碳離子被動(dòng)束掃描劑量驗(yàn)證計(jì)劃中不同網(wǎng)格大小對(duì)劑量驗(yàn)證通過率的影響

張福元 馬霄云 孟萬斌 盧小麗 張雁山

(甘肅省武威腫瘤醫(yī)院放療科，甘肅 武威 733000)

作為放射治療中的新技術(shù),重離子束治療惡性腫瘤與其他放療方法相比，具有獨(dú)特的物理學(xué)和生物學(xué)方面的優(yōu)勢(shì)。重離子治療計(jì)劃中的生物有效劑量已得到有效驗(yàn)證，也就是說重離子治療計(jì)劃的可靠性也能得到有效驗(yàn)證[1-2]。但是在放射治療臨床實(shí)踐中，為了驗(yàn)證每一個(gè)單獨(dú)的放療計(jì)劃，放射物理師需要特別關(guān)注其中物理劑量的測(cè)量及驗(yàn)證。但目前尚缺乏碳離子被動(dòng)束掃描劑量驗(yàn)證計(jì)劃中關(guān)于劑量驗(yàn)證通過率與計(jì)算網(wǎng)格大小相關(guān)性的研究。

碳離子放療劑量驗(yàn)證是碳離子放療質(zhì)量的重要一環(huán)[3]，對(duì)保證碳離子放療的安全和療效非常重要。目前我國(guó)重離子放療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，雖然結(jié)合了國(guó)外重離子中心的經(jīng)驗(yàn)和我國(guó)的實(shí)際情況，但仍然缺乏關(guān)于碳離子放療計(jì)劃劑量驗(yàn)證方面的系統(tǒng)指南以及驗(yàn)證的具體工具或方法，對(duì)驗(yàn)證結(jié)果的解讀、臨床意義及驗(yàn)證不通過的原因分析、處理措施等研究報(bào)道也不多。參考目前成熟的光子計(jì)劃驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)、國(guó)內(nèi)同行所做計(jì)算網(wǎng)格對(duì)計(jì)劃驗(yàn)證的相關(guān)研究以及碳離子劑量驗(yàn)證分析文獻(xiàn)報(bào)道[3-6]，我中心自籌備醫(yī)用碳離子治療系統(tǒng)之初就一直探討碳離子劑量驗(yàn)證問題，先后嘗試了電離室結(jié)合膠片及固體水[7-8]、CiDose劑量驗(yàn)證軟件結(jié)合電離室及三維水箱[9-13]、PTW1500XDR矩陣電離室結(jié)合固體水等多種方法，對(duì)重離子被動(dòng)束掃描劑量驗(yàn)證計(jì)劃的物理劑量進(jìn)行驗(yàn)證。由于前兩種驗(yàn)證方法耗時(shí)費(fèi)力，工作量大，占用束流時(shí)間長(zhǎng)，在考慮了精確度、效率、成本等綜合因素后，目前我中心采用的是PTW1500XDR矩陣電離室結(jié)合固體水及VeriSoft驗(yàn)證軟件進(jìn)行劑量驗(yàn)證。目前重離子劑量驗(yàn)證計(jì)劃普遍采用2、3、4 mm網(wǎng)格大小來進(jìn)行劑量計(jì)算，不同網(wǎng)格大小所花費(fèi)的計(jì)算時(shí)間不同，但是對(duì)于劑量驗(yàn)證通過率的影響目前尚缺乏系統(tǒng)的研究報(bào)道。本研究旨在確保有效性的前提下，探索計(jì)算網(wǎng)格大小對(duì)劑量驗(yàn)證通過率的影響，以期改進(jìn)重離子放療劑量驗(yàn)證工作的效率。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

選取甘肅省武威腫瘤醫(yī)院重離子中心2021年4月12日患者待驗(yàn)證后上機(jī)的20個(gè)射野并制作驗(yàn)證計(jì)劃。所有射野均為固定能量檔位的被動(dòng)束掃描射野，能量分別為190、260、330、400 MeV/u，所有射野均采用高密度聚乙烯材料制作的組織補(bǔ)償器進(jìn)行腫瘤末端適形，射束方向?yàn)?°或90°束流方向。

1.2 儀器設(shè)備

重離子治療計(jì)劃系統(tǒng)(TPS)CiPlan由中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所研發(fā)， PTW1500XDR矩陣電離室、固體水、VeriSoft 7.2軟件均由德國(guó)PTW公司研發(fā)或生產(chǎn)。

