多层放射性铬胶片剂量验证系统的研制*

张 可 谢玲灵 张中柱 戴建荣*

多层放射性铬胶片剂量验证系统的研制*

张 可① 谢玲灵② 张中柱② 戴建荣①*

目的：采用放射性铬胶片(RCF)快速准确地验证调强放射治疗(IMRT)形成的复杂剂量分布，研制多层RCF剂量验证系统。方法：以RCF为载体，利用测量模体、RCF、胶片扫描仪及验证软件的剂量验证系统实施测量及分析；模体模拟人体外形，包含多种专用模块，软件包含二维、三维无标记点配准及验证分析功能。结果：模体凸凹槽结构结合软件无标记点自动定位功能，可快速完成胶片的固定及其与计划数据的配准以及RCF的免冲洗自动显影，减少了调强放射治疗测量和分析的不确定因素，减少物理师工作量。患者调强验证以剂量偏差3%和3 mm距离偏差为控制标准，6个临床病例的伽马分析通过率均＞90%。结论：多层RCF剂量验证系统是调强适形放射治疗剂量验证和常规质量保证的多用途工具，具有方便、准确、真实、海量信息及多用途等特点，可用于对直线加速器、伽玛刀、射波刀、后装机及粒子植入等放射治疗设备质量验证和调强治疗患者剂量的二维、三维验证。

放射性铬胶片；剂量验证系统；调强放射治疗

[First-author’s address] Department of Radiation Oncology, Cancer Institute (Hospital), Chinese Academy of Medical Sciences, Beijing 100021, China.

调强放射治疗(intensity modulated radiation therapy，IMRT)是三维适形放疗的一种，其辐射野内剂量强度按一定要求进行调节，并具有高剂量区与靶区在三维空间上形状一致、靶区边缘剂量梯度大的特点，目前已被放射肿瘤学家认为是放疗史上的一项革命和本世纪放疗发展的必然趋势[1]。但IMRT是一项复杂的技术，在实施的过程中任一个环节出现差错都可能引起很大的治疗误差，因此IMRT的质量保证(qualily assurance，QA)和质量控制(qualily control，QC)是急需解决的重要问题。

为了保证IMRT的治疗质量，必须对治疗过程进行剂量学验证。然而，现有剂量验证工具基本只满足二维平面剂量验证的需要，而不能验证多个层面和三维的剂量分布，为此本研究研制了一套多层放射性铬胶片(radiochromic film，RCF)剂量验证系统。

1 RCF剂量验证系统的组成

1.1 测量模体

一种多功能测量模体，通过定位棒插入定位孔将各层模板固定成一体(如图1、图2所示)。

图1 测量模体实物图

图2 测量模体整体分解示意图

多功能测量模体既可用于单层的二维胶片剂量验证，也可用于多层的三维胶片剂量验证，还可用于加速器灯光野与射野的一致性、射野平坦度和对称性、MLC位置精确性及等中心星形野等日常质量保证工作。测量模体主要有7大特点：①外形为椭圆型仿人形工程模体，接近于人体，当射线倾斜或旋转照射时轮廓无突变，可减少因模体尖锐边缘造成的影像伪影问题；②整体为非均匀材料模体结构，无骨和肺组织等效模块，为评价计划系统处理高梯度组织交界面的能力提供了条件；③设置了可选多种插入电离室进行多点点剂量测量，多道探测器板也可用于半导体点剂量的测量；④采用透明材料制成，具有良好的视觉透明性，物理师可以清楚地看到胶片、电离室及半导体探测器在模体中的位置；⑤模体上表面和4个侧面均刻有高精度宽1 mm的中心标志线，可以迅速地完成摆位、定位、拍片及测量工作，进行三维模拟扫描；⑥模体配有多块5 mm和10 mm厚度标准的建成测量板，通过灵活地组合模板的种类和数量实现不同测量深度的剂量测量和验证；⑦胶片测量板的正面设置有凹槽，用于放置患者治疗剂量验证的医学胶片，背面设置有凸台，用于压紧放入的医学胶片，从而保证医学胶片能够良好地接触，一次性快速、方便地将多张免冲洗胶片分层精确配准，减少冲洗胶片和胶片配准造成的不确定性，减少物理师工作量。模体胶片测量部分设置了多达5层的放射性铬胶片凹槽，以多层胶片的射野场图像叠加，创建患者调强治疗的三维剂量场分析手段。在临床上可根据调强验证工作需要，自行设置1～5层胶片接受辐照，并使用配套剂量分析软件，得到二维和(或)三维剂量场分布数据。

