多通道柱狀施源器端到端測(cè)試

北京協(xié)和醫(yī)院 放療科，北京 100730

引言

近距離治療在婦科腫瘤治療中應(yīng)用廣泛，作用不可替代[1-2]。施源器作為近距離治療過程中的劑量實(shí)施載體，其本身的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)將影響最終的劑量分布[3]，因此施源器投入臨床使用前需進(jìn)行物理參數(shù)確認(rèn)及端到端測(cè)試，確保臨床治療的正確實(shí)施，這部分工作也是近距離治療質(zhì)量保證和質(zhì)量控制的關(guān)鍵內(nèi)容[4]。Vargo等[5]的研究表明，在陰道癌治療中，與單通道施源器相比多通道施源器在實(shí)現(xiàn)同等靶區(qū)覆蓋時(shí)能夠顯著降低膀胱、直腸的受量，所以多通道施源器有更廣闊的應(yīng)用前景。但多通道施源器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投入使用前需要明確重建參數(shù)及劑量分布，避免發(fā)生系統(tǒng)性錯(cuò)誤。Gaudreault等[6]研究金屬及塑料材質(zhì)的施源器對(duì)劑量的擾動(dòng)，結(jié)果表明雖然蒙卡模擬過程中，金屬材質(zhì)管道對(duì)劑量的衰減高達(dá)4%，但臨床實(shí)例中由于管道材質(zhì)導(dǎo)致劑量的差異在1%左右，原因在于通道數(shù)量增多后空腔體積和管道材質(zhì)間的補(bǔ)償效應(yīng)。Kim等[7]從圖像引導(dǎo)近距離治療流程質(zhì)控角度分析了可能引入的誤差來源，其中施源器的特性參數(shù)、重建精度以及施源器與導(dǎo)源管的連接總長(zhǎng)度等都將影響最終的劑量分布。因此，本研究通過實(shí)際測(cè)量明確多通道施源器參數(shù)以及基于模板重建施源器可能存在的問題，通過ETE測(cè)試進(jìn)一步明確基于模板重建施源器的劑量分布驗(yàn)證，為后續(xù)治療的精準(zhǔn)實(shí)施提供保障的同時(shí)也為質(zhì)量保證和質(zhì)量控制工作提供方法和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 多通道柱狀施源器

醫(yī)科達(dá)公司生產(chǎn)的多通道柱狀施源器（Nucletron part#110.750）由中間管道和環(huán)周多通道構(gòu)成，施源器有直徑25、30和35 mm三款。以直徑25 mm施源器為例，如圖1所示，環(huán)周六根管道均勻分布，距施源器外表面5 mm。因頂端為球面形設(shè)計(jì)，中間管道可向前多駐留5～8 mm，管道平行于外壁并截止于球面內(nèi)緣。該施源器廣泛用于宮頸癌、子宮內(nèi)膜癌術(shù)后殘端預(yù)防性照射以及陰道病變的治療，聯(lián)合宮腔管可完成宮體照射。采用源模擬尺及放射源拍片的方法對(duì)中間管道及周圍通道內(nèi)軟管進(jìn)行長(zhǎng)度和最遠(yuǎn)駐留點(diǎn)位置的確認(rèn)[8]。

圖1 直徑為25 mm的多通道施源器外觀圖

1.2 3D打印測(cè)量模體

為確保施源器置入的重復(fù)性，提高電離室和膠片相對(duì)于施源器的位置精度，本研究采用的柱形模體是通過3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。該模體由直徑200 mm、長(zhǎng)300 mm的柱形主體和膠片夾持體構(gòu)成，外壁材料為尼龍，厚度為3 mm，設(shè)有閥門，內(nèi)部充滿去離子水。主體及夾持體設(shè)有中心間距30 mm、直徑25 mm的電離室插棒和施源器插槽，可同時(shí)完成點(diǎn)劑量和膠片劑的測(cè)量，是較為理想的端到端（End to End，ETE）測(cè)試用均質(zhì)模體（圖2）。

