多層放射性鉻膠片劑量驗證系統(tǒng)的研制*

張 可 謝玲靈 張中柱 戴建榮*

多層放射性鉻膠片劑量驗證系統(tǒng)的研制*

張 可① 謝玲靈② 張中柱② 戴建榮①*

目的：采用放射性鉻膠片(RCF)快速準確地驗證調強放射治療(IMRT)形成的復雜劑量分布，研制多層RCF劑量驗證系統(tǒng)。方法：以RCF為載體，利用測量模體、RCF、膠片掃描儀及驗證軟件的劑量驗證系統(tǒng)實施測量及分析；模體模擬人體外形，包含多種專用模塊，軟件包含二維、三維無標記點配準及驗證分析功能。結果：模體凸凹槽結構結合軟件無標記點自動定位功能，可快速完成膠片的固定及其與計劃數(shù)據(jù)的配準以及RCF的免沖洗自動顯影，減少了調強放射治療測量和分析的不確定因素，減少物理師工作量?；颊哒{強驗證以劑量偏差3%和3 mm距離偏差為控制標準，6個臨床病例的伽馬分析通過率均＞90%。結論：多層RCF劑量驗證系統(tǒng)是調強適形放射治療劑量驗證和常規(guī)質量保證的多用途工具，具有方便、準確、真實、海量信息及多用途等特點，可用于對直線加速器、伽瑪?shù)?、射波刀、后裝機及粒子植入等放射治療設備質量驗證和調強治療患者劑量的二維、三維驗證。

放射性鉻膠片；劑量驗證系統(tǒng)；調強放射治療

[First-author’s address] Department of Radiation Oncology, Cancer Institute (Hospital), Chinese Academy of Medical Sciences, Beijing 100021, China.

調強放射治療(intensity modulated radiation therapy，IMRT)是三維適形放療的一種，其輻射野內劑量強度按一定要求進行調節(jié)，并具有高劑量區(qū)與靶區(qū)在三維空間上形狀一致、靶區(qū)邊緣劑量梯度大的特點，目前已被放射腫瘤學家認為是放療史上的一項革命和本世紀放療發(fā)展的必然趨勢[1]。但IMRT是一項復雜的技術，在實施的過程中任一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)差錯都可能引起很大的治療誤差，因此IMRT的質量保證(qualily assurance，QA)和質量控制(qualily control，QC)是急需解決的重要問題。

為了保證IMRT的治療質量，必須對治療過程進行劑量學驗證。然而，現(xiàn)有劑量驗證工具基本只滿足二維平面劑量驗證的需要，而不能驗證多個層面和三維的劑量分布，為此本研究研制了一套多層放射性鉻膠片(radiochromic film，RCF)劑量驗證系統(tǒng)。

1 RCF劑量驗證系統(tǒng)的組成

1.1 測量模體

一種多功能測量模體，通過定位棒插入定位孔將各層模板固定成一體(如圖1、圖2所示)。

圖1 測量模體實物圖

圖2 測量模體整體分解示意圖

多功能測量模體既可用于單層的二維膠片劑量驗證，也可用于多層的三維膠片劑量驗證，還可用于加速器燈光野與射野的一致性、射野平坦度和對稱性、MLC位置精確性及等中心星形野等日常質量保證工作。測量模體主要有7大特點：①外形為橢圓型仿人形工程模體，接近于人體，當射線傾斜或旋轉照射時輪廓無突變，可減少因模體尖銳邊緣造成的影像偽影問題；②整體為非均勻材料模體結構，無骨和肺組織等效模塊，為評價計劃系統(tǒng)處理高梯度組織交界面的能力提供了條件；③設置了可選多種插入電離室進行多點點劑量測量，多道探測器板也可用于半導體點劑量的測量；④采用透明材料制成，具有良好的視覺透明性，物理師可以清楚地看到膠片、電離室及半導體探測器在模體中的位置；⑤模體上表面和4個側面均刻有高精度寬1 mm的中心標志線，可以迅速地完成擺位、定位、拍片及測量工作，進行三維模擬掃描；⑥模體配有多塊5 mm和10 mm厚度標準的建成測量板，通過靈活地組合模板的種類和數(shù)量實現(xiàn)不同測量深度的劑量測量和驗證；⑦膠片測量板的正面設置有凹槽，用于放置患者治療劑量驗證的醫(yī)學膠片，背面設置有凸臺，用于壓緊放入的醫(yī)學膠片，從而保證醫(yī)學膠片能夠良好地接觸，一次性快速、方便地將多張免沖洗膠片分層精確配準，減少沖洗膠片和膠片配準造成的不確定性，減少物理師工作量。模體膠片測量部分設置了多達5層的放射性鉻膠片凹槽，以多層膠片的射野場圖像疊加，創(chuàng)建患者調強治療的三維劑量場分析手段。在臨床上可根據(jù)調強驗證工作需要，自行設置1～5層膠片接受輻照，并使用配套劑量分析軟件，得到二維和(或)三維劑量場分布數(shù)據(jù)。

