，即（測(cè)量值-平均值）/平均值×100%。

2 結(jié)果

2.1 0.6 cm3電離室在不同射野角度下的劑量響應(yīng)

0.6 cm3電離室的方向性響應(yīng)特性結(jié)果見表3。0.6 cm3電離室所測(cè)得的結(jié)果顯示，醫(yī)用加速器機(jī)架角度改變對(duì)其輸出劑量基本無影響。

2.2 二維電離室矩陣探測(cè)器的方向性響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

二維電離室矩陣探測(cè)器的13個(gè)電離室探頭所測(cè)得不同射野角度下的劑量結(jié)果如圖5所示。結(jié)果顯示，輸出計(jì)量最大偏差僅為0.63%。

圖3 二維電離室矩陣探測(cè)器的測(cè)試擺位

圖4 各射野角度下二維電離室矩陣探測(cè)器的方向性響應(yīng)

表3 0.6 cm3電離室方向性響應(yīng)測(cè)試結(jié)果（Gy/min）

圖5 不同射野角度下二維電離室矩陣探測(cè)器電離室探頭的讀數(shù)

進(jìn)一步對(duì)不同射野角度下，二維電離室矩陣探測(cè)器的電離室探頭測(cè)得的平均值進(jìn)行歸一化處理。以正常擺位、機(jī)架0°時(shí)，C14R14電離室探頭測(cè)得的平均值為參考值，對(duì)其他測(cè)點(diǎn)的平均值進(jìn)行歸一化處理。歸一化計(jì)算方法為測(cè)量平均值除以參考值。結(jié)果表明，選取的各電離室探頭的測(cè)量平均值相對(duì)于參考值，偏差均＜0.50%（圖6）。

圖6 不同射野角度下二維電離室矩陣探測(cè)器電離室探頭的測(cè)量值偏差

2.3 二維電離室矩陣探測(cè)器的穩(wěn)定性結(jié)果

在5個(gè)月內(nèi)，使用二維電離室矩陣探測(cè)器對(duì)醫(yī)用加速器的輸出計(jì)量進(jìn)行了10次測(cè)試。結(jié)果表明，所選取的13個(gè)二維電離室矩陣探測(cè)器的探頭的測(cè)量穩(wěn)定性均較好，偏差均＜0.41%。

3 討論與結(jié)論

IMRT技術(shù)已普遍應(yīng)用于臨床，治療前對(duì)IMRT計(jì)劃進(jìn)行驗(yàn)證，是IMRT質(zhì)量控制的重點(diǎn)[9]。隨著新型放療設(shè)備的發(fā)展，越來越多的質(zhì)控設(shè)備應(yīng)用于放療質(zhì)量控制中。二維電離室矩陣探測(cè)器因其方便、快捷、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，已在放療計(jì)劃驗(yàn)證中得到廣泛應(yīng)用[10-11]。研究者對(duì)二維電離室矩陣探測(cè)器測(cè)量的重復(fù)性、穩(wěn)定性、劑量率依賴性、劑量響應(yīng)線性等劑量學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明其具有良好的劑量學(xué)特性[6-7]。但是，作為放射劑量學(xué)設(shè)備，在使用前對(duì)二維電離室矩陣探測(cè)器的自身質(zhì)量進(jìn)行控制，也是必不可少的。

目前，在使用體模進(jìn)行IMRT計(jì)劃驗(yàn)證時(shí)，通常將所有射野入射角歸一到0°，即采用垂直照射二維電離室矩陣探測(cè)器的方式進(jìn)行測(cè)量。但是，由于醫(yī)用加速器的多葉光柵可能受到機(jī)架角度、重力等因素影響，導(dǎo)致產(chǎn)生位置誤差。而將射野歸一到0°的測(cè)量方法很難發(fā)現(xiàn)這種微小誤差所造成的劑量分布變化。因此，按照射野實(shí)際角度進(jìn)行劑量分布驗(yàn)證更接近真實(shí)的治療情況，這就對(duì)二維電離室矩陣探測(cè)器探頭的方向性響應(yīng)提出了要求。本研究結(jié)果顯示，所用醫(yī)用加速器在不同機(jī)架角度下的輸出差異僅為0.18%，說明該醫(yī)用加速器在不同機(jī)架角度下的輸出相對(duì)穩(wěn)定，可排除醫(yī)用加速器機(jī)架角度改變對(duì)輸出劑量的影響。當(dāng)然，此項(xiàng)測(cè)試的前提條件是0.6 cm3電離室的方向性響應(yīng)良好[12]。

