自制TOMO模體在螺旋斷層放射治療系統調強放射治療計劃驗證研究

郭興照 劉 靜 程金生 徐 偉 戴相昆 王 剛*

螺旋斷層加速器(TomoTherapy，TOMO)將螺旋CT和醫用直線加速器結合，是具有圖像引導和高精度調強放射治療功能的新型調強放射治療系統[1-2]。TOMO系統與常規調強放射治療(intensity modulated radiation therapy，IMRT)技術相比，螺旋斷層放射治療靶區劑量分布更均勻，所需照射時間短，對靶區周圍危及器官(organ at risk，OAR)保護的更好，并解決了照射野間銜接的問題，因此得到了廣泛認可與應用[3-4]。

TOMO治療系統作為新型醫療設備，對質量控制要求相當嚴格[5-6]。現階段TOMO性能檢測采用的模體多為廠家提供的Cheese模體，隨著國家衛生標準“螺旋斷層治療裝置質量控制檢測規范”(WS531-2017)[7]的實施，迫切需要研制國內檢測專用的TOMO模體。TOMO放射治療系統質量控制推薦方法是在Cheese模體中采用膠片相對測量和電離室同時測量點絕對劑量來實現[8]。為此，本研究研制了TOMO模體，運用自制TOMO模體聯合EBT3膠片和A1SL型電離室對患者調強放射治療計劃進行驗證，其測量結果分別與Cheese模體測量結果和ArcCheck三維探測器模體矩陣測量結果進行比較，驗證自制TOMO模體在螺旋斷層放射治療系統的調強計劃驗證和劑量測量。

1 材料與方法

1.1 自制TOMO模體

自制TOMO模體為圓柱體，直徑為30 cm，長為18.5 cm；材質為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer，ABS)塑料。模體矢狀面中間有14個插棒，插棒材質與模體相同，間隔2.0 cm，內部直徑為1.2 cm，結合電離室適配器可放置不同型號的電離室[9]。自制TOMO模體矢狀面黑色指示線所在層面為電離室靈敏體積所在位置，操作人員可根據指示線，參考機房中紅色或綠色激光線擺位。模體背面有20個不同密度值的插棒，用于建立CT的電子密度曲線，見圖1。

圖1 自制TOMO模體示圖

1.2 材料與設備

Cheese模體(美國Med-Cal公司)為直徑30 cm，長18.0 cm的圓柱體，采用與水等效偏差0.5%的均勻材料構成；Cheese模體矢狀面中間有29個插棒，間隔1.0 cm，插棒內部直徑為0.63 cm，只能放置A1SL型電離室。所使用的A1SL型號電離室(美國Standard Imaging公司)的靈敏體積為0.06 cm3、內徑2 mm，外徑4 mm。ArcCheck三維探測器(美國Sun Nuclear公司)。三種探測器見圖2。

圖2 三種探測器外觀示圖

1.3 膠片刻度

膠片為美國GAFCHROMIC EBT3，尺寸8×10 in，EBT3膠片有兩層保護層，每一層的厚度為125 μm，劑量測量范圍為0.01～40 Gy，能量響應＜5%，免沖洗。將兩張EBT3膠片分別分為九宮格，標記為1～15，依次放置于5 cm厚的固體水上，再放置1 cm厚的固體水，消除床的沉降誤差，源皮距離(source skin distance，SSD)為85 cm。輻射野為5 cm×5 cm，參考電離室有效測量點深度為2 cm，照射時間分別為1 s、3 s、5 s、7 s、9 s、11 s、13 s、15 s、20 s、25 s、30 s、40 s、70 s和100 s的14個不同照射時間，在膠片上形成不同黑度的14個方塊，再掃描一張未被照過的膠片作為本底參考值，將電離室測量劑量轉換為膠片劑量，用TOMO系統自帶軟件繪制出EBT3膠片的劑量響應曲線[10]。

1.4 ArcCheck半導體矩陣刻度

在21 cm長圓柱形模體上分布有1386個半導體探測器，敏感體積為0.64 mm2，探測器尺寸為0.8 mm×0.8 mm，探測器間距為10 mm，信號采集時間間隔50 ms。在TOMO加速器上進行絕對劑量刻度，機器跳數設為200 MU，射野設置為5 cm×10 cm，機架角為0°，照射時間為15～20 s。按照儀器SNC Patient軟件內帶有ArcCheck三維探測器半導體矩陣絕對劑量刻度的標準程序，其方法為在等效深度固體水下利用電離室測量規定出束條件下的絕對劑量，在相同的出束條件下照射ArcCheck三維探測器半導體矩陣后，將參考電離室測量的絕對劑量輸入到程序中，完成劑量刻度[11-12]。

1.5 模體調強放射治療計劃設計及驗證測量

隨機選取經主任醫師確認的10例患者的螺旋斷層放射治療計劃，包括：①頭頸部腫瘤4例，其中鼻咽癌1例，右上頜鱗癌1例，膠質瘤1例，下咽癌1例；②胸部腫瘤2例，均為下段食管癌；③腹部腫瘤4例，其中胃癌1例，膽囊癌1例，腹膜后轉移癌1例，腎上腺轉移癌1例。

