三维治疗计划系统使用前的临床剂量学验证

胡杰，董晓庆，陶建民，张莹，张颖，林清

同济大学附属第十人民医院放疗科，上海 200072

三维治疗计划系统使用前的临床剂量学验证

胡杰，董晓庆，陶建民，张莹，张颖，林清

同济大学附属第十人民医院放疗科，上海 200072

目的对我科三维治疗计划系统（TPS）进行使用前的剂量学验证，以检验该系统在临床正常使用条件下的有效性和安全性。方法首先设计绝对剂量验证测试例，计算水模体中感兴趣点的剂量，并与同一点的实测剂量进行对比，计算相对偏差，按荷兰辐射剂量测量委员会的推荐计算每个测试例的通过率；再设计相对剂量验证测试例，对Mapcheck和固体水进行CT扫描，将CT图像导入TPS，计算表面下5 cm深度处的二维剂量分布，并与实测的剂量分布进行对比，按AAPM TG119标准计算每个测试例的γ通过率。结果绝对剂量验证中，相对偏差在1%以内的兴趣点占33%，相对偏差在2%以内的占84.5%，相对偏差在3%以内的占95.3%，相对偏差超过4%的占2.3%，均位于建成区内，属高剂量梯度区。相对剂量验证中，γ通过率＞99%的测试例占72.2%，γ通过率＞98%的占89%，γ通过率最低为92.1%。结论我科三维治疗计划系统在临床正常使用条件下具有预期的有效性和安全性，可以投入临床应用。但对叶片的端面弧形设计效应和侧面凹凸设计效应引起的剂量学变异现象，物理师和医师必须高度注意，以免造成不必要的放射损伤。

三维治疗计划系统；剂量验证；放射治疗；点剂量；剂量分布

剂量计算的准确性是三维治疗计划系统（TPS）最重要的一项性能指标，直接关系着患者的治疗效果。我科Pinnacle治疗计划系统剂量计算时使用的不是原始测量数据，而是由数学模型根据原始数据拟合的参数，如果参数拟合不对，则无法得出正确的计算结果。因此TPS安装、建模、调试后并不能立即投入临床使用，必须按临床实际可能使用的照射方式进行广泛的附加验收测试，这种测试已开展多年但方法不尽相同[1-3]，笔者根据调强放疗计划验证的方法[4-5]，进行了一系列的点绝对剂量计算准确性验证和平面剂量分布计算准确性验证，并将此作为TPS使用前的临床剂量学验证程序。

1 材料与方法

1.1 实验材料

Elekta Synergy直线加速器，以6MV-X线为射线源进行试验。飞利浦Pinnacle三维治疗计划系统，版本9.2，TPS剂量计算网格为0.3×0.2×0.3，采用CC Convolution计算引擎。测量设备为Sun Nuclear公司三维水箱配0.125cc电离室、Mapcheck2 1177半导体探测器阵列及分析软件；PTW UNIDOS E剂量仪及TW30013型0.6cc指型电离室、RW3固体水。Siemens大孔径放疗专用CT。

1.2 实验方法

1.2.1 机器参数测试方法

TPS使用前，首先由TPS供应方技术人员通过Sun Nuclear三维水箱测量计划系统建模所需要的物理学参数如百分深度剂量（PDD）、二维剂量分布量、离轴比（OAR），以及准直器散射因子、总散射因子、楔形板透射因子、托架衰减因子等相关数据；然后将数据输入TPS服务器，按照数学模型拟合剂量参数完成建模；物理师接受系统培训，掌握技术要点，进行临床使用前的剂量学验证。

1.2.2 剂量学验证方法

在剂量学验证之前，按照加速器标定规程对加速器输出剂量进行标定，即SSD=100 cm，射野10 cm×10 cm，定标深度，使200 MU=200 cGy。

（1）绝对剂量验证测试例参数如下：① G0C0条件下，SSD=100 cm，方野25×25 cm2、矩形野5×25 cm2、偏轴射野10×10 cm2（GT方向偏中心4 cm）、半野照射15×15 cm2（GT方向1个铅门关闭）、1/4野照射15×15 cm2、楔形野10×10 cm2、半野楔形照射15×15 cm2，分别测量中心轴和GT方向各偏中心轴3 cm处两条轴线上各7个深度的剂量；② G0C0条件下，SSD=85 cm，方野10×10 cm2，测量中心轴和GT方向偏中心轴3 cm处两条轴线上各7个深度的剂量；③ G45C0条件下，SSD=100 cm，方野10×10 cm2测量深度5 cm处3个测试点的剂量。

点绝对剂量验证：首先在TPS中建立水模体模型，在不同测试方向、不同深度处分别设置感兴趣点（POI）。按前述测试例情况布野，每野照射100 MU，计算并记录感兴趣点的剂量。坐标系x为AB方向，y为GT方向，z坐标从水表面往地面方向递增，所有坐标单位均为cm。测量射野中心轴及另外两条平行于中心轴的深度轴线上的点剂量，楔形板照射测试例和所有测试例建成区内的POI位于高剂量梯度区，其他测试例非建成区的POI均位于低剂量梯度区。斜入射测试例测试深度z为5 cm，其他所有测试例的测试深度z分别为1、3、5、10、15、20、25 cm，其中1 cm深度的POI位于剂量建成区。

