二維半導體電離室矩陣在食管癌調強放射治療劑量驗證中的應用

齊洪志 楊玉剛 郝 潔 許 林 尚 革*

二維半導體電離室矩陣在食管癌調強放射治療劑量驗證中的應用

齊洪志①楊玉剛①郝 潔①許 林①尚 革①*

目的：探索Mapcheck二維半導體電離室矩陣在食管癌調強放射治療(IMRT)劑量驗證中的應用。方法：選取12例接受IMRT的食管癌患者，創建質量保證(QA)計劃，并分別傳入Mapcheck劑量驗證系統和醫用電子直線加速器。對12例患者的IMRT計劃使用二維半導體電離室矩陣檢測加速器劑量輸出結果，并進行劑量結果分析。結果：采用業內普遍使用的計算網格3 mm，誤差3%及閾值偏差10%的評判標準，實際測量的劑量分布與QA計劃計算的劑量分布在對應的幾何平面分布較為一致，在劑量偏差為3%、位移偏差3 mm和閾值偏差10%的條件下γ射線平均通過率為96.3%；劑量偏差5%、位移偏差5 mm的條件下γ射線平均通過率為99.9%。結論：二維半導體電離室矩陣操作相對簡單，在測量要求和測量結果上完全能夠滿足臨床需求，對指導放射治療具有一定的意義。

二維半導體電離室矩陣；劑量驗證；質量保證；食管腫瘤；放射治療；醫用直線加速器

[First-author’s address]Cancer Center, The First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumchi 830054, China.

目前，調強放射治療(intensity modulated radiation therapy，IMRT)技術已廣泛應用于食管癌的治療，但由于IMRT計劃設計、劑量計算及計劃實施等過程非常復雜，存在較多不確定因素，因此治療前必須對患者治療計劃做劑量驗證，以確保劑量計算和計劃執行的準確性[1-3]。本研究對12例食管癌患者的IMRT計劃用Mapcheck二維半導體電離室矩陣進行平面劑量驗證，旨在為二維劑量驗證的臨床應用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 設備與軟件

(1)Synergy醫用電子直線加速器(瑞典醫科達公司)，多葉準直器(multi-leaf collimator，MLC)葉片數為40對，每個葉片在等中心處投影為10 mm。

(2)Monaco 3.2放射治療計劃系統(瑞典醫科達公司)：采用蒙特卡羅算法完成患者IMRT計劃的設計，并生成對應的放射治療計劃的質量保證(quality assurance，QA)計劃。

(3)Mapcheck二維半導體電離室矩陣(美國 Sun Nuclear公司)。Mapcheck由445個半導體電離室探測器組成，在10 cm×10 cm區域內，探測器中心間隔的距離為0.7 cm，在此區域之外，探測器中心間隔的距離為1.4 cm，最大測量面積為22 cm×22 cm。

1.2 IMRT方法

選用Monaco3.2版本放射治療計劃系統，對2015年7月至2016年4月在新疆醫科大學第一附屬醫院行IMRT治療的12例食管癌患者進行IMRT計劃。選用蒙特卡羅算法，計算網格為3 mm×3 mm。使用Synergy醫用電子直線加速器，能量選用6 MV的X射線。采用5野IMRT方式，處方劑量為計劃靶區(planing target volume，PTV)D95%接受60 Gy劑量。危及器官(organ at risk，OAR)為雙肺、心臟和脊髓。

1.3 劑量驗證方法

(1)創建QA驗證模體。使用CT模擬定位機對模體進行掃描，模體由Mapcheck二維半導體電離室矩陣和不同厚度的固體水組成，其組合方式為：①分別在Mapcheck上、下放置厚度為3 cm和6 cm的固體水，利用定位激光燈顯示出Mapcheck的中心位置，并在相應位置貼放鐳射標記；②掃描范圍包括整個固體水和Mapcheck，掃描圖像傳至治療計劃系統(therapy planning system，TPS)作為驗證模體保存。

(2)創建QA計劃。將患者IMRT計劃移植到驗證模體，分別將機架、機頭角歸一到0o，生成驗證計劃，驗證計劃的等中心設置在Mapcheck的中心位置，照射野的大小及其他參數不變，重新計算劑量。劑量輸出面為等中心處的橫斷面。

(3)絕對劑量校準。機架角設置為0o，源皮距為95 cm，照射野10 cm×10 cm，加速器輸出劑量100 MU。將0.6 cm3指型電離室與二維矩陣有效測量點置于5 cm等效水深度處，分別重復測量3次，分析處理兩測量值得出絕對劑量校準因子。

(4)驗證測量。將選取的IMRT計劃以DICOM格式傳輸至MOSAIQ放射治療網絡執行驗證治療，將Mapcheck分析軟件和固體水組成的驗證模體與計算機連接，采集并保存實際測量的劑量信息。同時將QA計劃的劑量信息以DICOM格式導入Mapcheck分析軟件中，對比實際測量的劑量分布結果與QA計劃計算出的劑量分布結果。