分別選取自制TOMO 模體、Cheese 模體與ArcCheck三維探測器陣列模體作為治療質量保證(delivery quality assurance，DQA)的驗證模體，根據驗證模體圖像上的3個標記點調節好紅色擺位激光燈的位置，從而確定其位置，選擇與患者治療計劃設計時相對應的柵格矩陣計算模體DQA計劃的劑量分布。測量時從TOMO系統的數據服務器中調用10例患者DQA驗證模體計劃，將自制TOMO模體、Cheese模體與ArcCheck三維探測器陣列模體置于診療床按紅色擺位激光燈指示進行擺位，采用兆伏級CT(megavoltage CT，MVCT)進行精確擺位校正后按計劃條件實施照射(圖2)，使用EBT3膠片進行劑量驗證的同時使用A1SL型電離室測量靶區感興趣區域(region of interest，ROI)點絕對劑量。

1.6 評估方法

測量結束后，應用γ通過率分析法對三種驗證方法的測量結果與TOMO治療計劃系統DQA模體計劃的計算結果進行比較，并對靶區ROI點絕對劑量進行分析。γ通過率分析劑量標準選擇劑量誤差(dose difference，DD)均為3%，吻合距離(distance-to-agreement，DTA)分別為2 mm、3 mm、4 mm和5 mm，閾值水平(threshold，TH)為90%。

依據國際輻射單位委員會(International Commission on Radiation Units，ICRU)83號報告[13]建議，可將標準放寬至DD為5%，DTA為5 mm，但在日常臨床工作中仍遵循文獻所建議的DQA計劃接受標準[14-15]：DD為3%，DTA為3 mm條件下γ通過率＞90%，即認為患者計劃為可接受。

表1 三種驗證方法對10 例患者計劃驗證的γ通過率(%)

1.7 統計學方法

采用統計學軟件SPSS22.0對數據進行分析，運用配對t檢驗分析每組γ通過率分析的通過標準差異是否具有統計學意義；對靶區ROI點的劑量相對偏差進行統計學分析，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 三種驗證方法對患者計劃驗證的γ通過率

采用γ通過率分析方法對10例患者的調強計劃劑量驗證分析，其平均通過率均＞92.3%，按照上述標準，所選10例患者調強計劃均符合要求。在所有劑量標準條件下，自制TOMO模體劑量驗證通過率分別與Cheese模體、ArcCheck三維探測器陣列模體相比，其差異均無統計學意義(P＞0.05)，見表1。

2.2 兩種模體計劃驗證測量值

采用自制TOMO模體與Cheese模體分別聯合A1SL型電離室，測量調強計劃ROI的點劑量偏差在3%以內，對偏差進行統計學分析比較，其差異均無統計學意義(t=-0.25，P＞0.05)，見表2。

表2 兩種模體對10 例患者計劃驗證測量值(Gy)

3 討論

TOMO系統作為放射治療領域一款具有高精度、高適形度的新型醫療設備，為保證其治療精度和安全性，建立完善的質量控制體系顯得尤為重要。本研究通過三種模體驗證螺旋斷層調強計劃通過率及ROI靶區點絕對劑量偏差，在多種不同劑量標準條件下，測量結果與計算結果均顯示出較好的一致性，其γ≤1的平均通過率均＞92.3%；自制TOMO模體通過率與Cheese模體及ArcCheck三維探測器模體相比差異無統計學意義，ROI靶區點劑量偏差亦無統計學意義，表明自制TOMO模體可用于螺旋斷層放射治療患者調強計劃驗證及劑量測量。

EBT3膠片具有較好的能量響應特性，配合其較高的空間分辨率，膠片驗證被稱為調強計劃驗證的“金標準”[16]。因此，選用膠片聯合自制TOMO模體和Cheese模體進行患者的調強計劃驗證，但在使用膠片驗證時，要避免膠片非均勻性對實驗結果的影響，尤其對低劑量區結果影響較大[17]。ArcCheck三維探測器半導體矩陣是用于測量放射治療劑量分布的三維劑量測量系統，具有擺位方便、劑量測量準確以及治療計劃驗證通過率高的特點，在臨床中得到了廣泛的應用與研究[12，18-19]。本研究將自制TOMO模體聯合EBT3膠片測量結果與Cheese模體、ArcCheck三維探測器矩陣測量結果比較，其結果差異性小，所得結果準確可靠，可信度高。

自制TOMO模體與Cheese模體分別聯合A1SL型電離室測點絕對劑量偏差相比無統計學意義，需指出的是，兩種模體所測第4例患者點絕對劑量偏差分別為7.35%和6.34%，超過點劑量偏差3%的要求，可能與所選患者靶區較小，電離室所測ROI靶區劑量分布不均，劑量跌落快有關，后期需要對此數據進行再次驗證。

4 結論

本研究驗證了自制TOMO模體可用于螺旋斷層放射治療系統患者調強計劃的驗證及劑量測量，為自制TOMO模體實現臨床應用提供了可能性。自制TOMO模體的研發填補了TOMO質量控制檢測方面國產模體的空白，為螺旋斷層放射治療裝置質量控制檢測方法提供設備依據，對國內檢測方法的應用將起到一定的推動作用。