1.2 RCF

RCF中的感光成分是一種不飽和烴單體的微晶粒，亞納米級大小的單體晶粒均勻分布于凝膠基質中，覆蓋于片基上。當膠片受到電離輻射時不飽和烴單體發(fā)生聚合作用，生成一種染料的聚合體，膠片因此而顯色[2]。隨著顏色的加深(即聚合體數(shù)量的增加與吸收的劑量成一定比例)，從而量化輻射劑量數(shù)值。RCF具有寬廣的劑量范圍(1～4000 cGy)，明室操作，可裁剪成需要的形狀，防水處理，可短時間在水箱中使用，特殊表面涂層，避免牛頓環(huán)偽影，空間分辨率高(0.005 mm)，近組織等效，無需顯影、定影等化學處理及暗室操作，具有顯著的放射物理應用潛在優(yōu)勢[3-4]。

1.3 膠片掃描儀

膠片掃描儀與平板掃描儀相比，常規(guī)的CCD掃描儀具有較大的光源散射影響。平板掃描儀的掃描光源更接近膠片，掃描光源的長短和其與膠片距離的遠近決定了散射干擾的強弱，因此常規(guī)的CCD掃描儀產生的散射干擾比平板掃描儀大。在平板掃描儀中，推薦采用Epson 11000XL掃描儀來配合使用放射性鉻膠片，該種掃描儀擁有48位的彩色信號輸出(每種顏色16位)，有31.0 cm×43.5 cm的掃描范圍，全彩輸出中的紅色信號配合放射性鉻膠片的特性能得到最好的對比度。同時，Epson 11000XL掃描儀的穩(wěn)定性和噪聲響應特性較好，支持透掃和反射掃描2種掃描方式，且性價比很高，具備良好的市場推廣前景。

1.4 驗證軟件

針對驗證系統(tǒng)硬件專門編制了膠片劑量驗證軟件。軟件QA系統(tǒng)是基于NI LabVIEW 2011軟件平臺和Microsoft Access Driver數(shù)據(jù)庫的三維適形、X射線三維立體定向放射治療(X刀)、逆向調強和旋轉調強等精確放射治療的膠片劑量驗證的軟件工具，其主要功能是通過對膠片圖像和計劃系統(tǒng)計算數(shù)據(jù)的分析處理，不僅從圖形上給出膠片與計劃之間等劑量線、離軸比之間的結果分析，同時定量地給出了計劃系統(tǒng)與實際照射結果之間的偏差分析，通過DD/DTA/ Gamma等驗證方法得到其通過率，以驗證計劃的可實行性。該軟件通過解析DICOM RT協(xié)議獲取治療計劃系統(tǒng)計劃數(shù)據(jù)，與Epson11000XL掃描儀連接接收膠片掃描結果進行比較分析，驗證軟件中內置膠片模板便于使用者準確配準，實現(xiàn)了對多層膠片劑量數(shù)據(jù)與計劃劑量數(shù)據(jù)的二維及三維多參數(shù)分析，操作流程簡單、快捷和方便(如圖3、圖4、圖5所示)。

圖3 多層膠片實際放置圖

圖4 TPS三維解析圖

圖5 膠片劑量驗證系統(tǒng)邏輯流程圖

除研制了上述劑量驗證軟件以外還編制了膠片設備質量保證軟件。作為針對60Co治療機、X刀和直線加速器等精確放射治療設備的QA工具，實現(xiàn)了對放療設備燈光野與射野一致性、星形野、多葉準直器位置精確性、平坦度及對稱性等方面的測量。

2 實驗方法

2.1 試驗條件

1.2.3 統(tǒng)計學方法使用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件包進行分析。計數(shù)資料采用c2檢驗,檢驗水準α=0.05。

試驗中采用RCF配合電離室的測量方法，在測量模體中插入電離室進行點劑量測量，使用本研究研制的測量模體，測量膠片在模體冠狀面的劑量分布，以專用驗證軟件對患者調強劑量場和放療設備QA進行驗證。