1.3 研究方法

本研究采用29片層厚10 mm的固體水和PTW1500XDR矩陣電離室及VeriSoft 7.2軟件對(duì)20個(gè)射野進(jìn)行驗(yàn)證[14-17]。PTW1500XDR有效探測(cè)點(diǎn)為1 405個(gè)，有效測(cè)量點(diǎn)位于表面下8.5 mm，即驗(yàn)證深度分布為8.5～138.5 mm，射野物理劑量分布為0.644～3.025 Gy。

將每個(gè)射野中的射束能量、物理劑量、光柵數(shù)據(jù)、脊形過濾器、射程移位器、補(bǔ)償器等參數(shù)拷貝至29片固體水緊密疊在一起形成的模體上生成驗(yàn)證計(jì)劃，每個(gè)射束選擇一個(gè)測(cè)量位置，位于劑量峰區(qū)附近，驗(yàn)證計(jì)劃生成后傳輸?shù)脚R床治療系統(tǒng)后進(jìn)行測(cè)量。將PTW1500XDR矩陣電離室的測(cè)量值與TPS計(jì)劃值進(jìn)行劑量學(xué)比較，從而對(duì)射野的劑量分布進(jìn)行評(píng)估[7-8]。

參考光子調(diào)強(qiáng)放療劑量驗(yàn)證實(shí)踐指南[3]，使用2、3、4 mm的計(jì)算網(wǎng)格作為條件分別計(jì)算所有射野的驗(yàn)證計(jì)劃，使用PTW1500XDR矩陣電離室在同一層測(cè)量單層劑量的通過率，對(duì)比不同網(wǎng)格大小下劑量驗(yàn)證通過率的變化，并記錄不同網(wǎng)格下劑量計(jì)算時(shí)間。

2 結(jié) 果

2.1 不同計(jì)算網(wǎng)格大小的劑量驗(yàn)證通過率比較

在2、3、4 mm計(jì)算網(wǎng)格下，碳離子被動(dòng)束掃描劑量驗(yàn)證計(jì)劃的劑量驗(yàn)證通過率分別為(97.29±3.13)%、(97.70±2.64)%、(98.02±2.44)%，三組比較差異無顯著性(P>0.05)。碳離子被動(dòng)束掃描劑量驗(yàn)證計(jì)劃的劑量驗(yàn)證通過率均大于90%。

2.2 不同計(jì)算網(wǎng)格大小的劑量計(jì)算時(shí)間比較

2、3、4 mm計(jì)算網(wǎng)格下碳離子被動(dòng)束掃描劑量驗(yàn)證計(jì)劃的劑量計(jì)算時(shí)間分別為(68.05±5.06)、(35.50±3.56)、(28.55±3.75)s，不同計(jì)算網(wǎng)格之間進(jìn)行比較差異有顯著性(H=41.616，P<0.05)。

3 討 論

重離子治療與光子治療不同，其使用能量高達(dá)120～400 MeV/u，且重離子束具有獨(dú)特的倒轉(zhuǎn)深度劑量分布，呈Bragg曲線分布。重離子治療計(jì)劃系統(tǒng)通過對(duì)離子束的能量調(diào)節(jié)能精確地將高劑量區(qū)集中在腫瘤靶區(qū)，其劑量計(jì)算部分的實(shí)現(xiàn)方式與束流配送系統(tǒng)相關(guān)[17]。重離子治療終端劑量校準(zhǔn)系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著對(duì)束流照射劑量的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和控制任務(wù)[18]。重離子每個(gè)射野都要經(jīng)過獨(dú)立的劑量標(biāo)定，并經(jīng)過模擬治療來測(cè)定治療物理劑量分布是否同治療計(jì)劃的臨床需要一致。

劑量驗(yàn)證通過率由通過測(cè)量點(diǎn)數(shù)除以有效測(cè)量點(diǎn)數(shù)所得，劑量驗(yàn)證失敗點(diǎn)數(shù)為有效測(cè)量點(diǎn)數(shù)減去通過測(cè)量點(diǎn)數(shù)，即劑量驗(yàn)證失敗點(diǎn)數(shù)越多，劑量驗(yàn)證通過率越低。而劑量驗(yàn)證失敗的原因主要有：①射野內(nèi)劑量驗(yàn)證失敗多由射野中劑量突變導(dǎo)致，多數(shù)出現(xiàn)在射野中劑量突變的位置[19]。劑量突變是因?yàn)槿梭w內(nèi)組織器官分布復(fù)雜，而固體水成分均勻單一，將患者的計(jì)劃治療系統(tǒng)中參數(shù)復(fù)制到均勻的固體水中后，射野方向觀橫截面出現(xiàn)劑量不均勻的現(xiàn)象，即劑量突變[6]。②射野邊緣處劑量驗(yàn)證失敗是由于射野尺寸超出了計(jì)劃治療系統(tǒng)限定計(jì)算的射野閾值。

