指形電離室在后裝放射治療計劃點劑量驗證中的應用

楊鳳，王先良，祁國海，劉敏，黎杰，康盛偉，馮璽，劉明哲

1.成都理工大學核技術與自動化工程學院，四川成都610059；2.四川省腫瘤醫院?研究所，四川成都610041

前 言

后裝放射治療有近源處靶區劑量高、源周邊劑量跌落迅速、靶區周圍正常器官受照劑量小的特點，廣泛應用于宮頸癌、前列腺癌等癌癥的治療。由于后裝放射治療的劑量線分布梯度大，治療過程中的一點誤差都可能會引起患者實際照射劑量與計劃劑量不一致，并且后裝放射治療照射分次少，多為單次大劑量照射，一旦有劑量偏差，就很難評估和彌補因劑量偏差導致的后果。因此，后裝放射治療中的劑量驗證是非常重要的。指形電離室是開展放射治療單位必備的設備，但是目前還未見國內有用指型電離室進行患者后裝放射治療計劃劑量驗證的文獻研究。本研究用指形電離室進行患者后裝放射治療計劃劑量驗證的方法和結果，供其他開展后裝放射治療的單位參考。

1 材料與方法

1.1 使用設備

本研究設計一種用于后裝放射治療計劃驗證的模體，模體主要由IBA 固體水和Freiburg Flap Applicator Set（Nucletron part #0.89.0.95, Elekta）組成，模體的尺寸如圖1所示。中間層的固體水中有可以插入指型電離室的圓孔，Freiburg Flap Applicator Set中有多個插植針通道，通道之間最小間隔為1 cm。在指型電離室正下方和距正下方左右2 cm處各插入1 根插植針（Proguide Sharp Neddle, Elekta），用于模擬臨床中常用的單管、雙管和三管施源器，如圖2所示。當然也可以在Freiburg Flap Applicator Set 中插入更多的插植針，采用相同的方法來驗證施源器通道數超過3的情況。

圖1 模體示意圖Fig.1 Diagram of solid phantom

圖2 插植針相對位置示意圖Fig.2 Position of needles relative to 0.6cc ionization chamber

在插植針中放置假源后進行CT掃描，CT圖像的分辨率為（1×1×3）mm3，然后將所得的CT 圖像導入Oncentra V4.3計劃系統（Elekta），TPS計算Grid（計算網格）為（1×1×1）cm3。在計劃系統中勾畫出指型電離室的靈敏體積，命名為GTV。根據假源重建出插植針在模體中的位置，本研究所用192Ir mHDR-v2 放射源（MicroSelectron units, Nucletron?）的長度為0.036 cm，施源器重建是從連接端重建，并且施源器重建的頂點取假源的頂點，考慮到金屬假源的偽影，計劃中每根施源器管道的offset值取為-0.2 cm。

后裝放射治療劑量分布不均勻，也就是指型電離室靈敏體積內的劑量分布不均勻，為了研究不同靈敏體積平均劑量統計上的差別，我們將GTV的半徑縮小0.1 cm，長度不變，得到GTVR1；將GTVR1的半徑縮小0.1 cm，長度不變，得到GTVR2；將GTV均勻縮小0.1 cm，得到GTVA1；將GTVA1均勻縮小0.1 cm，得到GTVA2。GTV、GTVR1、GTVR2、GTVA1、GTVA2的體積分別為0.69、0.40、0.15、0.23、0.02 cm3，如圖3所示。

圖3 靶區勾畫圖Fig.3 Definition of target areas

劑量測量時所采用的指形電離室為TW30013（德國PTW公司），它的靈敏體積為0.6 cm3；劑量儀為UNIDOS（德國PTW公司）。

1.2 簡單測試

在Oncentra V4.3 計劃系統上設計單管、雙管和三管施源器的簡單計劃。按放射源駐留的管道號簡單計劃分為5 種：P(1)、P(2)、P(3)、P(1&2)和P(1&2& 3)，其中P(X)為計劃中只有X 號管道有放射源，P(X & Y)為計劃中X 號管道和Y 號管道有放射源。所有管道都從施源器的頂端開始布源，步進長度都選0.25 cm，1號管道和2號管道布源的長度為2 cm，3號管道布源長度為5 cm。設計計劃時不優化駐留點權重，通過改變放射源駐留時間使GTV 平均劑量為200 cGy，計劃完成后傳送至控制臺進行照射測量。

