SRS MapCHECK探測器陣列的劑量學(xué)特性及其在立體定向放療計(jì)劃劑量驗(yàn)證中的應(yīng)用研究

劉凌湘，張慶釗，黃賢海

（廣州市番禺區(qū)中心醫(yī)院腫瘤科，廣州 511400）

0 引言

立體定向放療[1-2]具有照射野小、單次劑量高、治療次數(shù)少、射野邊緣劑量跌落迅速等特點(diǎn)。運(yùn)用直線加速器來實(shí)現(xiàn)立體定向放療時(shí)，常采用調(diào)強(qiáng)放療（intensity modulated radiation therapy，IMRT）和容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療（volumetric modulated arc therapy，VMAT）來進(jìn)行治療計(jì)劃的設(shè)計(jì)[2-3]。由于生成的治療計(jì)劃包含不同強(qiáng)度的復(fù)雜射野和陡峭的劑量梯度，治療中微小的偏差就可能導(dǎo)致嚴(yán)重的錯(cuò)誤，因此整個(gè)立體定向放療過程需要嚴(yán)格的質(zhì)量控制[3-10]。其中，放療前對放療計(jì)劃進(jìn)行劑量驗(yàn)證可確保劑量傳遞的準(zhǔn)確性[4-7]。傳統(tǒng)的膠片空間分辨力高、劑量驗(yàn)證精準(zhǔn)可靠，但不能及時(shí)顯示驗(yàn)證結(jié)果，且操作復(fù)雜[3，10-11]。盡管目前有各種各樣的二維、三維探測器[4，5，7-9，12-14]用于IMRT和VMAT的劑量驗(yàn)證，但臨床上對立體定向放療計(jì)劃的劑量驗(yàn)證推薦采用專用的電離室和/或探測器陣列[6]。SRS MapCHECK是2018年新推出的一款由硅二極管組成的探測器陣列[3，8-11，15-16]，專用于立體定向放療計(jì)劃劑量驗(yàn)證。劑量驗(yàn)證設(shè)備在使用前須進(jìn)行一系列的校準(zhǔn)和調(diào)試，以了解其局限性并保證測量的準(zhǔn)確性[12]。目前，國內(nèi)有研究報(bào)道了SRS MapCHECK探測器陣列的校準(zhǔn)及臨床應(yīng)用情況[15-16]，但未有關(guān)于其劑量學(xué)特性的報(bào)道。為此，本研究擬對SRS MapCHECK探測器陣列的各項(xiàng)劑量學(xué)特性進(jìn)行測量，并運(yùn)用于臨床放療計(jì)劃案例，以期為立體定向放療計(jì)劃劑量驗(yàn)證提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究采用Varian Eclipse 15.6治療計(jì)劃系統(tǒng)、Varian VitalBeam醫(yī)用電子直線加速器、SRS MapCHECK探測器陣列及其配套的StereoPHAN模體，劑量分析軟件為SNC Patient V8.2。如圖1（a）所示，SRS MapCHECK探測器陣列包含1 013個(gè)靈敏體積為0.007 mm3（長、寬均為0.48 mm，厚度為0.03 mm）的半導(dǎo)體探測器（探頭型號為SunPoint?2），交錯(cuò)分布于上下2塊印制電路板上，2塊電路板面對面對齊設(shè)計(jì)，使得上下2層探測器的靈敏區(qū)處于同一平面，探測器間的橫向及縱向間隔均為1.75 mm，對角線方向間隔為2.47 mm，有效探測面積為77.00 mm×77.00 mm，可測最大劑量率為3 400 MU/min。探測器陣列平面上下的建成和背向散射材料是聚甲基丙烯酸甲酯（poly methyl methacrylate，PMMA），質(zhì)量密度為1.19 g/cm3，厚度均為22 mm（等效水厚度27.5 mm）。驗(yàn)證放療計(jì)劃時(shí)需結(jié)合配套的StereoPHAN模體，將SRS MapCHECK探測器陣列插入其中進(jìn)行測量[如圖1（b）所示]。

圖1 SRS MapCHECK半導(dǎo)體探測器陣列及配套的StereoPHAN模體示意圖

1.2 SRS MapCHECK探測器陣列劑量學(xué)特性測量

目前，X射線能量模式有2種：均整（flattening filter，F(xiàn)F）模式和非均整（flattening filter free，F(xiàn)FF）模式。傳統(tǒng)的FF模式目的是使劑量分布變得均勻，但增加了X射線質(zhì)的硬度，增加了機(jī)頭的散射；而FFF模式由于移除了均整器，使X射線質(zhì)變軟，減小了機(jī)頭的散射，提高了劑量率，縮短了患者的治療時(shí)間，提高了治療效率，在立體定向放療中運(yùn)用得越來越廣。本研究根據(jù)我科現(xiàn)有條件，選擇常用的6 MV X射線的FF模式和FFF模式（最高劑量率分別為600 MU/min和1 400 MU/min）測量SRS MapCHECK探測器陣列的劑量學(xué)特性。

