碳離子被動束掃描劑量驗證計劃中不同網(wǎng)格大小對劑量驗證通過率的影響

張福元 馬霄云 孟萬斌 盧小麗 張雁山

(甘肅省武威腫瘤醫(yī)院放療科，甘肅 武威 733000)

作為放射治療中的新技術(shù),重離子束治療惡性腫瘤與其他放療方法相比，具有獨(dú)特的物理學(xué)和生物學(xué)方面的優(yōu)勢。重離子治療計劃中的生物有效劑量已得到有效驗證，也就是說重離子治療計劃的可靠性也能得到有效驗證[1-2]。但是在放射治療臨床實(shí)踐中，為了驗證每一個單獨(dú)的放療計劃，放射物理師需要特別關(guān)注其中物理劑量的測量及驗證。但目前尚缺乏碳離子被動束掃描劑量驗證計劃中關(guān)于劑量驗證通過率與計算網(wǎng)格大小相關(guān)性的研究。

碳離子放療劑量驗證是碳離子放療質(zhì)量的重要一環(huán)[3]，對保證碳離子放療的安全和療效非常重要。目前我國重離子放療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，雖然結(jié)合了國外重離子中心的經(jīng)驗和我國的實(shí)際情況，但仍然缺乏關(guān)于碳離子放療計劃劑量驗證方面的系統(tǒng)指南以及驗證的具體工具或方法，對驗證結(jié)果的解讀、臨床意義及驗證不通過的原因分析、處理措施等研究報道也不多。參考目前成熟的光子計劃驗證經(jīng)驗、國內(nèi)同行所做計算網(wǎng)格對計劃驗證的相關(guān)研究以及碳離子劑量驗證分析文獻(xiàn)報道[3-6]，我中心自籌備醫(yī)用碳離子治療系統(tǒng)之初就一直探討碳離子劑量驗證問題，先后嘗試了電離室結(jié)合膠片及固體水[7-8]、CiDose劑量驗證軟件結(jié)合電離室及三維水箱[9-13]、PTW1500XDR矩陣電離室結(jié)合固體水等多種方法，對重離子被動束掃描劑量驗證計劃的物理劑量進(jìn)行驗證。由于前兩種驗證方法耗時費(fèi)力，工作量大，占用束流時間長，在考慮了精確度、效率、成本等綜合因素后，目前我中心采用的是PTW1500XDR矩陣電離室結(jié)合固體水及VeriSoft驗證軟件進(jìn)行劑量驗證。目前重離子劑量驗證計劃普遍采用2、3、4 mm網(wǎng)格大小來進(jìn)行劑量計算，不同網(wǎng)格大小所花費(fèi)的計算時間不同，但是對于劑量驗證通過率的影響目前尚缺乏系統(tǒng)的研究報道。本研究旨在確保有效性的前提下，探索計算網(wǎng)格大小對劑量驗證通過率的影響，以期改進(jìn)重離子放療劑量驗證工作的效率。

1 對象與方法

1.1 研究對象

選取甘肅省武威腫瘤醫(yī)院重離子中心2021年4月12日患者待驗證后上機(jī)的20個射野并制作驗證計劃。所有射野均為固定能量檔位的被動束掃描射野，能量分別為190、260、330、400 MeV/u，所有射野均采用高密度聚乙烯材料制作的組織補(bǔ)償器進(jìn)行腫瘤末端適形，射束方向為0°或90°束流方向。

1.2 儀器設(shè)備

重離子治療計劃系統(tǒng)(TPS)CiPlan由中國科學(xué)院近代物理研究所研發(fā)， PTW1500XDR矩陣電離室、固體水、VeriSoft 7.2軟件均由德國PTW公司研發(fā)或生產(chǎn)。

1.3 研究方法

本研究采用29片層厚10 mm的固體水和PTW1500XDR矩陣電離室及VeriSoft 7.2軟件對20個射野進(jìn)行驗證[14-17]。PTW1500XDR有效探測點(diǎn)為1 405個，有效測量點(diǎn)位于表面下8.5 mm，即驗證深度分布為8.5～138.5 mm，射野物理劑量分布為0.644～3.025 Gy。

將每個射野中的射束能量、物理劑量、光柵數(shù)據(jù)、脊形過濾器、射程移位器、補(bǔ)償器等參數(shù)拷貝至29片固體水緊密疊在一起形成的模體上生成驗證計劃，每個射束選擇一個測量位置，位于劑量峰區(qū)附近，驗證計劃生成后傳輸?shù)脚R床治療系統(tǒng)后進(jìn)行測量。將PTW1500XDR矩陣電離室的測量值與TPS計劃值進(jìn)行劑量學(xué)比較，從而對射野的劑量分布進(jìn)行評估[7-8]。

參考光子調(diào)強(qiáng)放療劑量驗證實(shí)踐指南[3]，使用2、3、4 mm的計算網(wǎng)格作為條件分別計算所有射野的驗證計劃，使用PTW1500XDR矩陣電離室在同一層測量單層劑量的通過率，對比不同網(wǎng)格大小下劑量驗證通過率的變化，并記錄不同網(wǎng)格下劑量計算時間。

2 結(jié) 果

2.1 不同計算網(wǎng)格大小的劑量驗證通過率比較

在2、3、4 mm計算網(wǎng)格下，碳離子被動束掃描劑量驗證計劃的劑量驗證通過率分別為(97.29±3.13)%、(97.70±2.64)%、(98.02±2.44)%，三組比較差異無顯著性(P>0.05)。碳離子被動束掃描劑量驗證計劃的劑量驗證通過率均大于90%。