2.2 劑量驗證

(1)等中心點吸收劑量的驗證。①在測量模體等中心點設置模擬病灶靶點，在測量模體的表面設置2個以上的體表標志點，分別確定這些標志點的物理坐標；②采用膠帶固定模體標志點，保證體表標志點坐標的準確性，通過體表標志點來確定模體的空間坐標系；③將電離室插入模體中，此模體連同電離室一起在螺旋CT機下掃描，掃描層厚為3 mm，獲得相應模體的斷層CT影像數(shù)據(jù)，將圖像和定位數(shù)據(jù)傳入治療計劃系統(tǒng)(treatment planning system，TPS)軟件中，以體表的標志點為坐標參考點重建模體的三維圖像，將電離室中心作為靶區(qū)中心，并給出照射靶點的坐標，確定靶區(qū)的范圍；④將帶有電離室的模體放置于治療床上，將電離室連接至劑量儀，按以上計劃分別進行照射。將測量結果與計算結果進行比較并計算其偏差：偏差=(計算值-實測值)／實測值×100%，偏差應＜3%的標準。

(2)膠片的刻度。劑量與OD響應曲線也稱特征曲線(概念最初由Huter和Driffield于1890年提出，故也稱之為H&D曲線[5])是用來描述劑量與光學密度對應關系的曲線，是進行膠片劑量分析和評估的基礎。當使用膠片進行劑量分析和評估時，由于膠片表現(xiàn)為灰階信號，描述掃描儀掃描膠片后的模擬數(shù)字轉換器(analog-to-digital converters，ADC)信號值，不直接反應劑量，因此在進行劑量評估時需建立劑量值與OD值的對應關系[6]。由于RCF采用掃描儀的紅通道讀取各像素點的像素值，而不是采用常規(guī)的光學密度值，故劑量校準時采用劑量-像素值曲線描述劑量與膠片的紅通道像素值的對應關系。

在放射儀器標定的標準條件下(6 MV X射線，SSD為100 cm，射野為10 cm×10 cm，模體內深度為1.5 cm)分別給予等間距或不等間距的吸收劑量，將膠片放入模體中得到膠片相應的刻度曲線。

放射鉻校準片對劑量分布的適當校準是獲得精確結果的關鍵。校準片包括：①4個以上劑量校準值(推薦8～13個)；②校準點的值必須大于照射野的最大劑量值，最大的校準值必須大于照射野的最大劑量值的20%以上。

(3)膠片測量。①曝光校準用片：校準的劑量值必須分別曝光在單獨的小塊膠片上，裁剪膠片時應確保每張膠片掃描方向的一致性。只要每塊校準值區(qū)域的累積劑量值能用電離室來確認，可用整張膠片進行校準；②曝光病患治療用片：將加速器機架置于0o，在治療床上拼裝測量模體，將膠片水平放置于模體中，膠片必須放置在治療野等中心位置曝光并且用基準點做好標記。將膠片放置于測量模體中，關上模體，按照計劃在適當?shù)纳疃日丈洌虎郯雌毓忭樞驋呙枘z片，放射自顯影鉻膠片無需洗片機沖洗，但其需要2 h左右進行自顯影以達到穩(wěn)定狀態(tài)。為得到最佳效果，所有的膠片必須被放置在掃描平臺的中心進行掃描，并且每張膠片掃描與曝光的間隔時間也盡量一致。

劑量差異標準是指將同一平面上由TPS計算得到的劑量值與實際測量得到的劑量值在相應的位置進行簡單的相減而得到的劑量差異分布[7-9]。通過劑量差異分布圖，能夠識別計算值與實際測量值不符合的位置或區(qū)域，分辨劑量差異的大小程度。劑量差異分為2種類型，如果比較絕對劑量則稱為絕對劑量差異；如果比較歸一后的值則稱為相對劑量差異。如測量值與系統(tǒng)的計算值的偏差在±3%以內則通過，反之不通過。

DTA是指評估的測量點和與之匹配的TPS計算平面上距離測量點最近的并與這一測量點具有相同劑量值的點之間的距離[10-12]。如在系統(tǒng)計算的劑量分布平面內以該點為圓心，在以3 mm為半徑的圓形區(qū)域內，如果存在與該點測量劑量相等的點，則視為該點滿足3 mm的誤差要求并通過，反之不通過。