1.2 RCF

RCF中的感光成分是一种不饱和烃单体的微晶粒，亚纳米级大小的单体晶粒均匀分布于凝胶基质中，覆盖于片基上。当胶片受到电离辐射时不饱和烃单体发生聚合作用，生成一种染料的聚合体，胶片因此而显色[2]。随着颜色的加深(即聚合体数量的增加与吸收的剂量成一定比例)，从而量化辐射剂量数值。RCF具有宽广的剂量范围(1～4000 cGy)，明室操作，可裁剪成需要的形状，防水处理，可短时间在水箱中使用，特殊表面涂层，避免牛顿环伪影，空间分辨率高(0.005 mm)，近组织等效，无需显影、定影等化学处理及暗室操作，具有显著的放射物理应用潜在优势[3-4]。

1.3 胶片扫描仪

胶片扫描仪与平板扫描仪相比，常规的CCD扫描仪具有较大的光源散射影响。平板扫描仪的扫描光源更接近胶片，扫描光源的长短和其与胶片距离的远近决定了散射干扰的强弱，因此常规的CCD扫描仪产生的散射干扰比平板扫描仪大。在平板扫描仪中，推荐采用Epson 11000XL扫描仪来配合使用放射性铬胶片，该种扫描仪拥有48位的彩色信号输出(每种颜色16位)，有31.0 cm×43.5 cm的扫描范围，全彩输出中的红色信号配合放射性铬胶片的特性能得到最好的对比度。同时，Epson 11000XL扫描仪的稳定性和噪声响应特性较好，支持透扫和反射扫描2种扫描方式，且性价比很高，具备良好的市场推广前景。

1.4 验证软件

针对验证系统硬件专门编制了胶片剂量验证软件。软件QA系统是基于NI LabVIEW 2011软件平台和Microsoft Access Driver数据库的三维适形、X射线三维立体定向放射治疗(X刀)、逆向调强和旋转调强等精确放射治疗的胶片剂量验证的软件工具，其主要功能是通过对胶片图像和计划系统计算数据的分析处理，不仅从图形上给出胶片与计划之间等剂量线、离轴比之间的结果分析，同时定量地给出了计划系统与实际照射结果之间的偏差分析，通过DD/DTA/ Gamma等验证方法得到其通过率，以验证计划的可实行性。该软件通过解析DICOM RT协议获取治疗计划系统计划数据，与Epson11000XL扫描仪连接接收胶片扫描结果进行比较分析，验证软件中内置胶片模板便于使用者准确配准，实现了对多层胶片剂量数据与计划剂量数据的二维及三维多参数分析，操作流程简单、快捷和方便(如图3、图4、图5所示)。

图3 多层胶片实际放置图

图4 TPS三维解析图

图5 胶片剂量验证系统逻辑流程图

除研制了上述剂量验证软件以外还编制了胶片设备质量保证软件。作为针对60Co治疗机、X刀和直线加速器等精确放射治疗设备的QA工具，实现了对放疗设备灯光野与射野一致性、星形野、多叶准直器位置精确性、平坦度及对称性等方面的测量。

2 实验方法

2.1 试验条件

1.2.3 统计学方法使用SPSS 13.0统计软件包进行分析。计数资料采用c2检验,检验水准α=0.05。

试验中采用RCF配合电离室的测量方法，在测量模体中插入电离室进行点剂量测量，使用本研究研制的测量模体，测量胶片在模体冠状面的剂量分布，以专用验证软件对患者调强剂量场和放疗设备QA进行验证。