圖2 圓柱形模體、施源器、膠片和電離室構(gòu)成的ETE模體

1.3 膠片及電離室的刻度

采用井型電離室HDR-1000（standard imaging，美國(guó)）完成放射源活度的校準(zhǔn)。劑量的確定需借助具有均整結(jié)構(gòu)的鐘形施源器（Valentia，醫(yī)科達(dá)公司），其處方深度位于施源器表面下3 mm，該處劑量值為放射源活度與空氣比釋動(dòng)率和駐留時(shí)間的乘積，施源器的衰減因子為0.1659。CC13電離室（IBA，德國(guó)）和EBT3免洗膠片（GafChromic，美國(guó)）置于Valentia施源器下方處方劑量點(diǎn)處進(jìn)行刻度，電離室有效測(cè)量點(diǎn)位于幾何中心。電離室的刻度在點(diǎn)劑量測(cè)量開始前進(jìn)行，僅獲得電荷-劑量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不考慮環(huán)境條件的影響。膠片進(jìn)行剪裁后按照劑量范圍從0～1000 cGy，間隔100 cGy分別進(jìn)行照射，曝光24 h后進(jìn)行讀取，建立劑量-光密度曲線，具體可參考作者前期工作[9]。

1.4 CT掃描和輪廓勾畫

掃描時(shí)將特定位置夾持廢舊膠片并做好標(biāo)記點(diǎn)，用于在CT圖像中識(shí)別膠片并確認(rèn)與模體的相對(duì)位置。重建層厚為1 mm。治療計(jì)劃系統(tǒng)（Treatment Planning System，TPS）內(nèi)勾畫靠近電離室的靶區(qū)1和膠片所在位置的靶區(qū)2，并勾畫膀胱、直腸作為危及器官用于劑量?jī)?yōu)化，見圖3。

圖3 CT圖像掃描及輪廓勾畫

1.5 施源器重建及計(jì)劃設(shè)計(jì)

采用商用TPS（Oncentra V4.1，醫(yī)科達(dá)公司）中施源器庫進(jìn)行施源器添加并完成重建。采用模擬退火算法分別針對(duì)靶區(qū)1和2進(jìn)行優(yōu)化，兩個(gè)靶區(qū)各設(shè)計(jì)3例計(jì)劃，單次劑量分別為5、6和7 Gy[10]，放射源的步進(jìn)長(zhǎng)度為2.5 mm，劑量計(jì)算網(wǎng)格為1 mm3。優(yōu)化完成后記錄每個(gè)計(jì)劃內(nèi)電離室氣腔體積劑量平均值并導(dǎo)出針對(duì)靶區(qū)2計(jì)劃的RT dose文件。

1.6 點(diǎn)、面劑量的獲取和分析

按照CT掃描時(shí)刻的模體構(gòu)成夾入膠片并插入電離室，膠片批次與刻度膠片相同，標(biāo)記參考點(diǎn)后完成通道連接及計(jì)劃執(zhí)行。采用Max4000靜電計(jì)（Standard Imaging，美國(guó)）連接CC13電離室進(jìn)行測(cè)量，按照刻度時(shí)刻電荷劑量的對(duì)應(yīng)關(guān)系將執(zhí)行計(jì)劃過程中靜電計(jì)收集的總電荷量轉(zhuǎn)換成劑量，與對(duì)應(yīng)TPS結(jié)果進(jìn)行比較；膠片通過維達(dá)掃描儀[DosimetryPRO Advantage (Red)TM，美國(guó)]于曝光24 h后進(jìn)行掃描，使用OmniPro I’mRT 1.7軟件（IBA，美國(guó)）完成膠片劑量的轉(zhuǎn)換與TPS輸出的dose Cube中對(duì)應(yīng)層面間的γ分析，以2 mm/2%、10%的劑量閾值、全局歸一下，γ值小于1的點(diǎn)的占比大于95%作為符合度通過的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果

2.1 施源器參數(shù)的確認(rèn)

各參數(shù)實(shí)測(cè)值與施源器說明書中的標(biāo)稱值具有良好的一致性，通過施源器模板庫調(diào)取該施源器時(shí)，相應(yīng)參數(shù)與前兩者略有差異（表1）。采用該模板進(jìn)行施源器重建，將三維顯示的重建起始點(diǎn)到管道外邊界的距離及出源長(zhǎng)度按照實(shí)測(cè)值進(jìn)行修改，管道的重建方向采用“tip end”，“offset”設(shè)為0。