Low等[13]于1998年提出γ因子概念，在劑量評估時將劑量差異和DTA結合在一起進行計算，能夠定量地計算出計算與測量之間的誤差大小。Gamma方法對TPS計算的劑量點與測量的劑量點逐個進行像素與對應像素的檢驗，符合條件的則γ≤1，不符合條件的則γ＞1。

2.3 設備質量保證

采用測量模體，等中心(靶點的中心)設置在模體的中心，坐標為(0，0，0)，距離模體表面為15 cm。垂直治療床指向地面的方向設為坐標的Z軸，指向患者頭部的方向為Y軸，XY平面與治療床平行。采用測量膠片，放置在過等中心的XY平面上照射，以實際情況曝光光野射野一致性、MLC靜態(tài)位置到位精度、星形野等膠片，并應用本研究研制的軟件進行設備質量保證分析。

2.4 實例驗證

(1)設備。加速器：Elekta Synergy；能量為6 MV；電離室：IBA FC65-G(0.6 CC)；劑量儀：IBA DOSE1；膠片：EBT3、RTQA2；膠片劑量驗證系統(tǒng)：MULTIFILMQA測量模體、Epson掃描儀、Patient QA劑量驗證軟件；計劃系統(tǒng)：Philips Pinnacle 9.0；計算方法：Collapsed Cone。

(2)治療計劃資料。2013年臨床實際使用的調強放射治療的患者計劃隨機抽取6例。

(3)測量結果(如圖6所示并見表1)。

圖6 劑量與紅綠藍三通道像素值響應曲線

表1 劑量評估結果(%)

3 結論

使用RCF劑量驗證系統(tǒng)省略了與暗室和沖片機相關的時間、空間、化學污染及費用支出等，消除了難以應對的由沖片機引入的測量誤差，簡化了系統(tǒng)的質量控制過程。多功能測量模體可用于常規(guī)放射治療，三維適形放療和逆向調強放療的質量保證和放療設備QA控制。

多層RCF劑量驗證系統(tǒng)是調強適形放射治療劑量驗證和放療設備質量保證的多用途工具，具有方便、準確、真實、信息海量及多用途等特點，既可用較為簡捷方便的手段實現(xiàn)三維旋轉調強劑量驗證，也可用于常規(guī)調強、適形驗證和加速器、伽瑪?shù)?、鈷機、射波刀、后裝機和粒子植入等放療設備的日常質量保證工作。

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Development of multi-layer radiochromic film dose verification system

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ZHANG Ke, XIE Ling-ling, ZHANG Zhong-zhu, et al// China Medical Equipment,2014,11(2):1-5.

Objective: Multifilm QA(Quality Assurance) system is developed to guarantee the quality of radiotherapy, and verify the dose distribution of IMRT more accurately. Methods: Radiochromic film is used as carrier and the dose analysis system is composed of phantom, radiochromic film, film scanner and analysis software. The phantom is shaped as human body, and it consists of appropriative modules for ionization chamber, film and MOSFET dosimeters and inhomogeneous module containing lung and bone density inserts. Software provides unique functions in 2D and 3D registering and analyzing, facilitates plan verifications and routine quality assurance programs. Results: The tongue and groove joint and the automatic register function make the film fixing and register convenient. Combined with the self-developed radiochromic film, the uncertainties in measurement and analysis are reduced, and physicist's workload is also diminished. The gamma index passing rate for 6 cases are all over 90% with 3% dose difference and 3mm DTA criteria. The system can be used for the machine QA, such as linear accelerator, gamma knife, cyber knife, afterloading unit, interstitial brachytherapy as well as the patient specific 2D and 3D IMRT plan QA. Conclusion: Multifilm QA system is a versatile tool for IMRT dose verification and regular quality assurance. It is convenient, accurate, authentic, huge amounts of information and multi-purpose, etc. It can be used in the dose verification for VMAT and IMRT plan besides daily quality assurance of accelerator.

Radiochromic film; Dosimetric verification system; Intensity modulated radiation therapy

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.02.001

1672-8270(2014)02-0001-05

R812.2

A

2013-10-16

國家科技支撐計劃(2011BAI12B05)“基于電子直線加速器的快速調強與影像引導放療系統(tǒng)”

①中國醫(yī)學科學院腫瘤醫(yī)院放射治療科 北京 100021

②北京中康聯(lián)醫(yī)療器械開發(fā)有限公司 北京 101111

*通訊作者：dai_jianrong@163.com

張可,男,(1979- ),博士研究生，助理研究員。中國醫(yī)學科學院腫瘤醫(yī)院放射治療科，研究方向:放射治療質量保證。