Octavius 4D電離室探頭特性及在RapidArc劑量驗證中的應用研究

王寧，陳阿龍

1. 中山市中醫院 放療室，廣東 中山 528400；2. 中山大學腫瘤防治中心 華南腫瘤學國家重點實驗室，廣東 廣州 510060

引言

當前，快速旋轉調強技術（RapidArc）廣泛應用于臨床，不同于以往的3DCRT和IMRT技術，RapidArc技術在機架旋轉過程中，通過可變的劑量率、MLC葉片運動、機架角度和速度，來更高效滿足臨床靶區和危及器官的要求。由于RapidArc計劃控制參數多，不確定因素大，為了保證治療安全，在計劃被執行前實施病人劑量驗證尤為重要[1-4]。目前用于RapidArc計劃劑量驗證的二維或三維設備主要有Matrixx、Delta4、ArcCHECK 等[5-9]。Octavius 4D 是專為旋轉照射劑量測量的探測陣列[10-13]，筆者研究其電離室探頭特性及其在RapidArc劑量驗證中的應用。

1 材料和方法

1.1 設備與軟件

1.1.1 直線加速器

VarianTriology直線加速器（美 國），由60對多葉光柵葉片組成，中心40對葉片寬度為每片5 mm，兩端各10對葉片寬度為1 cm，葉片最大運動速度為2.5 cm/s，計劃劑量率設置為600 MU/min。

1.1.2 計劃系統（TPS）

計劃系統為Varian Eclipse 11.0，計劃采用6 MV X線，劑量算法為各向異性解析算法（Anisotropic Analytic Algorithm，AAA），計算網格為2.5 mm。每個放療計劃均有2個治療弧，第一個弧從179°逆時針旋轉至181°，準直器角度為15°，第二個弧從181°順時針旋轉至179°，準直器角度為345°。

1.1.3 Octavius 4D驗證系統（德國PTW公司）

（1） Octavius 4D圓柱型等效固體水旋轉模體：直徑32.0 cm、長度34.3 cm，可360°旋轉，HUvalue為16，相對電子密度為1.016，物理密度為1.05 g/cm3；通過固定在機架上的角度儀來確定角度大小；二維矩陣插入模體中，測量過程中模體可以與機架保持同步旋轉，探測器陣列始終保持與入射束垂直以避免探測器的方向依賴性，這樣就可以測定在不同機架角度下平面劑量，2D探測器陣列探測到的劑量（每一個機架角度情況下）與深度劑量聯合重建生成模體內的三維劑量分布。同時搭配可插入膜體適配板的0.125 cm3指型電離室，用于膜體中心點劑量的測量。

（2）Octavius Detector 729二維矩陣：物理尺寸2.2 cm（厚）×30 cm（寬）×42 cm （長）；有效參考點置于陣列表面的0.75 cm深度處；共729個電離室探頭，電離室中心間距為1 cm，分布在一個有效面積為27 cm×27 cm平面上；每個電離室體積為0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm；測量量程為0.5～48.0 Gy/min； 探測器劑量分辨率為1 mGy且無劑量測量上限限制。

（3）Octavius Detector 1000SRS 由 977 個液體電離室組成（尺寸：0.23 cm×0.23 cm×0.05 cm），其靈敏體積為0.03 cm3，電離室為非均勻分布，有效測量范圍11 cm×11 cm，在5.5 cm×5.5 cm 的中心區域內，相鄰電離室間距為0.25 cm，中心區域以外間距為0.5 cm，對角線上距離為0.35 cm , 測量量程為0.1～36 Gy/min，1000SRS比729的尺寸更小，空間分辨率更優，常用于SBRT和SRS病人治療計劃的劑量驗證和小射野的質量保證等工作。

（4）VeriSoft 5.1分析軟件：支持面劑量的2D比較分析及用于測量值和TPS計算的3D劑量比較分析。

1.2 病例選擇

在通過臨床放療醫師劑量要求并已確認的RapidArc計劃中抽取20例惡性腫瘤患者，其中鼻咽癌10例，直腸癌10例。

1.3 檢測并校準

對加速器各項機械參數、劑量輸出特性等進行檢測校準，確保機器性能良好穩定后對Octavius 4D驗證系統（包括729 和1000SRS）進行校準，包括絕對劑量校準、方向性校準和相對劑量校準。

1.4 Octavius 729和1000SRS電離室探頭特性研究

以VeriSoft 5.1分析軟件上的讀數作為Octavius 729和1000SRS射野中心電離室探頭的測量數據，以劑量儀上的讀數作為PTW31010型電離室的測量數據，三者采用相同的測量條件和測量深度。