1.4 統計學方法

使用Mapcheck分析軟件計算劑量偏差在3%、4%和5%，位移偏差為3 mm、5 mm，閾值偏差為10%條件下的γ射線通過率，并比較QA計劃劑量分布與實際測量劑量分布差異；利用左右、槍靶、正斜對角及負斜對角等劑量分布對比曲線分析比較計劃與實際測量產生的曲線吻合度。

2 結果

(1)根據國際輻射單位與測量委員會(Internation Commission on Radiation Units and Measurements，ICRU)第83號報告建議以及相關文獻報道，在3%劑量偏差、位移偏差3 mm和閾值偏差10%條件下γ射線通過率＞90%為該劑量分布滿足臨床治療要求標準，患者治療計劃可執行實施[4-8]。在本研究中，選取的12例食管癌患者行IMRT計劃均符合臨床實施治療標準。在3%、3 mm條件下γ射線通過率偏低，平均值為96.3%，在5%、5 mm條件下γ射線通過率較高，平均值為99.9%，這與實際情況相一致(見表1)。

表1 12例食管癌患者調強放射治療計劃在不同偏差條件下的γ通過率(%)

(2)在Monaco放射治療計劃系統中，將所選取食管癌患者的IMRT計劃移植到QA驗證模體上，分別將機架、機頭角歸一到0°，生成驗證計劃，驗證計劃的等中心設置在Mapcheck分析軟件的中心位置。計算劑量分布后，輸出QA計劃，以DICOM格式導入到Mapcheck分析軟件中。將驗證模體擺放至直線加速器治療床上實施照射，實際測量得到的劑量分布結果如圖1所示。

圖1 計劃劑量與實際測量劑量分布圖

(3)將計劃劑量分布圖與實際測量劑量分布圖進行比較，通過對圖像劑量分布的左右、前后及對角線等劑量分布對比曲線分析結果顯示，在廣泛低劑量區域曲線吻合度很好，較差區域主要集中在高劑量梯度區域。由于Mapcheck分析軟件有效探測面積為22 cm×22 cm，故在射野邊緣出現了曲線較大分離情況。在左右方向上(即水平軸方向)計劃劑量分布與實際測量劑量分布的差異如圖2所示。

圖2 水平軸方向上計劃與實際測量劑量差異圖

3 討論

由于IMRT技術與三維適形放射治療技術相比較更為復雜，且照射野內劑量梯度變化較大，因此在執行過程中有嚴格的質量控制和質量保證的要求，在患者實施治療前進行治療計劃的劑量驗證是其必不可少的步驟[9-11]。在進行計劃驗證之前，應進行相應的時間和劑量預熱，計劃驗證工作一般選擇在周末或者平時治療工作結束后進行，一定劑量的預熱可以保證直線加速器的劑量輸出穩定性[12-13]。此外，為保證Mapcheck分析軟件半導體探頭對劑量響應線性，充分預熱可以保證測量設備的穩定性和準確性，一般至少需要400～600 MU。有文獻報道，充分預熱與不預熱下所測數據差異可達2%[14]。同時，考慮到計劃驗證時，在測量和分析到采集下個計劃劑量信息過程中，會有一段空白時間，此間隔長短也會帶來測量數據差異。Lang等[15]報道，兩次測量間隔＞5 min時劑量響應相差1%，＞20 min時劑量響應誤差可達2%。

本研究在實施劑量驗證時，測量結果與QA計劃計算結果均使用位于等中心處橫斷面劑量進行分析，其結果顯示，全組計算得到的劑量結果與測量得到的劑量結果符合度均較高，平均γ射線通過率達到96.3%(3%、3 mm)。在對通過率差異比較中發現，計劃驗證γ射線通過率受到以下因素影響：①劑量分布比較復雜、劑量梯度變化較大的食管癌患者計劃通過率相對偏低[16]；②溫度、氣壓等測量環境因素不同導致加速器輸出劑量狀態差異，如平坦度、對稱性的偏差均可導致γ射線通過率下降[17]；③加速器硬件導致的系統誤差，如MLC到位精度；④驗證模體的擺位和測量誤差等人為因素影響。

4 結語

本研究使用的Mapcheck分析軟件屬于二維劑量驗證設備，在實施測量時需要將治療計劃的實際角度歸一到0°進行測量，因此相比三維劑量驗證設備在測量結果上不能反映不同角度機架對測量結果的劑量影響因素。但相比三維劑量驗證設備，二維劑量設備價格便宜，操作相對簡單，在測量要求和測量結果上完全能夠滿足臨床需求。

[1]黃曉延，黃劭敏，張黎，等.三維治療計劃系統的劑量學驗證[J].中華放射腫瘤學雜志，2006，15(6)：496-500.