另外，由于碳離子束能量高，射野邊緣的橫向半影銳利，以及Bragg峰末端劑量跌落迅速，理論上出現(xiàn)的劑量驗(yàn)證失敗的點(diǎn)，應(yīng)分布在半影區(qū)、劑量跌落迅速的末端，因?yàn)閯┝刻荻却?，電離室擺放的細(xì)微誤差也可能導(dǎo)致劑量測(cè)量出現(xiàn)誤差。分析原因，應(yīng)該是PTW1500XDR矩陣電離室中的電離室間隔大于4 mm，相鄰電離室之間的劑量是由軟件根據(jù)周圍電離室的劑量插值計(jì)算所得，插值計(jì)算所得值未必會(huì)落在劑量跌落曲線上。

理論上計(jì)算網(wǎng)格越小，劑量分辨率越高，劑量驗(yàn)證失敗點(diǎn)的檢出率越高，計(jì)算結(jié)果越精確；當(dāng)計(jì)算網(wǎng)格增大時(shí)，隨著劑量分辨率的降低，劑量驗(yàn)證失敗點(diǎn)的檢出率越低，劑量驗(yàn)證通過率可能會(huì)假性升高。但是根據(jù)本研究結(jié)果，在增大計(jì)算網(wǎng)格大小的時(shí)候，通過率沒有出現(xiàn)明顯的變化。

碳離子的劑量驗(yàn)證目前沒有相關(guān)指南及統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)光子調(diào)強(qiáng)放療劑量驗(yàn)證實(shí)踐指南，同時(shí)參考病例具體情況、所采用的具體技術(shù)以及系統(tǒng)，有研究認(rèn)為應(yīng)采用2～3 mm的劑量計(jì)算網(wǎng)格,需要高空間分辨率的特殊病例建議使用較小的劑量計(jì)算網(wǎng)格[3]。因此，計(jì)算網(wǎng)格越小，計(jì)劃計(jì)算空間分辨率越高，結(jié)果越精確；相反，計(jì)算網(wǎng)格越大，則計(jì)算的空間分辨率相對(duì)降低。結(jié)合本研究結(jié)果，計(jì)算網(wǎng)格在2～4 mm之間時(shí)，碳離子計(jì)劃驗(yàn)證通過率沒有差異，但隨著網(wǎng)格增大，劑量計(jì)算時(shí)間相應(yīng)縮短。因此，對(duì)于碳離子被動(dòng)束掃描劑量驗(yàn)證計(jì)劃而言，4 mm計(jì)算網(wǎng)格能在保持劑量驗(yàn)證通過率不變的同時(shí)，縮短驗(yàn)證時(shí)間。

對(duì)PTW1500XDR矩陣電離室夾在固體水中進(jìn)行劑量驗(yàn)證、以膠片進(jìn)行劑量驗(yàn)證和以電離室陣列在三維水箱中進(jìn)行劑量驗(yàn)證三種方法比較后，在保證劑量驗(yàn)證有效性的情況下，PTW1500XDR矩陣電離室夾在固體水中進(jìn)行劑量驗(yàn)證則更加方便快捷，這也符合其他質(zhì)子重離子研究的相關(guān)結(jié)果[20-21]。另外，PTW1500XDR矩陣電離室結(jié)合固體水用于碳離子劑量驗(yàn)證[13,22]，為重離子的三維劑量分析提供了更多選擇[20,23]。

綜上所述，采用PTW1500XDR矩陣電離室進(jìn)行碳離子劑量驗(yàn)證是一種更方便快捷的劑量驗(yàn)證方式，且與2、3 mm計(jì)算網(wǎng)格對(duì)比，計(jì)算網(wǎng)格為4 mm時(shí)劑量驗(yàn)證通過率差異沒有顯著性，但驗(yàn)證時(shí)間明顯縮短。因此，臨床上建議采取PTW1500XDR矩陣電離室結(jié)合固體水并選用4 mm計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行患者碳離子治療計(jì)劃射野的驗(yàn)證，可以在保證劑量驗(yàn)證通過率的同時(shí)縮短劑量計(jì)算所用時(shí)間，即一定程度上提高了劑量驗(yàn)證的效率。另外，本次研究的不足是樣本量較少，需要進(jìn)一步加大樣本量進(jìn)行更深入的研究。