1.4.1 穩定性

0°機架角下探頭測量10 cm×10 cm射野下6 MV X線以600 MU/min劑量率出束的100 MU劑量。選取射野中心探頭的讀數作為響應值，同時再用PTW31010型0.125 cm3指形電離室測量讀數并與之比較。每隔5 min測量1次共10次用于觀察短期穩定性。以10次讀數的均值為基準進行歸一，得出各次讀數與均值的偏差百分比。

1.4.2 劑量響應

0°機架角下探頭測量10 cm×10 cm射野下6 MV X線以 600 MU/min劑量率出束的 1、2、3、5、10、20、50、100、200、500 MU劑量。選取射野中心探頭的讀數作為響應值，同時再用PTW31010型0.125 cm3指形電離室測量讀數并與之比較。每組重復測量3次取均值，將三種電離室的響應均值與MU劑量數值進行線性相關分析。

1.4.3 劑量率依賴性

0°機架角下探頭測量10 cm×10 cm射野下6 MV X線以100、200、300、400、500、600 MU/min劑量率出束的100 MU劑量。選取射野中心探頭的讀數作為響應值，同時再用PTW31010型0.125 cm3指形電離室測量讀數并與之比較。每組重復測量3次取均值，分析三種電離室在不同劑量率大小時的變化趨勢。

1.4.4 射野大小依賴性

0°機架角下探頭測量3 cm×3 cm、5 cm×5 cm、7 cm×7 cm、10 cm×10 cm射野下6 MV X線以600 MU/min劑量率出束的100 MU劑量。選取射野中心探頭的讀數作為響應值，同時再用PTW31010型0.125 cm3指形電離室測量讀數并與之比較。每組重復測量3次取均值，分析三種電離室在不同射野大小時的變化趨勢和差異。

1.5 臨床計劃劑量學驗證

分別對20例患者的RapidArc計劃使用Octavius 729 和1000SRS進行劑量學驗證，比較其γ通過率的平均值和標準差，γ分析采用的標準均為劑量偏差3%、位置偏差3 mm和閾值10%[14]。

1.6 統計學分析

采用SPSS 20.0軟件對數據進行統計學分析，劑量響應采用線性回歸分析，2種癌癥患者和2種二維矩陣的γ通過率兩兩比較采用配對t檢驗，P＜0.05為差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 穩定性

以10次測量讀數的均值歸一，Octavius 729和1000SRS矩陣中心電離室探頭、PTW31010型指形電離室探頭的結果分別好于±0.156%、±0.14%和±0.03%。穩定性結果，見圖1。

圖1 729、1000SRS和PTW31010電離室探頭測量的穩定性

2.2 劑量響應

1～500 MU 范 圍 內，729、1000SRS和 PTW31010電離室探頭劑量響應與MU呈現強線性相關，決定系數均為R2=1（圖 2）。

圖2 729、1000SRS和PTW31010電離室探頭測量的劑量響應

2.3 劑量率依賴性

729、1000SRS和PTW31010電離室探頭對不同劑量率的響應值如圖3，劑量率變化范圍為100～600 MU/min，隨劑量率變大，三種電離室探頭響應均變小，變化范圍分別為0.46%、1.08%、0.58%，1000SRS探頭響應的變化范圍最大，729的探頭響應隨著劑量率大于300 MU/min后保持不變。

2.4 射野大小依賴性

三種電離室探頭響應均隨照射野增大而增加，如圖4。三種電離室不同照射野下的響應值差異均在1%以內；當照射野小到3 cm×3 cm時，1000SRS的響應高于729和PTW31010的響應0.97%；當照射野大到10 cm×10 cm時，729高于其他0.62%。

圖4 729、1000SRS和PTW31010電離室探頭測量的射野大小依賴性

2.5 臨床計劃劑量學驗證

對于20例患者的RapidArc計劃，1000SRS在鼻咽癌計劃和直腸癌計劃的平均通過率比729分別高出3.1%和1.3%，729和1000SRS的直腸癌計劃平均通過率分別高出鼻咽癌計劃2.2%和0.4%，且兩兩比較P＜0.05，均具有統計學意義，詳見表1。

表1 鼻咽癌與直腸癌RapidArc計劃在729和1000SRS上的平均通過率和標準差（%，±s）

表1 鼻咽癌與直腸癌RapidArc計劃在729和1000SRS上的平均通過率和標準差（%，±s）

病例 729 (3%/3 mm) 1000SRS (3%/3 mm) P值鼻咽癌 96.2±2.8 99.3±0.8 0.00直腸癌 98.4±1.6 99.7±0.5 0.00 P值 0.01 0.02