此外，醫(yī)用加速器輸出劑量的重復(fù)性和劑量測(cè)試儀的測(cè)量重復(fù)性也應(yīng)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以便盡量減小實(shí)驗(yàn)設(shè)備本身引入的誤差。醫(yī)用加速器的輸出劑量穩(wěn)定性與二維電離室矩陣探測(cè)器的測(cè)量穩(wěn)定性是本研究成功實(shí)施的基本條件。翟賀爭(zhēng)等[6]對(duì)二維電離室矩陣探測(cè)器的光子劑量學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在60Co γ射線治療機(jī)照射下，二維電離室矩陣探測(cè)器的測(cè)量偏差＜0.5%。本研究中，所測(cè)試二維電離室矩陣探測(cè)器在所用醫(yī)用加速器照射下，其各電離室探頭的測(cè)量偏差＜0.41%，說明其具有很好的測(cè)量穩(wěn)定性，可以保證多次反復(fù)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

Li[13]等的研究結(jié)果表明，其測(cè)試的二維半導(dǎo)體矩陣探測(cè)器的中心探頭在 0°～80°和 100°～180°范圍內(nèi)的方向性響應(yīng)偏差＜1%，表明在二維半導(dǎo)體矩陣探測(cè)器周圍附加一定厚度的固體水模，并避開與探測(cè)器平面平行的照射野，二維半導(dǎo)體矩陣探測(cè)器可滿足IMRT計(jì)劃驗(yàn)證的需求。王學(xué)濤等[14]通過對(duì)MatriXX二維電離室矩陣探測(cè)器的角度響應(yīng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)射線入射角度在-60°～60°時(shí)，劑量的角度響應(yīng)變化不明顯，偏差＜2%。

本研究中所采用的二維電離室矩陣探測(cè)器的方向性響應(yīng)測(cè)試方法是采用3.0 cm×3.0 cm照射野從不同角度對(duì)二維電離室矩陣探測(cè)器的探頭進(jìn)行照射，該方法的特點(diǎn)是：射野面積較小，側(cè)向散射影響少；射線從不同方向入射，可避免鄰近電離室探測(cè)器探頭的阻擋；各電離室探測(cè)器探頭體積僅為0.125 cm3，滿足照射野劑量測(cè)量的要求；通過改變固體水模厚度，使射線入射點(diǎn)到探頭有效距離一致。結(jié)果表明，所測(cè)得的醫(yī)用加速器輸出劑量隨角度的變化不明顯，差異均≤0.63%，該測(cè)量結(jié)果優(yōu)于文獻(xiàn)[13-14]報(bào)道的結(jié)果?？赡艿脑蛴?點(diǎn)：一是上述兩項(xiàng)研究主要以臨床的劑量驗(yàn)證為出發(fā)點(diǎn)，而本研究是在醫(yī)用加速器物理模式下出束，結(jié)合實(shí)際情況研究矩陣探測(cè)器的方向性響應(yīng)；二是所使用的矩陣探測(cè)器的結(jié)構(gòu)不同，本研究中使用的探測(cè)器外形為立方體，可近似看作球型，其4個(gè)方向的角度相應(yīng)一致性較好。此外，本研究中所測(cè)得各電離室探頭的測(cè)量值與中心探頭測(cè)量值的歸一性偏差＜0.50%，該精確度符合國(guó)際電工委員會(huì)[15]和《治療水平電離室劑量計(jì)檢定規(guī)程》(JJG 912—2010)[16]中對(duì)治療水平電離室的方向性的相關(guān)要求。

本研究結(jié)合臨床實(shí)際工作，從IMRT照射野劑量測(cè)量出發(fā)，對(duì)二維電離室矩陣探測(cè)器的方向性響應(yīng)進(jìn)行了研究。一方面對(duì)其性能加深了理解，另一方面建立了一種簡(jiǎn)單易行的測(cè)試方法。結(jié)果表明，所研究的二維電離室矩陣探測(cè)器具有良好的方向性響應(yīng)。然而，本研究中僅對(duì)二維電離室矩陣探測(cè)器的729個(gè)電離室探頭中的13個(gè)進(jìn)行了測(cè)試，在代表性上尚有一定局限性，且方向性響應(yīng)結(jié)果也包含了醫(yī)用加速器自身機(jī)架角偏轉(zhuǎn)的誤差，在后續(xù)研究中，將對(duì)該二維電離室矩陣探測(cè)器在γ射線下的方向性性能進(jìn)行更加完善的測(cè)試。研究過程中，發(fā)現(xiàn)無法對(duì)單個(gè)電離室探頭進(jìn)行測(cè)試，因此單向散射可能對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響。同時(shí)，僅選擇照射野為3.0 cm×3.0 cm、入射角度-60°至 60°條件進(jìn)行測(cè)量，此外也未對(duì)加速器的輸出因子進(jìn)行擬合，后續(xù)也將進(jìn)一步探討不同射野大小下的矩陣探測(cè)器的劑量學(xué)性能。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突