SRS MapCHECK半導(dǎo)體矩陣用于射波刀脊柱計(jì)劃劑量驗(yàn)證的應(yīng)用研究

祝小惠，梁志文，曹婷，韓軍，王皓寧，龍浩，楊晶

1.華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院腫瘤中心，湖北武漢430022；2.中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院，湖北武漢430074

前言

惡性腫瘤病情的惡化通常伴隨著腫瘤骨轉(zhuǎn)移，在乳腺癌、肺癌、前列腺癌等惡性腫瘤中，骨轉(zhuǎn)移的發(fā)生率高達(dá)80%，其中脊柱是惡性腫瘤骨轉(zhuǎn)移的常見(jiàn)部位，約占50%［1］。脊柱轉(zhuǎn)移瘤的患者通常疼痛感明顯，嚴(yán)重者會(huì)有運(yùn)動(dòng)障礙，對(duì)患者生存質(zhì)量有較大影響。由于脊髓劑量的限制，常規(guī)放射治療技術(shù)難以給予根治劑量，主要起到緩解脊柱轉(zhuǎn)移瘤患者疼痛的作用。立體定向放射治療能夠形成更加陡峭的劑量分布，最大程度降低脊髓及周?chē)渌＜捌鞴俸驼＝M織的輻射受量，從而兼具更好的療效和更小的副反應(yīng)［2-3］。射波刀是非常適合于脊柱部位治療的立體定向放射治療設(shè)備，其定位系統(tǒng)可以根據(jù)脊柱骨性結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)治療靶區(qū)位置變化，并通過(guò)機(jī)器人機(jī)械臂對(duì)射束方向進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整［4］。基于射波刀開(kāi)展的脊柱治療與常規(guī)直線(xiàn)加速器相比技術(shù)更加復(fù)雜，單次劑量更高，治療分次少，因此治療計(jì)劃的劑量驗(yàn)證工作需更為謹(jǐn)慎細(xì)致以確?；颊咧委煹木珳?zhǔn)性和安全性。近年來(lái)，半導(dǎo)體矩陣電子學(xué)設(shè)備因其操作便捷，測(cè)量結(jié)果重復(fù)性高等特點(diǎn)，被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于放射治療的劑量驗(yàn)證工作。本文主要介紹一款高空間分辨率的二維半導(dǎo)體矩陣SRS MapCHECK 用于射波刀脊柱計(jì)劃劑量驗(yàn)證的研究結(jié)果，同時(shí)為其它設(shè)備使用該矩陣探測(cè)器開(kāi)展劑量驗(yàn)證工作提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備

1.1.1 立體定向放射外科系統(tǒng) 研究使用美國(guó)Accuray公司第五代射波刀系統(tǒng)（CyberKnife VSI）的6 MV無(wú)均整（FFF）光子束，其射束形狀為分立的12個(gè)尺寸的圓形或十二邊形，分別由固定或Iris可變準(zhǔn)直器限定。

1.1.2 二維半導(dǎo)體矩陣 SRS MapCHECK（Model 1179, Sun Nuclear 公司，美國(guó)）二維半導(dǎo)體矩陣（SRS矩陣），由1 013個(gè)N型固體二極管探測(cè)器交錯(cuò)均勻排列于上下兩塊印制電路板（PCB），PCB面對(duì)面對(duì)齊設(shè)計(jì)，使上下兩層傳感器的靈敏區(qū)處于同一平面而呈現(xiàn)77 mm×77 mm的探測(cè)面積，探測(cè)器間的橫、縱向間隔均為1.75 mm，對(duì)角線(xiàn)方向間隔為2.47 mm。單個(gè)二極管探測(cè)器面積為0.48 mm×0.48 mm、體積為0.007 mm3、靈敏度約為15 nC/Gy。探測(cè)器陣列裝載于重1.9 kg 的320 mm×105 mm×45 mm 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中，陣列周?chē)A(yù)設(shè)有4 顆在kV 和MV成像下清晰可見(jiàn)的金標(biāo)，用于射波刀的擺位。