1.3 患者臨床治療計劃

選取2018年3月～4月治療的根治性宮頸癌患者21 例，患者都使用Fletcher 施源器（Nucletron part#189.730,Elekta）。Fletcher施源器有3根管道，基于自制模體CT圖像新建計劃，在對應的施源器管道和對應的駐留位置中輸入患者原計劃的駐留時間，修改新建計劃的時間，使其與患者原治療計劃的時間相同，劑量計算后，統計模體中GTV、GTVR1、GTVR2、GTVA1、GTVA2的平均劑量，并將計劃傳送至控制臺進行照射測量。

1.4 測量參數

指形電離室的刻度因子K為：

其中，NX為照射量校準因子，其值可通過表1用插值法求得為1.048；為電子的平均電離能，為33.97 J/C；Katt為電離室室壁及平衡帽對校準輻射的吸收和散射的修正；Km為電離室室壁及平衡帽材料對校準輻射空氣等效不充分而引起的修正，KattKm為0.973；Sw/a為水對空氣組織本領比，其值查表可得；Pu為擾動校準因子，其值查表可得；Pcel為指形電離室電離中心收集極空氣等效不完全校正因子，對光子來說Pcel=1［1］。本研究中指形電離室的刻度因子K 為0.939。

表1 中國測試技術研究院提的Nx值Tab.1 Nx value provide by National Institute of Measurement and Testing Technology

根據IAEATRS-277號報告中的定義，在自由空氣中測量時，電離室中心（P點）收集的電離電荷源于該點前方的某一點（Peff）產生的次級電子，因此將Peff定義為電離室的有效測量點，以修正電離室氣腔內電離輻射的注量梯度變化。沿射線的入射方向，點Peff位于點P的正前方，如圖4所示。測量高能電子束（E＞300 keV）時，點Peff與點P 之間的距離推薦值為0.75r，但是TRS-277第2版將其修正為0.6r［1］。本研究實驗中使用IBA固體水模進行測量，IAEA TRS-398號報告［2］中推薦在水模體中進行測量時，將電離室的有效測量點放在電離室中心，使用ρdis因子來修正電離室腔體替換水的影響，指形電離室的ρdis值約為0.6%［3］。 ρdis因子對測量結果的影響已在Pu擾動因子中考慮到，不再額外修正。

圖4 有效測量點Peff 與電離室的中心點P 位置Fig.4 Effective measurement point Peff and the central point P of an ionization chamber

1.5 數據處理

為了減小統計偏差對驗證結果的影響，我們以GTV、GTVR1、GTVR2、GTVA1、GTVA2 的平均劑量的平均值AVEGTVX作為測量點劑量的計劃系統計算值。定義測量結果為Meas，Meas 和AVEGTVX的偏差DEV 通過式（3）計算：

2 結果

隨機選取1例病人的臨床計劃，Oncentra V4.3計劃系統所得指形電離室所在層面劑量分布曲線如圖5所示。GTV、GTVR1、GTVR2、GTVA1、GTVA2 的平均劑量與的偏差如表2所示，與的偏差最大為1.1%。由表2可見，靈敏體積的大小對平均劑量基本沒有影響，我們以作為測量點劑量的計劃系統計算值。