表1 多通道施源器參數(shù)表（mm）

2.2 點(diǎn)劑量測(cè)量結(jié)果

針對(duì)靶區(qū)1和靶區(qū)2，給予不同處方劑量照射，電離室測(cè)量結(jié)果如表2所示。因電離室靠近靶區(qū)1，所以測(cè)量劑量值較高，結(jié)果偏差較小，但隨著處方劑量的增加，偏差有增加的趨勢(shì)；相反，靶區(qū)2計(jì)劃與電離室測(cè)量點(diǎn)位置較遠(yuǎn)，測(cè)量劑量值較小，結(jié)果偏差較大，但測(cè)量結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定。所有點(diǎn)劑量測(cè)量偏差為0.97±0.32%。

表2 電離室測(cè)量結(jié)果

2.3 面劑量測(cè)量結(jié)果

對(duì)PTV2進(jìn)行照射的3例計(jì)劃進(jìn)行了水平面及矢狀面的膠片測(cè)量，矢狀面測(cè)量結(jié)果與計(jì)劃系統(tǒng)面劑量分布符合良好，γ通過率分別為97.4%、98.2%和98.8%。水平面由于膠片中間開孔處無劑量以及剪裁邊緣破損，影響通過率。若將此區(qū)域?yàn)V過，則通過率分別為99.3%、98.4%和98.7%。其中5 Gy處方計(jì)劃的膠片分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 膠片與TPS的面劑量分布γ分析結(jié)果

由于施源器需穿過膠片，所以剪裁后膠片中間長(zhǎng)度25 mm區(qū)域無劑量。矢狀位因測(cè)量位置接近模體邊緣，測(cè)量區(qū)域相對(duì)較小如圖5所示。

圖5 面劑量分布比較

3 討論

目前，多數(shù)近距離治療TPS采用AAPM TG43號(hào)報(bào)告[11]所述的放射源劑量學(xué)參數(shù)模擬在水中進(jìn)行劑量分布計(jì)算，并未考慮物質(zhì)密度對(duì)劑量分布的影響。因此，本研究所設(shè)計(jì)的柱形模體為中空設(shè)計(jì)，需灌水使用，3D打印技術(shù)生成3 mm厚的外壁，材料采用高強(qiáng)度的尼龍近似水等效，避免因?yàn)槟ｓw本身密度問題導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果與TPS計(jì)算之間偏差較大，但由于加工限制，電離室插棒及膠片夾持裝置位置和大小有待完善。

施源器作為劑量實(shí)施載體，其本身的結(jié)構(gòu)、物理參數(shù)、劑量特性及連接方式等在投入使用前需要確認(rèn)。其中重建起始點(diǎn)到第一駐留點(diǎn)的距離為offset長(zhǎng)度，若設(shè)置錯(cuò)誤會(huì)帶來系統(tǒng)性劑量誤差[12]。施源器的重建方式有手動(dòng)描跡和基于模板庫的重建以及最新開展的基于人工智能的自動(dòng)重建[13]。對(duì)于宮頸癌常用的Fletcher三管道施源器，因幾何關(guān)系不固定且管道數(shù)量較少，首選手動(dòng)描跡并指定相應(yīng)的offset值。而環(huán)形施源器由于結(jié)構(gòu)原因手動(dòng)描跡重建可能導(dǎo)致誤差較大。Hellebust等[14]針對(duì)施源器重建精度對(duì)劑量分布影響的研究表明，近源處每毫米的重建誤差將導(dǎo)致劑量變化8%～12%。對(duì)于多通道柱狀施源器，通道數(shù)量通常為7～10根，手動(dòng)描跡比較耗時(shí)，而且周圍管道前端在CT/MR圖像上難以分辯，所以采用模板庫重建優(yōu)勢(shì)明顯。而此時(shí)重建起始點(diǎn)及offset值取決于模板及施源器的符合度，所以應(yīng)用模板重建施源器的實(shí)際劑量分布有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