1.1.3 StereoPHAN 模體 StereoPHAN 模體（Model 1255, Sun Nuclear 公司, 美國(guó)）為頂部半球形的圓筒模體，SRS 矩陣安裝于StereoPHAN 模體圓筒內(nèi)部的腔體（圖1），以開(kāi)展立體定向放射治療的劑量驗(yàn)證工作。

圖1 SRS矩陣與StereoPHAN模體Figure 1 SRS MapCHECK array and StereoPHAN phantom

1.2 方法

1.2.1 CT 掃描及治療計(jì)劃系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置 將SRS 矩陣裝入StereoPHAN 模體，使用大孔徑CT（Brilliance CT Bigbore, Philips 公司, 荷蘭）掃描，參數(shù)為軸掃層厚0.75 mm，電流400 mA，電壓120 kV。將掃描后影像導(dǎo)入射波刀配備的MultiPlan 5.2 計(jì)劃系統(tǒng)（TPS），對(duì)StereoPHAN 模體和SRS 矩陣組成的整套模體設(shè)置為1.2 g/cm3的質(zhì)量密度。

1.2.2 SRS MapCHECK 校準(zhǔn) SRS 矩陣測(cè)量射波刀計(jì)劃前需調(diào)用其專(zhuān)用軟件SNC Patient（Version 8.1.1,Sun Nuclear 公司, 美國(guó)）進(jìn)行陣列和絕對(duì)劑量校準(zhǔn)。陣列校準(zhǔn)包括6 MV 光子束和6 MV FFF 光子束兩部分。其中6 MV 光子束基于直線(xiàn)加速器（Trilogy,Var‐ian 公司，美國(guó)）進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)過(guò)程已在前期研究中詳細(xì)敘述［5］。6 MV FFF 光子束采用射波刀進(jìn)行校準(zhǔn)，利用TPS 中基于金標(biāo)追蹤方式的單射束模板，制定射束垂直于SRS 矩陣探測(cè)平面的單射束計(jì)劃。射束大小為固定準(zhǔn)直器的60 mm，射束等中心設(shè)置為SRS矩陣探測(cè)平面中心探測(cè)器（源至探測(cè)點(diǎn)距離800 mm），跳數(shù)200 MU。調(diào)用單射束計(jì)劃，利用金標(biāo)圖像配準(zhǔn)復(fù)位SRS 矩陣，垂直照射SRS 矩陣正面。由于射波刀治療頭無(wú)法移動(dòng)至治療床下方從SRS 矩陣反面照射，因此調(diào)用相同的單射束計(jì)劃，在出束照射前，將SRS矩陣在StereoPHAN模體固定不動(dòng)的情況下翻轉(zhuǎn)180°，垂直照射SRS 矩陣反面。對(duì)SRS 矩陣正、反面的兩次照射補(bǔ)充了陣列校準(zhǔn)6 MV FFF 光子束部分所需要的數(shù)據(jù)。絕對(duì)劑量校準(zhǔn)時(shí)將單射束計(jì)劃的跳數(shù)改為100 MU 后另存為絕對(duì)劑量校準(zhǔn)計(jì)劃，調(diào)用SNC 軟件絕對(duì)劑量校準(zhǔn)程序，射波刀執(zhí)行絕對(duì)劑量校準(zhǔn)計(jì)劃后，將TPS 計(jì)算出的SRS 矩陣探測(cè)平面中心劑量值（77.89 cGy）輸入SNC軟件完成校準(zhǔn)。