2.2 不同計算網(wǎng)格大小的劑量計算時間比較

2、3、4 mm計算網(wǎng)格下碳離子被動束掃描劑量驗證計劃的劑量計算時間分別為(68.05±5.06)、(35.50±3.56)、(28.55±3.75)s，不同計算網(wǎng)格之間進(jìn)行比較差異有顯著性(H=41.616，P<0.05)。

3 討 論

重離子治療與光子治療不同，其使用能量高達(dá)120～400 MeV/u，且重離子束具有獨(dú)特的倒轉(zhuǎn)深度劑量分布，呈Bragg曲線分布。重離子治療計劃系統(tǒng)通過對離子束的能量調(diào)節(jié)能精確地將高劑量區(qū)集中在腫瘤靶區(qū)，其劑量計算部分的實(shí)現(xiàn)方式與束流配送系統(tǒng)相關(guān)[17]。重離子治療終端劑量校準(zhǔn)系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著對束流照射劑量的準(zhǔn)確監(jiān)測和控制任務(wù)[18]。重離子每個射野都要經(jīng)過獨(dú)立的劑量標(biāo)定，并經(jīng)過模擬治療來測定治療物理劑量分布是否同治療計劃的臨床需要一致。

劑量驗證通過率由通過測量點(diǎn)數(shù)除以有效測量點(diǎn)數(shù)所得，劑量驗證失敗點(diǎn)數(shù)為有效測量點(diǎn)數(shù)減去通過測量點(diǎn)數(shù)，即劑量驗證失敗點(diǎn)數(shù)越多，劑量驗證通過率越低。而劑量驗證失敗的原因主要有：①射野內(nèi)劑量驗證失敗多由射野中劑量突變導(dǎo)致，多數(shù)出現(xiàn)在射野中劑量突變的位置[19]。劑量突變是因為人體內(nèi)組織器官分布復(fù)雜，而固體水成分均勻單一，將患者的計劃治療系統(tǒng)中參數(shù)復(fù)制到均勻的固體水中后，射野方向觀橫截面出現(xiàn)劑量不均勻的現(xiàn)象，即劑量突變[6]。②射野邊緣處劑量驗證失敗是由于射野尺寸超出了計劃治療系統(tǒng)限定計算的射野閾值。

另外，由于碳離子束能量高，射野邊緣的橫向半影銳利，以及Bragg峰末端劑量跌落迅速，理論上出現(xiàn)的劑量驗證失敗的點(diǎn)，應(yīng)分布在半影區(qū)、劑量跌落迅速的末端，因為劑量梯度大，電離室擺放的細(xì)微誤差也可能導(dǎo)致劑量測量出現(xiàn)誤差。分析原因，應(yīng)該是PTW1500XDR矩陣電離室中的電離室間隔大于4 mm，相鄰電離室之間的劑量是由軟件根據(jù)周圍電離室的劑量插值計算所得，插值計算所得值未必會落在劑量跌落曲線上。

理論上計算網(wǎng)格越小，劑量分辨率越高，劑量驗證失敗點(diǎn)的檢出率越高，計算結(jié)果越精確；當(dāng)計算網(wǎng)格增大時，隨著劑量分辨率的降低，劑量驗證失敗點(diǎn)的檢出率越低，劑量驗證通過率可能會假性升高。但是根據(jù)本研究結(jié)果，在增大計算網(wǎng)格大小的時候，通過率沒有出現(xiàn)明顯的變化。

碳離子的劑量驗證目前沒有相關(guān)指南及統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)光子調(diào)強(qiáng)放療劑量驗證實(shí)踐指南，同時參考病例具體情況、所采用的具體技術(shù)以及系統(tǒng)，有研究認(rèn)為應(yīng)采用2～3 mm的劑量計算網(wǎng)格,需要高空間分辨率的特殊病例建議使用較小的劑量計算網(wǎng)格[3]。因此，計算網(wǎng)格越小，計劃計算空間分辨率越高，結(jié)果越精確；相反，計算網(wǎng)格越大，則計算的空間分辨率相對降低。結(jié)合本研究結(jié)果，計算網(wǎng)格在2～4 mm之間時，碳離子計劃驗證通過率沒有差異，但隨著網(wǎng)格增大，劑量計算時間相應(yīng)縮短。因此，對于碳離子被動束掃描劑量驗證計劃而言，4 mm計算網(wǎng)格能在保持劑量驗證通過率不變的同時，縮短驗證時間。

對PTW1500XDR矩陣電離室夾在固體水中進(jìn)行劑量驗證、以膠片進(jìn)行劑量驗證和以電離室陣列在三維水箱中進(jìn)行劑量驗證三種方法比較后，在保證劑量驗證有效性的情況下，PTW1500XDR矩陣電離室夾在固體水中進(jìn)行劑量驗證則更加方便快捷，這也符合其他質(zhì)子重離子研究的相關(guān)結(jié)果[20-21]。另外，PTW1500XDR矩陣電離室結(jié)合固體水用于碳離子劑量驗證[13,22]，為重離子的三維劑量分析提供了更多選擇[20,23]。

綜上所述，采用PTW1500XDR矩陣電離室進(jìn)行碳離子劑量驗證是一種更方便快捷的劑量驗證方式，且與2、3 mm計算網(wǎng)格對比，計算網(wǎng)格為4 mm時劑量驗證通過率差異沒有顯著性，但驗證時間明顯縮短。因此，臨床上建議采取PTW1500XDR矩陣電離室結(jié)合固體水并選用4 mm計算網(wǎng)格進(jìn)行患者碳離子治療計劃射野的驗證，可以在保證劑量驗證通過率的同時縮短劑量計算所用時間，即一定程度上提高了劑量驗證的效率。另外，本次研究的不足是樣本量較少，需要進(jìn)一步加大樣本量進(jìn)行更深入的研究。