（2）平面相对剂量验证：Mapcheck2是1个由1527个N型半导体探测器在26 cm×32 cm内等距分布构成的阵列，其聚丙烯前表面固有建成厚度为1.35 cm（等效水建成2 cm），反向散射等效水建成厚度为2.7 cm；相邻探测器间隔约为7.07 mm；单个电离室大小0.8 mm×0.8 mm，可准确测量高剂量梯度区的剂量[6]。使用时在上下方各放3 cm RW3固体水并固定成1个整体模型，以120 kV、层厚3 mm进行CT扫描，将CT图像导入TPS，等中心设置在Mapcheck2阵列中心。按表1设置测试例计算剂量，并将表面下等效深度5 cm处的平面剂量分布传到Mapcheck专用计算机，与实际测量到的剂量分布进行γ通过率分析。

表1 平面剂量分布验证测试例参数表

1.2.3 测试结果分析方法

（1）点绝对剂量验证：将TPS计算的各个兴趣点的剂量与实测剂量进行比较，统计中所涉及的计算偏差为相对偏差δ，定义为：δ=（Dcal-Dmeas）×100%／Dmeas，Dcal为TPS计算所得的兴趣点的剂量，Dmeas为实际测量所得的该点的剂量。根据荷兰辐射剂量测量委员会（NCS）总结的剂量验证的偏差允许值，所有测量点应均在剂量变化梯度小的区域[7]。本研究在计算每个测试例建成区和非建成区的通过率时，由于建成区处于剂量变化梯度高的区域，故将该区域兴趣点的相对偏差允许范围定为δ≤5%，楔形板测试例非建成区兴趣点的相对偏差允许范围定为δ≤3%，其他所有兴趣点的相对偏差允许范围定为δ≤2%。

（2）平面相对剂量验证：采用Mapcheck专用软件分析TPS计算结果与测量结果的差异，按前述允许误差标准计算每个测试例的γ通过率。

2 结果

（1）点绝对剂量验证总共171个兴趣点，相对偏差分布情况如下：δ≤±1%的56个，占33%；δ≤±2%的145个，占84.5%；δ≤±3%的163个，占95.3%；δ≤±4%的167个，占97.7%；δ≥±4%的4个，占2.3%，δ最大为4.7%，这4点均位于建成区。

点绝对剂量验证不同测试例的偏差范围及通过率结果，见表2。测试例7、8建成区δ最大达4.5%，这是由于建成区处于高剂量梯度区域，实测剂量时电离室到位的微小偏差即会导致绝对剂量的较大变化；同时测试例7、8还有楔形板的影响，照射条件非常复杂；测试例7均整区有1个兴趣点的δ达到4.7%，总通过率为94.4%；其他测试例验证通过率均为100%。

表2 绝对剂量验证不同测试例不同区域通过率

（2）平面剂量验证参照表1的允许误差，使用Mapcheck2专用软件进行γ通过率计算，结果如下：方野T1a、T1b通过率100%，T1c通过率98%，T1d通过率98.8%；矩形野T2a通过率96.8%，T2b通过率100%，T2c通过率99.6%，T2d通过率99.3%；不规则射野T3a通过率99.3%，T3b通过率100%；不对称射野T4a-T4c通过率100%；叶片末端效应T5a通过率98.4%，T5b通过率92.1%；叶片侧面效应T6通过率96.4%；菱形射野T7通过率100%；简单调强照射T8通过率100%。按美国医院物理学家学会（AAPM）推荐的TG119报告要求，单野剂量分布通过率为97.9%±2.5%，置信限7.0%，最低通过率标准为93.0%[8]。除T5b外测试结果均能够很好地满足该国际标准的要求。若根据医科院肿瘤医院的标准，即狭缝10%、其余范围4%/3 mm的标准，T5b的通过率97.6%。

3 讨论

三维TPS在临床上的应用越来越广泛，照射模式也从常规放疗、适形放疗发展到调强放疗、容积旋转调强放疗，非标准照射方式广泛使用。三维TPS在计算精度上也有了很大提高，但它对质量保证的要求也更高。因此TPS安装、建模、调试后并不能立即投入临床使用，必须按临床实际进行广泛的附加验收测试，不同作者报道了相关的测试方法[8-11]。笔者所使用的方法如下：测量我科治疗机的基本参数并将其输入TPS，经拟合处理确定计算模型的参数调试后进行剂量学验证，其中绝对剂量验证使用剂量仪和电离室进行实际测量得到兴趣点剂量Dmeas，与TPS计算得到的剂量Dcal进行比较，计算相对偏差，并按不同照射条件下的偏差允许值计算每个测试例的通过率，此方法可直接验证数学模型参数确立的正确性，具有实际的临床意义。