2.2 剂量验证

(1)等中心点吸收剂量的验证。①在测量模体等中心点设置模拟病灶靶点，在测量模体的表面设置2个以上的体表标志点，分别确定这些标志点的物理坐标；②采用胶带固定模体标志点，保证体表标志点坐标的准确性，通过体表标志点来确定模体的空间坐标系；③将电离室插入模体中，此模体连同电离室一起在螺旋CT机下扫描，扫描层厚为3 mm，获得相应模体的断层CT影像数据，将图像和定位数据传入治疗计划系统(treatment planning system，TPS)软件中，以体表的标志点为坐标参考点重建模体的三维图像，将电离室中心作为靶区中心，并给出照射靶点的坐标，确定靶区的范围；④将带有电离室的模体放置于治疗床上，将电离室连接至剂量仪，按以上计划分别进行照射。将测量结果与计算结果进行比较并计算其偏差：偏差=(计算值-实测值)／实测值×100%，偏差应＜3%的标准。

(2)胶片的刻度。剂量与OD响应曲线也称特征曲线(概念最初由Huter和Driffield于1890年提出，故也称之为H&D曲线[5])是用来描述剂量与光学密度对应关系的曲线，是进行胶片剂量分析和评估的基础。当使用胶片进行剂量分析和评估时，由于胶片表现为灰阶信号，描述扫描仪扫描胶片后的模拟数字转换器(analog-to-digital converters，ADC)信号值，不直接反应剂量，因此在进行剂量评估时需建立剂量值与OD值的对应关系[6]。由于RCF采用扫描仪的红通道读取各像素点的像素值，而不是采用常规的光学密度值，故剂量校准时采用剂量-像素值曲线描述剂量与胶片的红通道像素值的对应关系。

在放射仪器标定的标准条件下(6 MV X射线，SSD为100 cm，射野为10 cm×10 cm，模体内深度为1.5 cm)分别给予等间距或不等间距的吸收剂量，将胶片放入模体中得到胶片相应的刻度曲线。

放射铬校准片对剂量分布的适当校准是获得精确结果的关键。校准片包括：①4个以上剂量校准值(推荐8～13个)；②校准点的值必须大于照射野的最大剂量值，最大的校准值必须大于照射野的最大剂量值的20%以上。

(3)胶片测量。①曝光校准用片：校准的剂量值必须分别曝光在单独的小块胶片上，裁剪胶片时应确保每张胶片扫描方向的一致性。只要每块校准值区域的累积剂量值能用电离室来确认，可用整张胶片进行校准；②曝光病患治疗用片：将加速器机架置于0o，在治疗床上拼装测量模体，将胶片水平放置于模体中，胶片必须放置在治疗野等中心位置曝光并且用基准点做好标记。将胶片放置于测量模体中，关上模体，按照计划在适当的深度照射；③按曝光顺序扫描胶片，放射自显影铬胶片无需洗片机冲洗，但其需要2 h左右进行自显影以达到稳定状态。为得到最佳效果，所有的胶片必须被放置在扫描平台的中心进行扫描，并且每张胶片扫描与曝光的间隔时间也尽量一致。

剂量差异标准是指将同一平面上由TPS计算得到的剂量值与实际测量得到的剂量值在相应的位置进行简单的相减而得到的剂量差异分布[7-9]。通过剂量差异分布图，能够识别计算值与实际测量值不符合的位置或区域，分辨剂量差异的大小程度。剂量差异分为2种类型，如果比较绝对剂量则称为绝对剂量差异；如果比较归一后的值则称为相对剂量差异。如测量值与系统的计算值的偏差在±3%以内则通过，反之不通过。

DTA是指评估的测量点和与之匹配的TPS计算平面上距离测量点最近的并与这一测量点具有相同剂量值的点之间的距离[10-12]。如在系统计算的剂量分布平面内以该点为圆心，在以3 mm为半径的圆形区域内，如果存在与该点测量剂量相等的点，则视为该点满足3 mm的误差要求并通过，反之不通过。

Low等[13]于1998年提出γ因子概念，在剂量评估时将剂量差异和DTA结合在一起进行计算，能够定量地计算出计算与测量之间的误差大小。Gamma方法对TPS计算的剂量点与测量的剂量点逐个进行像素与对应像素的检验，符合条件的则γ≤1，不符合条件的则γ＞1。