3 討論

目前，旋轉調強放射治療技術已經大量應用于臨床，該治療模式的復雜性以及對機器參數的精確度等均對QA工作提出了較高的要求。雖然膠片空間分辨率高但其存在很多問題，如僅能提供相對劑量信息、存在能量和方向依賴性、需頻繁校準、測量結果易受曝光和沖洗等其他條件影響[15]。而二維平板矩陣方向依賴性高，當射束入射角度平行于探測平面時會丟失部分劑量信息，適用于平面劑量分布驗證[8,16]。Delta4是一款能提供三維劑量分布驗證的質量控制工具，含有1069個P型半導體探頭，探頭按2個正交矩陣排列[5]。而ArcCHECK也能提供三維劑量分布驗證，含有1386個N型半導體探頭螺旋形排列[7]。

RapidArc計劃實施過程中加速器劑量率、多葉準直器葉片位置、機架角度會連續變化，研究Octavius 4D探頭對劑量、劑量率及照射野大小的響應尤其重要，筆者測試了Octavius 729和1000SRS的電離室探頭特性，其中心探頭相比0.125 cm3體積的PTW 31010電離室更容易產生波動，穩定性略微降低。三者都具有很好的線性關系，相關系數達到1。729的劑量率響應變化最小，且達到300 MU/min趨于穩定。當照射野在3 cm×3 cm～10 cm×10 cm范圍時Octavius 729和1000SRS探頭與PTW 31010電離室的差異在1%以內，隨著照射野增大，探頭響應增加，與散射劑量增加有關；當照射野在3 cm×3 cm時，由于729和PTW 31010的電離室體積更大，其體積平均效應低估了實際劑量。

Octavius 4D 驗證系統能夠提供橫斷面、矢狀面、冠狀面的三維劑量對比，筆者采用廣泛使用的橫斷面劑量進行分析，結果顯示計劃系統計算劑量與Octavius 729、1000SRS測量劑量符合度都較高，平均通過率均達到96%以上。對通過率差異分析發現，通過率受到幾個因素的影響，計劃復雜程度的不同導致計劃系統計算誤差不同和加速器執行到位精度的不同：① 器官結構和限制條件較多、劑量分布更復雜、劑量梯度變化更大的鼻咽癌患者計劃通過率相對較低；② 溫度、氣壓等測量環境因素的變化導致加速器執行狀態差異；③ 模體擺位和測量誤差等人為因素影響。旋轉調強計劃驗證的另一大限制就是探測器方向依賴性，不同機架角度下測量可產生高達15%的探測器響應誤差[6]。Octavius 4D驗證系統很好彌補了這一誤差，它通過將傳統二維矩陣插入到一個可與加速器機架同步旋轉的固體水模體中，從而保證射線束始終垂直電離室測量探頭，以消除角度依賴性，更加準確采集患者計劃的劑量信息，并利用模體中已采集的能量百分深度劑量數據反演算出三維空間劑量分布，實現計劃與測量劑量的三維對比。

從通過率來講，直腸癌和鼻咽癌的計劃通過率1000SRS均高于729，且有顯著性統計學差異，有幾個方面的原因：① 從參與計劃評估點數方面來講，相同照射范圍內，729矩陣評估點數低于1000SRS，由于樣本數較小，通過率統計魯棒性更差，僅適用于較大射野的調強計劃驗證，對于射野較小的病例，應采用分辨率更高的1000SRS液體矩陣；② 根據γ通過率的計算公式可知，參考矩陣分辨率越高，在計劃系統導出的劑量平面上，更容易在3mm的范圍內找到劑量偏差小于3%的點，導致其通過率較高。Poppe等[17]報道了探測器大小和間距、計劃子野最小寬度、空間分辨率等參數都能帶來測量誤差，影響數據測量準確性，比729探頭尺寸更優和空間分辨率更高的1000SRS液體二維矩陣可得到更準確的劑量數據[18]。

綜上所述，Octavius 4D 驗證系統（729和1000SRS）都能滿足臨床多病種RapidArc計劃劑量驗證要求，計劃驗證的γ通過率與腫瘤部位及計劃復雜度相關，測量平面始終隨機架旋轉與射線束垂直，無角度依賴性，可行性值得認可，且1000SRS液體電離室矩陣具有更大的優勢。