其中，重復(fù)性、劑量線性和劑量率線性測量時(shí)，直接將SRS MapCHECK探測器陣列置于加速器治療床上，采用激光燈進(jìn)行擺位、對準(zhǔn)SRS MapCHECK探測器陣列中心十字線，源軸距（source to axis distance，SAD）=100cm。角度響應(yīng)測量時(shí)，需將SRS MapCHECK探測器陣列插入StereoPHAN模體，將模體底座固定在治療床頭邊緣，使整個(gè)SRS MapCHECK探測器陣列懸空于治療床[如圖1（b）所示]，以避免治療床帶來的劑量衰減，同時(shí)利用激光燈進(jìn)行擺位、對準(zhǔn)StereoPHAN模體上的標(biāo)記線，射線源到探測器的距離（source to detector distance，SDD）=100 cm。

1.2.1 重復(fù)性測量

測量條件：射野大小為4 cm×4 cm的方野，機(jī)架角度和小機(jī)頭角度均為0°，機(jī)器跳數(shù)為100 MU，均采用6 MV X射線2種模式下的最高劑量率。記錄在不同時(shí)間段重復(fù)測量20次的SRS MapCHECK探測器陣列中心點(diǎn)的絕對劑量值。

1.2.2 劑量線性測量

測量條件：射野大小為4 cm×4 cm的方野，機(jī)架角度和小機(jī)頭角度均為0°，均采用6 MV X射線2種模式下的最高劑量率，機(jī)器跳數(shù)選擇50、100、200、400、600、800、1 000、1 200、1 600、2 000 MU。所有條件下均重復(fù)測量3次，記錄SRS MapCHECK探測器陣列中心點(diǎn)的絕對劑量的平均值。

人們對醫(yī)療工作者期望高,大多數(shù)人認(rèn)為,通過醫(yī)護(hù)人員的治療,患者都應(yīng)該恢復(fù)健康,一旦不如他們所想,便會(huì)對醫(yī)務(wù)人員進(jìn)行責(zé)備,護(hù)士的工作風(fēng)險(xiǎn)大、責(zé)任重,如果護(hù)士在護(hù)理工作中出現(xiàn)差錯(cuò),可能直接影響患者的生命,與此同時(shí),護(hù)士還要承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。據(jù)調(diào)查,擔(dān)心護(hù)理工作出錯(cuò),是臨床護(hù)理人員首要的心理壓力源。

1.2.3 劑量率線性測量

測量條件：射野大小為4 cm×4 cm的方野，機(jī)架角度和小機(jī)頭角度均為0°，機(jī)器跳數(shù)為100 MU，6 MV X射線FF模式下測量選用的X射線劑量率為100、200、300、400、500、600 MU/min，6 MV X射線FFF模式下測量選用的劑量率為400、500、600、800、1 000、1 200、1 400 MU/min。所有條件下均重復(fù)測量3次，記錄SRS MapCHECK探測器陣列中心點(diǎn)的絕對劑量的平均值。

1.2.4 角度響應(yīng)測量

測量條件：射野大小為4 cm×4 cm的方野，機(jī)器跳數(shù)為100 MU，均采用6 MV X射線2種模式下的最高劑量率，小機(jī)頭角度為0°，機(jī)架角度從181°開始等間隔15°變化，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一周至180°（共25個(gè)角度）。所有條件下均重復(fù)測量3次，記錄SRS MapCHECK探測器陣列中心點(diǎn)的絕對劑量的平均值。