2.3 设备质量保证

采用测量模体，等中心(靶点的中心)设置在模体的中心，坐标为(0，0，0)，距离模体表面为15 cm。垂直治疗床指向地面的方向设为坐标的Z轴，指向患者头部的方向为Y轴，XY平面与治疗床平行。采用测量胶片，放置在过等中心的XY平面上照射，以实际情况曝光光野射野一致性、MLC静态位置到位精度、星形野等胶片，并应用本研究研制的软件进行设备质量保证分析。

2.4 实例验证

(1)设备。加速器：Elekta Synergy；能量为6 MV；电离室：IBA FC65-G(0.6 CC)；剂量仪：IBA DOSE1；胶片：EBT3、RTQA2；胶片剂量验证系统：MULTIFILMQA测量模体、Epson扫描仪、Patient QA剂量验证软件；计划系统：Philips Pinnacle 9.0；计算方法：Collapsed Cone。

(2)治疗计划资料。2013年临床实际使用的调强放射治疗的患者计划随机抽取6例。

(3)测量结果(如图6所示并见表1)。

图6 剂量与红绿蓝三通道像素值响应曲线

表1 剂量评估结果(%)

3 结论

使用RCF剂量验证系统省略了与暗室和冲片机相关的时间、空间、化学污染及费用支出等，消除了难以应对的由冲片机引入的测量误差，简化了系统的质量控制过程。多功能测量模体可用于常规放射治疗，三维适形放疗和逆向调强放疗的质量保证和放疗设备QA控制。

多层RCF剂量验证系统是调强适形放射治疗剂量验证和放疗设备质量保证的多用途工具，具有方便、准确、真实、信息海量及多用途等特点，既可用较为简捷方便的手段实现三维旋转调强剂量验证，也可用于常规调强、适形验证和加速器、伽玛刀、钴机、射波刀、后装机和粒子植入等放疗设备的日常质量保证工作。

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Development of multi-layer radiochromic film dose verification system

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ZHANG Ke, XIE Ling-ling, ZHANG Zhong-zhu, et al// China Medical Equipment,2014,11(2):1-5.

Objective: Multifilm QA(Quality Assurance) system is developed to guarantee the quality of radiotherapy, and verify the dose distribution of IMRT more accurately. Methods: Radiochromic film is used as carrier and the dose analysis system is composed of phantom, radiochromic film, film scanner and analysis software. The phantom is shaped as human body, and it consists of appropriative modules for ionization chamber, film and MOSFET dosimeters and inhomogeneous module containing lung and bone density inserts. Software provides unique functions in 2D and 3D registering and analyzing, facilitates plan verifications and routine quality assurance programs. Results: The tongue and groove joint and the automatic register function make the film fixing and register convenient. Combined with the self-developed radiochromic film, the uncertainties in measurement and analysis are reduced, and physicist's workload is also diminished. The gamma index passing rate for 6 cases are all over 90% with 3% dose difference and 3mm DTA criteria. The system can be used for the machine QA, such as linear accelerator, gamma knife, cyber knife, afterloading unit, interstitial brachytherapy as well as the patient specific 2D and 3D IMRT plan QA. Conclusion: Multifilm QA system is a versatile tool for IMRT dose verification and regular quality assurance. It is convenient, accurate, authentic, huge amounts of information and multi-purpose, etc. It can be used in the dose verification for VMAT and IMRT plan besides daily quality assurance of accelerator.

Radiochromic film; Dosimetric verification system; Intensity modulated radiation therapy

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.02.001

1672-8270(2014)02-0001-05

R812.2

A

2013-10-16

国家科技支撑计划(2011BAI12B05)“基于电子直线加速器的快速调强与影像引导放疗系统”

①中国医学科学院肿瘤医院放射治疗科 北京 100021

②北京中康联医疗器械开发有限公司 北京 101111

*通讯作者：dai_jianrong@163.com

张可,男,(1979- ),博士研究生，助理研究员。中国医学科学院肿瘤医院放射治疗科，研究方向:放射治疗质量保证。