ArcCheck的劑量學特性測量及其對VMAT計劃的驗證

王濤，程秀艷，郭躍信

1.鄭州大學第一附屬醫院放射治療部，河南鄭州450000；2.河南省腫瘤醫院放療科，河南鄭州450000

前言

腫瘤放射治療技術的快速發展使得醫用電子直線加速器越來越廣泛地應用于放射治療。三維適形放療、調強放療、圖像引導放療等新技術的應用對放射治療的質量保證/質量控制不斷提出新的要求［1］。容積調強放射治療技術（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）作為一種新的調強放療實現方式，越來越多地應用于腫瘤的放射治療。VMAT技術的復雜程度對治療前的質量保證和劑量驗證要求也越來越高。傳統的膠片驗證方法費時費力，也比較浪費資源。三維半導體矩陣在VMAT計劃的驗證上相對比較簡便，已廣泛應用于VMAT計劃的劑量驗證［2］。本研究旨在對三維半導體矩陣ArcCheck模體探測器的劑量學特性進行測量，對其性能進行分析，從而為放射治療提供指導。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究采用Varian Eclipse計劃系統、美國Varian RapidArc直線加速器和螺旋形半導體探測器陣列ArcCheck及其配套的SNC Patient V6.1.1劑量分析軟件。ArcCheck螺旋形半導體探測器陣列（圖1a）共有1 386個探測器，分別植入距離ArcCheck模體中心均為10.4 cm的22塊呈正22邊形排列的印刷電路板上，每塊電路板上等距離分布3列探測器進行三維劑量驗證［3］。所采用的探測器為Sun Nuclear SunPoint?Diode Detectors，探測器橫截面和靈敏體積分別為0.64 mm2、0.000 019 cm3，臨床上被證明為是最小、最穩定、最適合做復雜調強計劃質量保證的探測器。ArcCheck模體是中空的圓柱體，內直徑為15.1 cm，外直徑為26.6 cm（圖1b），中空部分可插入測量使用的套件。

圖1 三維半導體矩陣ArcCheck及其內部結構Fig.1 Three-dimensional semiconductor matrix ArcCheck and its internal structure

1.2 ArcCheck模體探測器劑量學特性的測量

1.2.1 重復性射野大小為27 cm×25 cm，機架角與機頭角度均為0°，6 MV X線，劑量率為400 MU/min，機器跳數為100 MU，在加速器物理模式下出束，使用SNC Patient V6.1.1劑量分析軟件記錄模體探測到的絕對劑量，重復測量20次。

1.2.2 能量響應射野大小為27 cm×25 cm，機架角與機頭角度均為0°，6 MV X線，劑量率為400 MU/min，機器跳數分別為5、10、15、20、25、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、600 MU，在加速器物理模式下出束，重復測量3次取平均。利用Excel 2003辦公軟件進行線性度計算。

1.2.3 角度響應射野大小為27 cm×25 cm，6 MV X線，劑量率為400 MU/min，機器跳數為100 MU，機頭角度為0°，機架角從180°開始15°等間隔測量一周至195°，在加速器物理模式下出束，重復測量3次取平均。

1.2.4 劑量率響應射野大小為27 cm×25 cm，機架角與機頭角度均為0°，6 MV X線，機器跳數為100 MU，在加速器物理模式下出束，劑量率分別為100、200、300、400、500、600 MU/min，重復測量5次取平均值。

1.3 VMAT計劃驗證的測量

選取鄭州大學第一附屬醫院自2015年8月到2016年8月的150例病人（其中宮頸癌、食管癌和鼻咽癌各50例）的VMAT計劃進行三維劑量驗證，將ArcCheck置于加速器治療床上，對ArcCheck進行本底校準、矩陣校準和絕對劑量校準。在加速器臨床模式下，按照模體驗證計劃出束。將測量結果與治療計劃進行比較，取最大劑量點為歸一點，去除劑量值小于歸一點劑量10%的點，采用絕對劑量結合等劑量距離差別的計算方法，分別取3%/3 mm和2%/2 mm標準得到每個計劃的通過率。

1.4 統計學處理

數據的處理采用SPSS 18.0統計學軟件，曲線的獲取采用Excel 2003辦公軟件。

2 結果

2.1 重復性

以20次測量所得的模體頂部正中探頭的絕對劑量的平均值歸一，得到重復性的變化曲線（圖2）。統計軟件分析得出20次測量值歸一后的平均值為0.990 6，標準差為0.009 0。

圖2 重復性的曲線Fig.2 Curve of reproducibility

2.2 能量響應

對機器跳數為5～600 MU時所測得的模體頂部正中探頭的絕對劑量做直線回歸（圖3），得到擬合的回歸方程為：

其中，X為機器跳數；Y為模體頂部正中探頭的吸收劑量；常數項為-0.257 5，標準差為0.121 5。回歸系數反映了ArcCheck的能量響應，其標準差為5.368 7E-4。在機器跳數為5～600 MU時，探頭依然具有十分良好的線性度。

2.3 角度響應

在ArcCheck模體上集成所有1 386個探測器的22塊印刷電路板（在橫斷面上呈正22邊形分布）。考慮左右對稱性，對ArcCheck頂部左側縱軸方向上的21個探測器在180°～195°內的測量值求平均，以模體測量的最大值歸一，得到角度響應的曲線（圖4）。

圖3 能量響應的曲線Fig.3 Curve of energy response

圖4 角度響應的曲線Fig.4 Curve of angle response

2.4 劑量率響應

將測量得到的不同劑量率的模體頂部正中探頭的絕對劑量以治療時常用的劑量率（400 MU/min）歸一，得到劑量率響應的曲線（圖5）。歸一化度數的平均值為0.997 5，標準差為0.005 5。