1.3 立體定向放療計(jì)劃驗(yàn)證

本研究回顧性選取2019年11月至2021年9月在我院行立體定向放療的56例患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）射野大?。?.7 cm×7.7 cm；（2）單個(gè)治療中心。排除標(biāo)準(zhǔn)：含多個(gè)計(jì)劃靶區(qū)的患者。其中，IMRT計(jì)劃37例，VMAT計(jì)劃19例。所有患者計(jì)劃靶區(qū)平均體積為（43.39±36.58）cm3、射野大小均值為（6.01±1.29）cm×（5.76±1.37）cm。驗(yàn)證計(jì)劃設(shè)計(jì)：將SRS MapCHECK探測器陣列插入StereoPHAN模體，采用荷蘭Philips公司的Brilliance BigBore 16排CT模擬機(jī)進(jìn)行掃描，掃描層厚1 mm。將所得的CT圖像傳至Eclipse治療計(jì)劃系統(tǒng)以建立驗(yàn)證計(jì)劃模體，將患者的治療計(jì)劃移植到此模體，將計(jì)劃等中心移位到模體中心位置，除治療床角度統(tǒng)一歸為0°外，其余治療參數(shù)（機(jī)架角度、小機(jī)頭角度、射野大小、機(jī)器跳數(shù)、多葉準(zhǔn)直器葉片位置）均保持不變，計(jì)算網(wǎng)格分辨力為1 mm。驗(yàn)證計(jì)劃實(shí)施：按圖1（b）所示進(jìn)行模體擺位（SAD=100 cm），在加速器臨床模式下進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)劃的劑量測量。采用通用劑量閾值10%（即參與分析的數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)≥最大劑量點(diǎn)的10%）、劑量偏差/距離一致性為3%/2 mm、3%/1 mm、2%/1 mm、1%/1 mm的4種評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)組合，對測量得到的劑量分布與計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算得到的劑量分布進(jìn)行基于絕對劑量模式下的全局劑量歸一的γ指數(shù)分析，可執(zhí)行的計(jì)劃一般要求γ通過率≥95%[6-7]。運(yùn)用SNC Patient軟件自帶的“Calc Shift”功能糾正擺位誤差，以期找到測量與計(jì)算的劑量分布之間的最佳對齊方式，減少放療計(jì)劃劑量分布層面未通過點(diǎn)的數(shù)量。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用R語言進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，數(shù)據(jù)以xˉ±s表示。除劑量線性曲線圖采用R語言繪制外，其余各曲線均采用Excel 2020繪制。

2 結(jié)果

2.1 劑量學(xué)特性測量結(jié)果

2.1.1 重復(fù)性測量結(jié)果

將20次測量所得的SRS MapCHECK探測器陣列中心點(diǎn)的絕對劑量的平均值歸一，得到重復(fù)性的變化曲線如圖2所示。其中，6 MV X射線FF模式下20次測量值歸一后的平均值為1.000 0±0.000 8，6 MV X射線FFF模式下20次測量值歸一后的平均值為1.000 0±0.000 5。從圖2可以看出，每次測量得到的絕對劑量值歸一后均圍繞均值上下波動(dòng)，6 MV X射線FF模式和6 MV X射線FFF模式下與均值的偏差百分比依次為≤0.20%、≤0.10%，表明SRS MapCHECK探測器陣列具有很好的穩(wěn)定性。

圖2 重復(fù)性曲線

2.1.2 劑量線性測量結(jié)果

對機(jī)器跳數(shù)為50～2 000 MU時(shí)，6 MV X射線2種模式下所測得的SRS MapCHECK探測器陣列中心點(diǎn)的絕對劑量采用最小二乘法做線性回歸，得到擬合回歸方程，如圖3所示。6 MV X射線FF模式下和6 MV X射線FFF模式下的R2均大于0.999 99（分別為0.999 992 1、0.999 990 3），反映了機(jī)器跳數(shù)為0～2 000 MU時(shí)SRS MapCHECK探測器陣列具有良好的劑量線性。

圖3 劑量線性曲線

2.1.3 劑量率線性測量結(jié)果

將測量得到的不同劑量率下SRS MapCHECK探測器陣列中心點(diǎn)的絕對劑量以最大劑量率值歸一，得到劑量率線性曲線，如圖4所示。其中，6 MV X射線FF模式下測量值歸一后的平均值為0.995 7±0.003 1，與歸一值最大偏差百分比為0.89%；6 MV X射線FFF模式下的測量值歸一后的平均值為0.999 1±0.000 5，與歸一值最大偏差百分比為0.15%。這表明劑量率線性的變化對SRS MapCHECK探測器陣列的測量結(jié)果影響很小。

圖4 劑量率線性曲線

2.1.4 角度響應(yīng)測量結(jié)果

將不同角度下測得的絕對劑量以0°測量值歸一，得到角度響應(yīng)曲線，如圖5所示。6 MV X射線FF模式下測量值歸一后的平均值為1.001 6±0.008 0，6 MV X射線FFF模式下測量值歸一后的平均值為1.005 4±0.007 3。2擋能量下SRS MapCHECK探測器陣列中心點(diǎn)的絕對劑量值隨機(jī)架角度的變化而變化，與歸一值偏差百分比分別為6 MV X射線FF模式≤1.30%、6 MV X射線FFF模式≤1.92%，表明機(jī)架角度的變化對SRS MapCHECK探測器陣列的測量結(jié)果影響很小。