[2]劉丹，遲子鋒，張偉，等.食管癌調強放療計劃劑量學驗證研究[J].中華放射腫瘤學雜志，2011，20(1)：64-68

[3]陳維軍，狄小云.調強放療的劑量學驗證研究進展[J].腫瘤學雜志，2011，17(1)：67-70.

[4]ICRU.Prescribing，recording and reporting photonbeam intensity-modulated radiation therapy. ICRU Report 83[S].Oxford：Ox-ford University Press，2010.

[5]Poppe B，Blechschmidt A，Djouguela A，et al.Twodimensional ionization chamber arrays for IMRT plan verification[J].Med Phys，2006，33(4)：1005-1015.

[6]張福利，王雅楷，劉清智，等.應用Delta4三維探測器陣列進行螺旋斷層治療計劃劑量驗證[J].中華放射腫瘤學雜志，2013，22(4)：309-311.

[7]戴越，胡春紅，李小東，等.MatriXX兩種調強放射治療劑量驗證方法的比較分析[J].中華放射腫瘤學雜志，2013，22(4)：312-414.

[8]Fenkell L，Kaminsky I，Breen S，et al.Dosmetric comparison of IMRT VS.3D conformal radiotherapy in the treatment of cancer of the cervical esophagus[J].Radiother Oncal，2008，89(3)：287-291.

[9]Ezzell GA，Burmeiste JW，Dogan N，et al.IMRT

[10]van Zijtveld M，Dirkx ML，de Boer HC，et a1.3D dose reconstruction for clinical evaluation of IMRT pretreatment verification with an EPID[J]. Radiother Oncol，2007，82(2)：201-207.

[11]黃寶添.TruebeamTM直線加速器的性能檢測和質量保證[J].中國醫學裝備，2015，12(1)：50-53.

[12]Schreibmann E，Dhahaan A，Elder E，et a1.Patientspecific quality assurance method for VMAT treatment delivery[J].Med Phys，2009，36(10)：4530-4535.

[13]Godart J，Korevaar EW，Visser R，et al.Reconstruction of high-resolution 3D dose from matrix measurements：error detection capability of the COMPASS correction kernel method[J]. Phys Med Biol，2011，56(15)：5029-5043.

[14]Nelms BEI，Zhen H，Tome WA.Per-beam，planar IMRT QA passing rates do not predict clinically relevant patient dose ercors[J].Med Phys，201l，38(2)：1037-1044.

[15]Lang S，Reggiori G，Puxeu·Vaquee J，et a1. Pretreatment quality assurance of flattening filter free beams on 224 patients for intensity moddated plans：a muhieentrie study[J].Med Phys，2012，39(3)：1351-1356.

[16]Rhein B，Haering P，Debus J，et al.Dosimetric verification of IMRT treatment plans at the german cancer center[J].Med Phys，2002，12(2)：122-132.

[17]Gustavsson H，Karlsson A，Back SA，et al. MAGIC-type polymer gel for three dimensional dosimetry：intensity-modulated radiation therapy verification[J].Med Phys，2003，30(6)：1264-1271.

The application of two-dimensional semiconductor ionization chamber matrix in the dose verification of intensity modulated radiation therapy for esophageal cancer/

QI Hong-zhi, YANG Yu-gang, HAO Jie, et al//China Medical Equipment,2017,14(2):15-18.

Objective:To explore the application of Mapcheck two-dimensional semiconductor ionization chamber matrix in the dose verification of intensity modulated radiation therapy (IMRT) for esophageal cancer.Methods:To select 12 esophageal cancer patients treated by IMRT and to create quality assurance (QA) plans for them, and introduce the Mapcheck dose verification system and the medical electron linear accelerator to the QA plans. To use the twodimensional semiconductor ionization chamber matrix to detect the dose output of accelerator for the 12 patients and then analyze the dose results.Results:Grid 3 mm, 3% dose deviation and 10% deviation threshold were adopted as criterion; at this criterion, the dose distribute of actual measured was consistency with QA plan on geometry plane and the Gamma-ray average passing rate was 96.3%; however, Gamma-ray average passing rate can achieve to 99.9% when dose deviation was 5% and displacement deviation was 5 mm.Conclusion:Two dimensional semiconductor ionization chamber matrix operation is simpler than traditional operation, and it's measurement demand and measurement result can completely meet the clinical requirement, therefore, this operation is value and useful when guide clinical radiotherapy.

Two-dimensional semiconductor ionization chamber matrix; Dose verification; Quality assurance; Esophagus cancer; Radiotherapy; Medical linear accelerator

1672-8270(2017)02-0015-04

R816.5

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.02.005

2016-10-11

①新疆醫科大學第一附屬醫院腫瘤中心 新疆 烏魯木齊 830054

*通訊作者：290576002@qq.com

齊洪志,男,(1982- ),碩士，主管技師。新疆醫科大學第一附屬醫院腫瘤中心，從事放射物理和放射治療質量控制工作。