探测器阵列作射野剂量学验证的有效性已有作者做详细的研究[6,9]，本研究相对剂量验证使用Mapcheck2附加固体水，测量表面下5 cm深度处不同测试例的平面剂量分布，并与计算得到的剂量分布进行比较，按国际标准计算γ通过率。根据试验结果，我科TPS能很好地完成各种照射方式的计划设计，其计算精度基本达到了相关国际标准要求，可以投入临床使用。

在本研究相对剂量验证T5a测试例中，虽然TPS能很好地模拟实际照射剂量分布，γ通过率98.4%，但在上下两个高剂量分布区中间还有1个窄条形的剂量分布区，这是由于医科达加速器为避免叶片发生碰撞，相对叶片关闭时最小距离为0.6 cm。该测试例中，中间6对叶片并不能完全关闭，因此这部分正常组织将不可避免地受到不必要的照射。其他品牌加速器的叶片设计方式类似。因此在临床实际工作中，如果碰到这样的靶区分布形状，笔者认为应针对两个靶区分别设置照射野更为合适。

叶片侧面效应T6测试例中，10 cm×10 cm射野分上下两个半野照射得到合成剂量，按3%/3 mm的标准,γ通过率96.4%，已经不低，但是射野衔接处实测剂量比计算剂量整体均偏大，最大偏差12%。在三维适形照射中，经常会使用半野衔接照射，射野衔接处剂量偏高现象就必须引起高度重视，如果该区域位于脊髓上，可能会引起严重的并发症。日常调强放疗的点在绝对剂量验证时位于高剂量低梯度区，所以绝对剂量验证无法发现上述两个现象，而相对剂量验证是按一定的通过标准（如3%/3 mm）计算γ通过率，整体的高通过率（＞95%）可掩盖射野衔接处的超高剂量现象。因此，笔者认为，在临床实践中，叶片的端面效应和侧面效应两个剂量学现象必须引起物理师和医师的注意，以防造成不可接受的放射损伤。

绝对剂量验证偏差与测试点的位置有关，在本测试结果中，测试例7、8在楔形板照射模式下，其建成区相对偏差最大达-4.5%。相对偏差的产生主要有两种原因，数学模型计算误差和实际测量误差。建成区兴趣点处于高剂量梯度区域，电离室到位不可能完全精准，不可避免地会产生相应的测量系统误差。两种因素的叠加导致绝对剂量验证测试例7、8在建成区测试点的相对偏差＞4%。在临床剂量学验证中，一般不进行建成区的验证，笔者对这个区域进行验证是为了了解我科TPS在建成区的计算能力，以期为临床中可能的深度极低靶区计划的设计提供参考。总体而言，我科TPS各项测试验证的精度比较高，该TPS可投入临床正常使用。

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Pre-Use Dosimetric Veri fi cation of 3D TPS

HU Jie, DONG Xiao-qing , TAO Jian-min, ZHANG Ying, ZHANG Ying, LIN Qing
Department of Radiation Oncology, Tenth People’s Hospital of Tongji University, Shanghai 200072, China

ObjectivePre-use dosimetric veri fi cation of 3D TPS (Three-Dimensional Treatment Planning System) was performed in the department so as to verify its e ff ectiveness and security in the clinical application under normal conditions.MethodsDosimetric veri fi cation of the absolute dose was carried out to calculate the absolute dose of POI (Point of Interest) for the water phantom and compare it with the actually measured value. The relative deviation and passing rate for the tests were calculated according to the recommendation of Netherlands Commission on Radiation Dosimetry (NCS). The dosimetric veri fi cation of the relative dose was carried out to scan the Mapcheck and solid water so as to import the images to the TPS. The 2D dose distribution at the depth of 5 cm from the surface was calculated and compared with the actually measured result. Then, the passing rate for the tests was calculated according to the standard of AAPM TG119.ResultsFor the dosimetric veri fi cation of the absolute dose, the POI whose relative deviation of the absolute dose was less than 1%, 2%, 3% and more than 4% occupied 33%, 84.5%, 95.3% and 2.3% respectively, which were all located in the high dose gradient area within the built-up area. For the dosimetric veri fi cation of relative dose, the test whose passing rate was greater than 99% and 98% accounted for 72.2% and 89% respectively with its lowest passing rate being 92.1%.ConclusionThe veri fi cation result proved the intended e ff ectivity and safety of 3D TPS in its clinical applications under normal conditions, which was worthwhile to be promoted. However, the physician and physicist should be highly aware of dosimetric abnormalities caused by the curved and tongue-andgroove design of leaves, which can lead to unnecessary radiation damage.

three-dimensional treatment planning system; dosimetric veri fi cation; radiotherapy; point dose; dose distribution

R814；TH774

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.03.027

1674-1633(2015)03-0088-04

2014-11-03

2014-12-31

本文作者：胡杰，高级工程师，主要从事肿瘤放射物理工作及研究。

林清，副主任医师。

作者邮箱：hujie710202@sina．com