圖5 角度響應(yīng)曲線

2.2 治療計(jì)劃劑量驗(yàn)證結(jié)果

表1為56例立體定向放療計(jì)劃（IMRT計(jì)劃37例，VMAT計(jì)劃19例）采用SRS MapCHECK探測器陣列進(jìn)行劑量驗(yàn)證的γ通過率結(jié)果?？梢钥闯觯S著評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，IMRT計(jì)劃和VMAT計(jì)劃的γ通過率依次降低，除1%/1 mm評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)外，其余評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下γ通過率均＞95%。

表1 不同評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下IMRT計(jì)劃和VMAT計(jì)劃的γ通過率情況單位：%

3 討論

熟練掌握SRS MapCHECK探測器陣列的劑量學(xué)特性、了解其局限性、證明其有效性是確定臨床正確使用程序的一部分[12]，除按廠家推薦的方法對其進(jìn)行驗(yàn)收調(diào)試外，還需進(jìn)行一系列的校驗(yàn)來全面評估其性能。本研究依據(jù)現(xiàn)有條件評估了SRS MapCHECK探測器陣列的重復(fù)性、劑量線性、劑量率線性和角度響應(yīng)[10，12-13]，結(jié)果表明SRS MapCHECK探測器陣列具有良好的劑量學(xué)特性，在各項(xiàng)條件下進(jìn)行照射都能夠提供準(zhǔn)確的絕對劑量值，可滿足臨床立體定向放療計(jì)劃劑量驗(yàn)證的要求。

在SRS MapCHECK探測器陣列的劑量學(xué)特性測量中，本研究發(fā)現(xiàn)6 MV X射線FF模式下和6 MV X射線FFF模式下的重復(fù)性偏差百分比≤0.20%，反映了SRS MapCHECK探測器陣列具有良好的穩(wěn)定性。這得益于該探測器陣列是由硅二極管組成的矩陣列，同時(shí)采用了SunPoint?2半導(dǎo)體探頭，使得探測器陣列具有更小的有效體積，擁有更高的響應(yīng)靈敏度，受周圍環(huán)境的影響較小，可更準(zhǔn)確地測量劑量。

立體定向放療由于采用治療次數(shù)少、單次劑量高的處方劑量方式，要求對應(yīng)的質(zhì)控設(shè)備必須在接受大劑量照射的同時(shí)仍保持很好的線性度。本研究中機(jī)器跳數(shù)在50～2 000 MU變化時(shí)，6 MV X射線FF模式下和6 MV X射線FFF模式下所測得的SRS MapCHECK探測器陣列中心點(diǎn)的絕對劑量經(jīng)線性回歸后R2值均大于0.999 99，表明SRS MapCHECK探測器陣列在接受很高的劑量時(shí)仍可以保持良好的線性度。

靶區(qū)內(nèi)劑量分布的均勻性可通過調(diào)控劑量率的大小來實(shí)現(xiàn)，因此探測器的劑量率響應(yīng)也影響著治療計(jì)劃的通過率。Ahmed等[10]分析了6 MV X射線FF模式下10～600 MU/min和6 MV X射線FFF模式下400～1400MU/min的劑量率變化范圍，發(fā)現(xiàn)SRSMapCHECK探測器陣列測量得到的結(jié)果以400 MU/min的值歸一時(shí)，偏差百分比分別為1%和0.5%。本研究中劑量率線性變化時(shí)，6 MV X射線FF模式下和6 MV X射線FFF模式下所測得的SRS MapCHECK探測器陣列中心點(diǎn)的絕對劑量值歸一后與歸一后的平均值的最大偏差百分比分別為0.89%和0.15%，與上述研究結(jié)果類似，表明劑量率線性變化對SRS MapCHECK探測器陣列的測量結(jié)果影響很小。

理論上SRS MapCHECK探測器陣列由于其固有的平面幾何形狀，角度響應(yīng)曲線應(yīng)符合探測器表面的模體材料厚度變化，在接近水平角時(shí)有較大偏差。本研究中，6 MV X射線FF模式和6 MV X射線FFF模式2擋能量下SRS MapCHECK探測器陣列中心點(diǎn)的絕對劑量值隨機(jī)架角度的變化而變化，最大偏差百分比為1.92%，與Ahmed等[10]報(bào)道的誤差保持在2%以內(nèi)的結(jié)果一致。這是因?yàn)镾NC Patient軟件會(huì)自動(dòng)校正SRS MapCHECK探測器陣列的角度依賴性，保證機(jī)架角度的變化對探頭的測量結(jié)果影響很小。