2.2 簡單計劃測量結果

2.3 臨床計劃測量結果

21例患者GTV、GTVR1、GTVR2、GTVA1、GTVA2的平均劑量、平均值與Meas的偏差如圖6所示，21例患者的平均值與測量值的偏差均在±4%以內。

圖5 計劃系統計算出的劑量分布圖Fig.5 Dose distribution calculated by planning system

表2 與的偏差Tab.2 Deviation betweenand

表2 與的偏差Tab.2 Deviation betweenand

患者編號1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 AVEGTVX 277.2 267.8 322.4 378.0 273.6 266.4 324.6 238.2 249.0 385.0 222.2 390.4 305.0 153.8 321.8 303.2 304.0 347.6 379.6 355.6 261.4 Meas 285.5 265.8 312.9 382.2 267.2 262.1 317.5 235.9 250.7 385.6 215.2 389.7 313.5 153.6 321.6 295.2 302.9 355.5 373.2 355.1 257.2 DGTVXAve (ΔGTV)278（0.3%）269（0.4%）323（0.2%）379（0.3%）274（0.1%）267（0.2%）325（0.1%）239（0.3%）250（0.4%）386（0.3%）223（0.4%）392（0.4%）306（0.3%）154（0.1%）323（0.4%）304（0.3%）305（0.3%）349（0.4%）381（0.4%）356（0.1%）262（0.2%）DGTVR1 Ave (ΔGTVR1)277（-0.1%）266（-0.7%）319（-1.1%）375（-0.8%）271（-1.0%）264（-0.9%）322（-0.8%）236（-0.9%）248（-0.4%）382（-0.8%）220（-1.0%）388（-0.6%）303（-0.7%）153（-0.5%）320（-0.6%）301（-0.7%）303（-0.3%）346（-0.5%）377（-0.7%）353（-0.7%）259（-0.9%）DGTVR2 Ave (ΔGTVR2)278（0.3%）268（0.1%）322（-0.1%）379（0.3%）273（-0.2%）266（-0.2%）324（-0.2%）238（-0.1%）250（0.4%）385（0.0%）222（-0.1%）391（0.2%）306（0.3%）154（0.1%）323（0.4%）303（-0.1%）305（0.3%）348（0.1%）379（-0.2%）356（0.1%）261（-0.2%）DGTVA1 Ave (ΔGTVA1)277（-0.1%）268（0.1%）324（0.5%）379（0.3%）275（0.5%）268（0.6%）326（0.4%）239（0.3%）249（0.0%）386（0.3%）223（0.4%）391（0.2%）305（0.0%）154（0.1%）321（-0.2%）304（0.3%）304（0.0%）348（0.1%）380（0.1%）356（0.1%）262（0.2%）DGTVA2 Ave (ΔGTVA2)276（-0.4%）268（0.1%）324（0.5%）378（0.0%）275（0.5%）267（0.2%）326（0.4%）239（0.3%）248（-0.4%）386（0.3%）223（0.4%）390（-0.1%）305（0.0%）154（0.1%）322（0.1%）304（0.3%）303（-0.3%）347（-0.2%）381（0.4%）357（0.4%）263（0.6%）

2.4 改變施源器重建坐標

在測量過程中，Freiburg Flap Applicator Set 有可能發生形變，使得我們預設的施源器位置發生變化，因此在Oncentra V4.3 計劃系統中改變3 號管重建位

置，簡單計劃的系統計算值發生明顯變化，圖7是改變3 號管簡單計劃在計劃系統中的施源器重建位置（X、Y、Z坐標）的計劃系統計算值與初始簡單計劃系統計算值之間的偏差。在系統重建施源器過程中，在相同改變量的情況下，Z 坐標的重建偏差最大，X坐標的重建偏差最小。

表3 簡單計劃測量結果Tab.3 Measurements of simple plans

圖6 GTV、GTVR1、GTVR2、GTVA1、GTVA2的平均劑量、平均值 與測量值Meas偏差Fig.6 Deviation of ,and Meas

圖7 插植針重建位置改變對計劃系統值的影響Fig.7 Effects of needle reconstruction position on the calculation