192Ir放射源最高能量為602 KeV，平均能量為370 KeV，近源處劑量極高。隨著距離的增加，劑量的跌落與距離的平方近似成反比。因此，采用電離室進(jìn)行劑量測(cè)量時(shí)能量響應(yīng)和體積平均效應(yīng)問題尤為凸顯。通常指形電離室用于192Ir放射源輻射場(chǎng)的測(cè)量，刻度因子由250 KeV和60Co內(nèi)插獲得。Bondel等[15]的研究表明，內(nèi)插處理可將刻度因子的不確定度降低至1%以內(nèi)。本研究采用CC13小體積電離室降低了體積平均效應(yīng)的影響，而且通過井型電離室確定源活度后利用Valentia施源器得到平坦野輸出，完成電離室及膠片的刻度，達(dá)到了同源刻度與測(cè)量，提高了刻度的準(zhǔn)確性。經(jīng)過均整后的射束線質(zhì)略有硬化，對(duì)CC13電離室及膠片的影響較小。對(duì)于靶區(qū)1的三個(gè)計(jì)劃，電離室所處位置劑量高、劑量梯度較大，測(cè)量結(jié)果雖然偏差相對(duì)較小但差異較大。而靶區(qū)2遠(yuǎn)離電離室，對(duì)電離室的劑量貢獻(xiàn)相對(duì)較低，而且梯度不明顯，所以測(cè)量偏差稍大，趨勢(shì)較為一致。

EBT3免洗膠片具有能響寬泛、劑量測(cè)量范圍廣及分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于放射治療設(shè)備質(zhì)控和面劑量測(cè)量工作中。Oare等[16]通過3D打印自制模體并通過膠片驗(yàn)證3D打印材料相對(duì)于水的劑量沉積特性，他們的結(jié)果表明在192Ir輻射場(chǎng)下進(jìn)行EBT3膠片的刻度，經(jīng)修正后測(cè)量與計(jì)算間的平均劑量偏差在1%以內(nèi)，且掃描儀不同顏色光源之間無顯著差異。本研究所采用的維達(dá)掃描儀光源為單一紅光，故未做修正。大多數(shù)劑量分布測(cè)量研究采用施源器與膠片平行放置測(cè)量冠狀面劑量分布[17-18]，本研究通過膠片開孔測(cè)量與施源器長(zhǎng)軸方向垂直的層面劑量分布，但由于剪裁等原因?qū)е驴拷┰雌鬟吘壍哪z片測(cè)量單元破壞嚴(yán)重，該處劑量無法準(zhǔn)確測(cè)量。對(duì)于近距離劑量分布分析中γ通過率標(biāo)準(zhǔn)目前尚無統(tǒng)一定論，AAPM TG-218報(bào)告[19]推薦了調(diào)強(qiáng)放射治療通過率限值，以3%/2 mm為標(biāo)準(zhǔn)、10%的劑量閾值時(shí)通過率不低于90%，對(duì)于立體定向放射外科和立體定向體放射治療的計(jì)劃要求更加嚴(yán)格。本研究采用2%/2 mm為標(biāo)準(zhǔn)，通過率要求大于95%，較為折中。

ETE測(cè)量是整個(gè)技術(shù)應(yīng)用過程中量化系統(tǒng)誤差的有效手段。對(duì)于新施源器投入臨床使用前，需要對(duì)很多參數(shù)及綜合劑量誤差進(jìn)行驗(yàn)證，包括源活度、放射源到位精度、計(jì)時(shí)器精度、管道連接長(zhǎng)度、TPS算法、參數(shù)設(shè)置以及施源器重建精度等。Bassi等[20]通過3D打印模體完成多中心近距離治療的ETE驗(yàn)證，電離室和熱釋光劑量?jī)x的誤差分別為0.5%和2.5%，EBT3膠片平均通過率大于95%，與本研究結(jié)果一致。對(duì)于多通道施源器，ETE測(cè)試主要驗(yàn)證模板重建施源器的可靠性，本研究結(jié)果也充分說明了這一點(diǎn)，結(jié)論有一定的推廣價(jià)值。

綜上所述，本文報(bào)道了通過自制模體進(jìn)行多通道施源器投入臨床使用前的端到端測(cè)試方法，實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)劃內(nèi)劑量一致，充分說明了通過模板重建施源器過程中所配置的施源器各項(xiàng)參數(shù)準(zhǔn)確，劑量實(shí)施精準(zhǔn)，為該施源器投入臨床使用提供了數(shù)據(jù)支持，希望本研究的方法及結(jié)果能夠?qū)ν袀兊墓ぷ饔兴鶐椭?/p>