圖5 劑量率響應的曲線Fig.5 Curve of dose-rate response

2.5 計劃劑量驗證

VMAT計劃的劑量驗證計劃過程如圖6所示。導入ArcCheck模體（模體的CT圖像由鄭州大學第一附屬醫院的TomoTherapy的MVCT掃描得到），將患者的治療計劃移植入ArcCheck模體中，得出模體的VMAT計劃。

VMAT計劃ArcCheck劑量驗證所得的劑量分布與TPS計算結果的比較分析如圖7所示。其中，ArcCheck模體比較的是圓柱體分攤開后的二維劑量分布圖，這相當于將圓柱形的模體從一個位置剪開，攤成一個平面再與計劃里的相同平面的劑量分布進行比較。

圖6 ArcCheck模體驗證計劃示意圖Fig.6 ArcCheck phantom for VMAT plan verification

圖7 ArcCheck劑量驗證分析示意圖Fig.7 Analysis of ArcCheck dose verification

150例患者VMAT計劃的通過率為：（1）3%/3 mm標準的通過率均值為98.227%，標準差為2.3159；（2）2%/2 mm標準的通過率均值為92.442%，標準差為6.999 8。

3 討論

VMAT計劃的高度復雜性決定了其在計劃執行前必須進行準確的劑量驗證，以保證計劃可以準確實施。三維半導體矩陣ArcCheck可以直接獲得三維的劑量分布，方便快捷。只有保證ArcCheck模體探測器的劑量學特性滿足臨床使用的要求，才可以使用ArcCheck對VMAT計劃進行劑量驗證。本研究的結果表明：ArcCheck模體探測器的劑量學特性良好，滿足臨床使用的要求。

ArcCheck的劑量學特性中，重復性偏差為0.990 6±0.009 0，反映了ArcCheck的穩定性，而ArcCheck的穩定性很大程度上取決于其采用的硅探測器。硅探測器連續重復15次測量，每次機器跳數60 MU，探測器的響應變化為±0.15%［4］。距標定9個月后，采用該型探測器的MapCheck的探測器響應變化為±0.2%［5］。部分研究也證明采用SunPoint Diode Detector的探測器陣列的穩定性比空氣電離室陣列好［6-8］。

現代放療已進入高精度放療時代，大劑量少分次成為可能。作為質控設備的探測器陣列的能量響應必須在接受大劑量照射時仍保持很好的線性度。經過直線回歸后的回歸系數為1.464 3±5.368 7E-4,回歸系數的變化值越小，證明ArcCheck的能量響應越好。本研究中機器跳數在5～600 MU時，探測器仍具有很好的能量響應。文獻［5］報道ArcCheck所用的探測器的線性度變化為±0.1%。半導體探測器在接受很高劑量時仍可以保持很好的線性度［9-11］。

對于大體積的靶區，ArcCheck的角度依賴性是一個重要的影響因素［3］。本研究測量所得的探測器的角度響應的曲線符合探測器表面覆蓋模體材料厚度的變化規律，與Hrbacek等［12］得到的結果類似，但本研究所采用的方法更為簡便，可操作性更強。

VMAT技術通過調整單弧或多弧內任意角度的多葉準直器形狀和改變劑量率來實現靶區內部的劑量均勻性，因此探測器的劑量率響應也是影響VMAT計劃劑量驗證的重要因素。本研究中ArcCheck模體探測器的劑量率響應歸一后平均值為0.9975，標準差為0.0055，顯示出與劑量率的不相關性。Létourneau等［4］報道MapCheck的電離室用Elekta SL20加速器測量時，50～600 MU/min劑量率響應平均值為0.984。Kozelka等［11］報道ArcCheck的電離室在Varian Trilogy和TrueBeam加速器測量時，50～600 MU/min劑量率響應為0.987。均與本研究的測量值接近。

對于VMAT計劃三維驗證的γ分析的3%/3 mm標準被廣泛采用［13-15］，TG 119號報告中VMAT的平均通過率在Local dose歸一時3%/3 mm標準和Globally dose歸一時2%/2 mm標準均大于90%。Fredh等［16］的研究認為3%/3 mm的標準可能不夠靈敏，無法檢測到引入的誤差，認為2%/2 mm的標準是更好的，但會增加發現不重要錯誤的風險。因此建議在做病人質量保證時要明確自己想做什么檢測，找什么樣的誤差。Nelms等［17］也提出目前普遍采用的3%/3 mm標準不足以在計劃系統驗收時提供最佳的調試結果，建議采用更敏感的標準。因此本研究中患者的驗證計劃采用了3%/3 mm和2%/2 mm的雙重標準來衡量，ArcCheck在150例患者VMAT計劃的通過率在3%/3 mm和2%/2 mm標準時分別為98.227%和92.442%，均在90%以上，符合VMAT劑量驗證的要求。易金玲等［18］報道了ArcCheck與膠片在鼻咽癌VMAT計劃劑量驗證的結果沒有明顯差異，說明使用ArcCheck對復雜VMAT計劃進行劑量驗證的可行性。

ArcCheck探測器的排列方式為螺旋形排列，這就導致了沒有任何兩個探頭位于任何單軸面，但在較寬的射野中單環的縱向位移可以忽略［2］。Kozelka等［11］采用的測量射野也為27 cm×25 cm，因此盡管ArcCheck模體探測器的有效測量長度為21 cm，本研究中所采用的所有射野均為27 cm×25 cm。

對ArcCheck探測器的劑量學特性的測量證明其各項性能指標均能很好地滿足臨床使用的要求，對VMAT計劃的驗證結果表明ArcCheck可以作為日常VMAT計劃劑量驗證的工具。