3 討論

放射治療中治療劑量的準確性會直接影響腫瘤原發病灶復發的可能性和周圍正常組織放射性并發癥發生的可能性［4-5］。根據TG-53號［6］報告，整體劑量偏差＜5%，可以在放射生物效應上獲得很好的結果。由于后裝放射治療通常是單次大劑量的照射，所以從放射生物學角度考慮，對后裝放射治療計劃進行劑量驗證有著更為重要的意義。本研究在指形電離室的靈敏體積中勾畫出體積不同的5 種靶區（GTV、GTVR1、GTVA1、GTVR2、GTVA2），結果表明在指形電離室靈敏體積中，靶區的勾畫對實驗結果影響不大。用指形電離室測量5種簡單計劃，其平均值與測量值的偏差在±3%左右，21例患者臨床計劃的GTV、GTVR1、GTVR2、GTVA1、GTVA2 的平均劑量、平均值與測量值的平均值偏差均小于±4%，滿足AAPM TG-56號報告所提出的劑量偏差＜5%的標準［7］。

目前，未發現用指形電離室進行后裝放射治療計劃驗證的文章。但是有國內外學者報道采用Mapcheck、MatriXX、MOS場效晶體管（MOSFET）等工具對后裝放射治療計劃進行劑量驗證。Taguenang 等［8］使用MapCheck2測量的劑量分布與使用EBT2薄膜測量的劑量分布在5%之內一致。Abdelfattah等［9］、于浪等［10］和Bhagwat等［11］都使用MatriXX驗證后裝放射治療計劃劑量分布，采用Gamma因子分析結果，3項研究結果的Gamma通過率均超過93%。Qi等［12］將MOSFET劑量測定系統用于高劑量率近距離放射治療計劃劑量驗證，結果表明距離源1 cm劑量點的平均相對偏差為2.2%±0.2%，距離源2 cm處劑量點的相對偏差為2.0%±0.1%，所有的測量劑量與計劃劑量之間的百分比偏差均低于5%。Persson等［13］將MOSFET用于后裝放射治療計劃驗證，在體膜中，MOSFET重復性低于3%，測量值高于計劃系統計算值2%～7%。TLD探針用于眼部腫瘤后裝放射治療計劃驗證中，在3、5、10、20 mm深度處的偏差分別為6%、7%、1%、13%，偏差歸因于探頭的構造［14］。Koz?owska等［15］將TLD固定在特殊面罩中驗證皮膚癌后裝放療計劃，測量值與計算值之間的偏差＜5%，這與Rasmussen等［16］研究結果大致相同。梁志文等［17］將不同靈敏體積的指形電離室用于射波刀計劃劑量驗證，若處方劑量完全包繞電離室靈敏體積，則靈敏體積對測量結果影響不大。

為了避免不同計劃在施源器重建過程中引入誤差，所有計劃都復制同一套計劃，保證施源器重建均相同。本研究的不確定度主要考慮以下幾方面：（1）192Ir源的直徑為0.09 cm，插植針內徑為0.1 cm，兩者不完全相同，在出源時源相對于施源器的中心軸線的位置存在0.01 cm 的余量，其不確定度約為0.9%；（2）實驗過程中對劑量儀進行校準時所設置的參數（氣壓計和溫度計讀數等）存在隨機誤差，其不確定度大約為0.1%［18］；（3）吸收劑量計算公式中的各物理量也存在不確定度，其中Nk值的不確定度為0.7%，擾動校正因子Pu的不確定度為1.0%［19］，源的傳送時間轉換因子（ftr）、模體轉換為全散射水模體的轉換因子（fph）、質能吸收系數和施源器衰減校正系數（fcath）的不確定度均為0.3%［20］，所以總不確定度約為1.63%。

綜上所述，計劃系統中勾畫的電離室靈敏體積的大小對平均劑量基本沒有影響，但要注意在使用過程中，減少模體移動，避免施源器在移動過程中發生偏移，在保證施源器位置準確的前提下，指形電離室可用于后裝放射治療中的點劑量驗證。