1.2.3 單射束和脊柱質(zhì)量保證（Quality Assurance，QA）計(jì)劃的制定及劑量驗(yàn)證 單射束測(cè)試計(jì)劃同絕對(duì)劑量校準(zhǔn)計(jì)劃，在保持射束方向及跳數(shù)不變的情況下，通過(guò)更改準(zhǔn)直器類(lèi)型及尺寸，另存為單射束測(cè)試計(jì)劃，包括12 種尺寸（5～60 mm）的固定準(zhǔn)直器和11 種尺寸（7.5～60 mm）的Iris 可變準(zhǔn)直器（5 mm 被限制單獨(dú)選擇用于制定計(jì)劃）。脊柱QA計(jì)劃基于17例已行射波刀脊柱治療的臨床計(jì)劃生成，靶區(qū)體積范圍10.5～119.0 cm3，平均體積（42.6±27.5）cm3。如圖2所示，通過(guò)計(jì)劃影像中心重合的方法，將患者計(jì)劃映射至SRS 矩陣，此時(shí)射束數(shù)量、方向、跳數(shù)均保持一致，重新高精度劑量計(jì)算，獲得脊柱臨床計(jì)劃施照于SRS 矩陣的劑量分布，保存為脊柱QA 計(jì)劃。射波刀執(zhí)行以上制定的計(jì)劃，由SNC 軟件實(shí)時(shí)記錄劑量測(cè)量結(jié)果，計(jì)劃執(zhí)行結(jié)束后將TPS 計(jì)算的劑量分布（劑量文件DICOM RT Dose）導(dǎo)入SNC 軟件進(jìn)行劑量對(duì)比分析，見(jiàn)圖3。

圖2 射波刀脊柱計(jì)劃映射至SRS矩陣的QA計(jì)劃Figure 2 QA plan based on spine CyberKnife plan mapping to SRS MapCHECK

圖3 TPS計(jì)算與SRS矩陣測(cè)量的二維劑量分布比較Figure 3 Comparison of two-dimensional dose profiles between TPS calculations and SRS MapCHECK measurements

1.2.4 分析方法 采用γ分析方法［6］，分別在2 mm/5%、2 mm/3%和2 mm/2%的標(biāo)準(zhǔn)下，設(shè)置10%的低劑量閾值，對(duì)單射束和脊柱QA計(jì)劃進(jìn)行絕對(duì)劑量（AD）分析。對(duì)于測(cè)量點(diǎn)定義為：

其中，

其中，DM(rM)和DR(rR)分別為測(cè)量點(diǎn)rM和參考點(diǎn)rR處的劑量相對(duì)參考分布最大劑量的歸一值，Δr和ΔD分別為γ分析的距離吻合（Distance-to-Agreement,DTA）和劑量百分差異（Dose Percent Difference,DD）標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于每個(gè)測(cè)量點(diǎn)rM，其與參考分布上的所有點(diǎn)均會(huì)計(jì)算出相應(yīng)的Γ，其中最小值為測(cè)量點(diǎn)rM的γ指數(shù)，γ指數(shù)≤1即為通過(guò)，γ指數(shù)通過(guò)的測(cè)量點(diǎn)數(shù)與總測(cè)量點(diǎn)數(shù)的百分比值即為γ通過(guò)率。

2 結(jié)果

2.1 單射束QA計(jì)劃

12個(gè)尺寸的固定準(zhǔn)直器和11個(gè)尺寸的Iris可變準(zhǔn)直器單射束QA計(jì)劃在2 mm/5%、2 mm/3%和2 mm/2%標(biāo)準(zhǔn)下的γ通過(guò)率均為100.0%。圖4為5、60 mm固定準(zhǔn)直器和7.5、60 mm Iris可變準(zhǔn)直器單射束QA計(jì)劃的TPS計(jì)算與實(shí)測(cè)劑量分布疊加比對(duì)結(jié)果。

圖4 不同準(zhǔn)直器TPS計(jì)算與SRS矩陣測(cè)量的單射束QA計(jì)劃劑量疊加Figure 4 Dose overlays between TPS calculations and SRS MapCHECK measurements for single-beam QA plans delivered by different collimators

2.2 臨床脊柱病例的QA計(jì)劃

如表1所示，臨床脊柱病例QA計(jì)劃AD分析模式下2 mm/5%、2 mm/3%和2 mm/2%標(biāo)準(zhǔn)的平均γ通過(guò)率分別為（99.3±1.2）%、（96.5±2.7）%和（93.5±5.3）%。

表1 射波刀臨床脊柱病例QA計(jì)劃γ通過(guò)率Table 1 Gamma passing rates of QA plans for spine CyberKnife plans