劑量驗(yàn)證作為臨床放療計(jì)劃質(zhì)控的一部分，放療前的劑量驗(yàn)證結(jié)果關(guān)系著該放療計(jì)劃是否可執(zhí)行。對于立體定向放療計(jì)劃來說，劑量率高、射野復(fù)雜、劑量跌落區(qū)比較多，高的劑量梯度變化導(dǎo)致靶區(qū)邊緣劑量梯度變化大，需選用合適的探測器靈敏體積和探頭間距[6]。而SRS MapCHECK探測器陣列具有足夠小的靈敏體積（0.007 mm3）和探頭間距（≤2.47 mm），具備很高的空間分辨力。本研究分析了SRS MapCHECK探測器陣列在立體定向放療計(jì)劃劑量驗(yàn)證中的運(yùn)用情況，由表1可知，隨著評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，γ通過率依次降低，除1%/1 mm評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)外，3%/2 mm、3%/1 mm、2%/1 mm評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下的γ通過率均＞95%，表明SRS MapCHECK探測器陣列測得的劑量分布與治療計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算的劑量分布具有很好的一致性，在立體定向放療計(jì)劃劑量驗(yàn)證方面具有顯著的優(yōu)勢。目前，對常規(guī)放療計(jì)劃進(jìn)行劑量驗(yàn)證時(shí)，推薦采用3%/2 mm的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行γ指數(shù)分析，當(dāng)γ通過率≥95%時(shí)，該計(jì)劃才能用于治療[6-7]，但對于立體定向放療計(jì)劃未提出明確的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。Popple等[3]和Rose等[11]分析了在3%/1 mm評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下，SRS MapCHECK探測器陣列具有與膠片驗(yàn)證幾乎等效的臨床驗(yàn)證結(jié)果；Ahmed等[10]采用2%/1 mm的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得出SRS MapCHECK探測器陣列在立體定向放療計(jì)劃驗(yàn)證時(shí)平均γ通過率為（97.2±1.3）%，與膠片等效；Woon等[14]指出探測器的分辨力影響γ分析，尤其是在高劑量梯度、高度復(fù)雜的計(jì)劃上，3%/1 mm的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是IMRT計(jì)劃和VMAT計(jì)劃驗(yàn)證誤差的最靈敏標(biāo)準(zhǔn)；Xia等[9]報(bào)道了3%/2 mm、3%/1 mm、2%/1 mm、1%/1 mm的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下20例立體定向治療計(jì)劃采用SRS MapCHECK進(jìn)行劑量驗(yàn)證的平均γ通過率依次為99.02%、97.97%、95.92%、89.54%，指出可采用3%/1 mm或2%/1 mm的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對立體定向放療計(jì)劃進(jìn)行γ分析。本研究中3%/1 mm評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下IMRT計(jì)劃和VMAT計(jì)劃的γ通過率分別為（98.11±3.16）%和（99.44±0.89）%、2%/1 mm評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下分別為（96.22±5.10）%和（97.81±2.99）%，與上述各研究結(jié)果類似。從以上列舉的各類研究及本研究可知，采用SRS MapCHECK探測器陣列進(jìn)行立體定向放療計(jì)劃的劑量驗(yàn)證，在3%/1 mm和2%/1 mm的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下可有效區(qū)分計(jì)劃的可執(zhí)行性（平均γ通過率均＞95%），表明臨床應(yīng)用SRS MapCHECK進(jìn)行立體定向放療計(jì)劃驗(yàn)證時(shí)可采用3%/1 mm和2%/1 mm的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步嚴(yán)格要求可采用更嚴(yán)格的2%/1 mm評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

本研究亦存在一定的局限性：由于現(xiàn)有條件的不足，未進(jìn)行射野大小依賴性等劑量學(xué)特性測試；在臨床案例測試上，未考慮多靶區(qū)多中心的放療計(jì)劃的劑量驗(yàn)證，亦未區(qū)分FF模式和FFF模式下的放療計(jì)劃的γ通過率情況。未來的工作中，條件成熟時(shí)將進(jìn)行射野大小依賴性的測量，以確定SRS MapCHECK探測器陣列適合的射野范圍；同時(shí)，采集更多的病例并進(jìn)行細(xì)分，研究不同納入標(biāo)準(zhǔn)下放療計(jì)劃的γ通過率情況，為其臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)。

綜上所述，SRS MapCHECK探測器陣列具有良好的劑量學(xué)特性，可滿足臨床立體定向放療計(jì)劃劑量驗(yàn)證的要求；當(dāng)采用γ分析進(jìn)行劑量驗(yàn)證時(shí)，可采用更嚴(yán)格的2%/1 mm評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。