MatriXX二维电离室阵列的剂量特性研究

王学涛，朱 琳，戴振晖，招什武，杨 耕，朱远湖

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MatriXX二维电离室阵列的剂量特性研究

王学涛，朱 琳，戴振晖，招什武，杨 耕，朱远湖

目的:在加速器X线、电子线射野条件下，通过测量和计算的方法研究MatriXX二维电离室阵列的剂量学特性，为调强放疗计划的剂量验证提供依据。方法:用MatriXX测量X线、电子线射野，研究其剂量线性、重复性和剂量率响应；用计算和测量相比对的方法，研究MatriXX多叶光栅射野的平面剂量分布。结果:MatriXX有良好的剂量线性、重复性，无剂量率依赖性；多野光栅射野较大时，计算和测量的剂量分布一致性较好，但在射野边缘和剂量梯度大的区域，计算和测量的结果一致性较差。结论:MatriXX可用于调强放疗计划的剂量验证，对于剂量梯度较大区域的剂量验证需要进一步研究。

MatriXX二维电离室阵列；剂量学特性；剂量验证

0 引言

随着静态调强、容积调强旋转照射（volumetric modulated arc therapy，VMAT）等先进放疗技术的发展，治疗计划的剂量验证工作变得越来越重要[1]。MatriXX二维电离室阵列（IBA Dosimetry AB，Uppsala，Swenden）能够对调强放疗计划进行点剂量和面剂量验证，现已成为开展调强放疗质量保证的重要工具之一[2-3]。不同型号的加速器因其标称能量和多叶光栅的初始设计不同，相同的调强放疗计划在不同型号的加速器上执行时剂量分布不同，因此，使用MatriXX二维电离室阵列进行剂量验证之前，必须研究其剂量学特性，以保证治疗计划剂量验证的质量。本文在Varian 23EX加速器X线、电子线射野条件下，通过剂量测量和计算的比对，研究MatriXX的剂量线性、稳定性、平面分辨率等，为使用MatriXX进行调强放疗的剂量验证提供依据。

1 方法

1.1 测量设备

1.1.1 MatriXX二维电离室阵列

MatriXX二维电离室阵列由探测平板和软件组成，其中探测平板由电离室阵列、控制器、信号处理和数据转换器等部分组成。在32×32的矩阵网格平板上均匀分布着1 020个通气电离室（网格阵列的4个角上各缺少1个电离室），有效测量面积24.4 cm× 24.4 cm，每个电离室呈圆柱形，直径4.5 mm，高5 mm，体积0.08 cm3，电离室中心之间的距离7.62 mm，有效测量点距表面3 mm。MatriXX平板通过标准的网络接口连接计算机，OmniPro I′mRT软件控制整个测量过程，接受治疗计划系统的数据，对比分析测量数据与计划数据，有数据求和、插值、乘积，γ方法分析等功能。系统为了避免时间过于固定，采用2路独立计数器，最小采样周期20 ms。

1.1.2 测量模体

MULTICube（IBA Dosimetry）模体是厂家专门为MatriXX定制的配套模体，体积31.4cm×31.4cm×22cm，材料是Plastic Water ®，物理密度ρ=1.05 g/cm3，MatriXX可以嵌入其中。MULTICube上下表面到电离室有效测量平面的距离均为11 cm。利用模体表面的十字形标志可以方便地将有效测量平面放置在加速器等中心处。

固体水模体为RW3材料，物理密度ρ=1.045g/cm3，有1、2、5、10、20 mm等不同厚度若干块。使用MatriXX二维电离室阵列测量前需对固体水模体的测量深度进行校正，公式为[4]

式中，ρp为固体水模体的物理密度（g/cm3）；Z为材料的原子序数；A为材料的原子量；dw为dp的等效水厚度。受到固体水模厚度的限制，校准的深度与电离室测量的深度可能不一致，误差＜1 mm。