3 討論

射波刀因其治療技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)加速器更為復(fù)雜，其QA 項(xiàng)目也更多，涉及機(jī)器人和治療室安全、加速器、影像子系統(tǒng)、計(jì)劃系統(tǒng)等方面，其中端到端（End-to-End, E2E）測(cè)試能夠驗(yàn)證機(jī)器靶區(qū)定位照射總體精度，通常用于患者治療前的最終測(cè)試項(xiàng)目，而基于患者臨床計(jì)劃的劑量驗(yàn)證工作常常未被提及。美國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)家協(xié)會(huì)（AAPM）在TG-135報(bào)告中提出由于E2E測(cè)試缺乏靶區(qū)治療劑量的總體精度信息，建議基于模體定期選擇每個(gè)追蹤治療模式最初的個(gè)別患者計(jì)劃開(kāi)展劑量驗(yàn)證工作［7］。相對(duì)于傳統(tǒng)劑量驗(yàn)證工作中使用的輻射自顯影膠片，半導(dǎo)體矩陣電子學(xué)設(shè)備具有操作便捷，測(cè)量重復(fù)性高和測(cè)量成本低的特點(diǎn)。本研究基于空間高分辨率的SRS 矩陣開(kāi)展射波刀計(jì)劃劑量驗(yàn)證工作，病例選擇脊柱計(jì)劃，主要考慮到其是靶區(qū)劑量與危及器官限量矛盾的充分凸顯，相對(duì)常規(guī)顱內(nèi)或肺部計(jì)劃更為復(fù)雜，有利于充分測(cè)試SRS矩陣性能。

表1 中，所選脊柱病例的計(jì)劃設(shè)計(jì)采用了TPS 中自動(dòng)選擇2 個(gè)或3 個(gè)準(zhǔn)直器尺寸的功能，研究表明基于2 個(gè)或3 個(gè)準(zhǔn)直器尺寸制定脊柱計(jì)劃的計(jì)劃質(zhì)量沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異［8］，臨床實(shí)踐中，選擇3 個(gè)準(zhǔn)直器（增加了一個(gè)中等尺寸的準(zhǔn)直器），有利于提高復(fù)雜靶區(qū)的計(jì)劃優(yōu)化效率。脊柱病例的QA 計(jì)劃是臨床計(jì)劃中上百個(gè)射束在照射方向和跳數(shù)不變的前提下對(duì)于SRS 矩陣的真實(shí)復(fù)合（True Composite, TC）投照，這也是AAPM 在TG-218 報(bào)告中推薦的患者計(jì)劃劑量驗(yàn)證方式［9］。但就針對(duì)射波刀計(jì)劃劑量驗(yàn)證的DTA/DD 標(biāo)準(zhǔn)目前世界范圍內(nèi)仍沒(méi)有共識(shí)，僅能參照已發(fā)布的相關(guān)指南和報(bào)告，加拿大醫(yī)學(xué)物理學(xué)家組織（COMP）制定的射波刀技術(shù)質(zhì)控指南分別推薦5%/2 mm 和5%/3 mm 作為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)劃劑量驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)［10］；TG-218 報(bào)告推薦調(diào)強(qiáng)相關(guān)聯(lián)放療技術(shù)劑量驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)為3%/2 mm［9］；TG-135報(bào)告分別推薦2%/2 mm 和3%/3 mm作為射波刀靜態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)劃劑量驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)［7］。以上參考中，計(jì)劃可執(zhí)行閾值都推薦為劑量驗(yàn)證γ通過(guò)率>90%。

本研究納入了多方推薦，γ 分析結(jié)果表明基于固定準(zhǔn)直器或Iris可變準(zhǔn)直器的單射束QA 計(jì)劃在所推薦的5%/2 mm、3%/2 mm 和2%/2 mm 標(biāo)準(zhǔn)下，通過(guò)率均為100%，這為后續(xù)更為復(fù)雜的TC 脊柱病例QA 計(jì)劃劑量驗(yàn)證提供了基準(zhǔn)。因?yàn)閺?fù)合射束QA 計(jì)劃的測(cè)量可能將好的和不好的單射束劑量分布平均在一起，掩蓋潛在誤差，而完美的單射束QA 計(jì)劃分析結(jié)果可以排除單射束劑量分布誤差的影響。脊柱病例QA 計(jì)劃在所推薦各DTA/DD 標(biāo)準(zhǔn)下平均γ 通過(guò)率分別為（99.3±1.2）%、（96.5±2.7）%和（93.5±5.3）%。整體均值滿(mǎn)足γ 通過(guò)率>90%的計(jì)劃可執(zhí)行條件，但在2%/2 mm 標(biāo)準(zhǔn)下出現(xiàn)3 例<90%的情況（病例9、10 和14），這是由于DD 標(biāo)準(zhǔn)趨于嚴(yán)格后劑量百分誤差檢測(cè)能力增強(qiáng)的結(jié)果，這正是COMP 指南與AAPM TG-135 報(bào)告的分歧點(diǎn)。為探究使用更嚴(yán)格的DD 分析是否必要，我們仔細(xì)審查了這3 例計(jì)劃的驗(yàn)證結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不通過(guò)的測(cè)量點(diǎn)主要集中在高劑量區(qū)（對(duì)應(yīng)于靶區(qū)以?xún)?nèi)），對(duì)于本單位的常規(guī)射波刀脊柱計(jì)劃，處方劑量選取為計(jì)劃最大劑量的60%～70%范圍內(nèi)，靶區(qū)內(nèi)劑量遠(yuǎn)超處方劑量，而這部分劑量即使誤差超過(guò)5%，也不會(huì)導(dǎo)致靶區(qū)欠量，因此認(rèn)為對(duì)于本單位劑量驗(yàn)證工作更傾向于COMP 指南。另一方面，基于SRS 矩陣在傳統(tǒng)C 型臂加速器上開(kāi)展的劑量驗(yàn)證結(jié)果，在更嚴(yán)格的2%/1 mm 標(biāo)準(zhǔn)下獲得（97.2±1.3）%的γ通過(guò)率，同時(shí)驗(yàn)證了其與膠片的等效性［11］。探討本研究中未達(dá)到相同水平的γ 通過(guò)率的原因：一方面可能歸結(jié)于射波刀技術(shù)固有的復(fù)雜性，較復(fù)雜的射束方向（非等中心/非共面/近全空間入射角度），較多的射束數(shù)（182.5±29.1）和較長(zhǎng)的單次治療時(shí)間（30～50 min）；另一方面由于半導(dǎo)體探測(cè)器響應(yīng)受劑量率、溫度、射束入射角度和射束能量影響［12-17］，SRS矩陣的半導(dǎo)體響應(yīng)校正技術(shù)可能還無(wú)法完全滿(mǎn)足2%/2 mm 及更高標(biāo)準(zhǔn)下的射波刀計(jì)劃劑量驗(yàn)證工作。為更深入探討在特定DTA/DD 標(biāo)準(zhǔn)下的γ 通過(guò)率閾值，有待于開(kāi)展SRS 矩陣用于射波刀脊柱計(jì)劃劑量驗(yàn)證的敏感性和特異性研究［18-21］。

綜上所述，射波刀技術(shù)較常規(guī)加速器放射治療技術(shù)更為復(fù)雜，其劑量驗(yàn)證設(shè)備的選擇須經(jīng)過(guò)充分測(cè)試。SRS 矩陣在COMP 指南推薦的2 mm/5%以及AAPM TG-218 報(bào)告推薦的2 mm/3%γ 分析標(biāo)準(zhǔn)下適合用于便捷開(kāi)展基于固定或Iris 可變準(zhǔn)直器的射波刀系統(tǒng)脊柱計(jì)劃劑量驗(yàn)證工作。在AAPM TG-135推薦的2 mm/2%及更嚴(yán)格γ 分析標(biāo)準(zhǔn)下SRS 矩陣的適用性有待更深入研究。