1.1.3 医用直线加速器

Clinac23EX加速器（VarianMedicalSystemsInc.，Palo Alto，CA）有6、15 MV 2挡能量的X线和多挡能量的电子线。Millennium多叶光栅（multileaf collimator，MLC）在等中心处可以形成40 cm×40 cm的射野，中心40对叶片在等中心的投影宽度为5 mm，边缘20对叶片在等中心的投影宽度为10mm。

1.2 剂量测量和计算方法

1.2.1 剂量线性测量

在加速器X线、电子线条件下，源皮距=100 cm，射野尺寸为10cm×10 cm，设置2、3、5、10、20、50、100、200、300和500 MU顺序出束照射，记录MatriXX电离室的读数，照射3次，取平均值。

1.2.2 剂量重复性测量

在相同源皮距和射野尺寸条件下，设置200 MU出束照射，每个能量重复10次，记录MatriXX电离室的读数。

1.2.3 剂量率响应测量

在源皮距为100 cm条件下，射野尺寸为10 cm× 10 cm，设置200 MU出束照射，6、15 MV X线在5 cm深度测量，电子线按照能量大小分别在1、2 cm测量，剂量率分别设置为100～600 MU/min。

1.2.4 多叶光栅射野测量

MatriXX表面和底部分别放4.7和3 cm等效固体水模（RW3），使电离室在模体表面下5 cm深度，行5 mm层厚CT扫描，将影像传输到Pinnacle38.0m治疗计划系统（Philips Medical Systems Inc.，Fitchburg，USA）。在机架角0°条件下，制定“h”形剂量分布计划、动态楔形板计划、金字塔形和栅栏形剂量分布计划，将这些计划传输到MatriXX工作站上，同时经Varis网络传输到加速器工作站上。按照CT定位的条件，将MatriXX摆放在加速器治疗床上，按治疗计划实施照射。治疗计划和实际测量的剂量分布用γ方法评估，选取3 mm/3%的标准。

1.3 调强放疗剂量分布的验证

选择鼻咽癌和前列腺癌患者各1例，用Pinnacle38.0m治疗计划系统设计7野逆向调强计划，计划确认后，将其移植到MatriXX体模上，射野机架角全部归一到0°，重新计算体模中的剂量，将计算和测量的剂量分布输出到MatriXX系统中，用于分析评估。

2 结果

2.1 剂量线性

图1为Varian Clinac 23EX加速器6 MV X线的测量结果。由图1可见，在2～500 MU机器跳数范围内，MatriXX阵列电离室有良好的剂量线性，最大误差不超过0.05%。

图1 MatriXX阵列中心电离室的剂量线性

表1为加速器不同能量射线条件下，MatriXX阵列电离室的剂量。由表1可以看出，随能量改变电离室的读数变化为3.2%～6.5%。对于不同能量，MatriXX阵列电离室的剂量线性良好，但直线的斜率不同，这是电离室存在能量响应的缘故，如图2所示。

表1 不同能量射线条件下，MatriXX阵列中心电离室的剂量

图2 不同能量射线条件下，MatriXX阵列中心电离室的剂量线性

2.2 剂量重复性

图3为MatriXX经温度、气压修正后，阵列电离室测量的绝对剂量值与200 cGy的比值。图示为6 MV X线的结果。由图3可见，MatriXX阵列电离室的剂量重复性最大误差不超过0.1%。15 MV X线和12MeV电子射线的剂量重复性也有类似的结果。

图3 MatriXX阵列中心电离室的剂量重复性

2.3 剂量率响应

图4为MatriXX阵列中心电离室的剂量率响应。由图4可见，不同剂量率条件下，MatriXX中心电离室的剂量率响应一致性很好。在低剂量率100 MU/min和高剂量率600 MU/min时，电离室有微小的剂量率响应，误差小于0.2%，这可能是由MatriXX固有的信号采样时间引起的。

图4 MatriXX阵列中心电离室的剂量率响应

2.4“h”形剂量分布

图5为6 MV X线治疗计划系统计算和MatriXX测量的“h”形剂量分布的比较图。由图5可见，剂量计算的网格是1 mm×1 mm×1mm，2种剂量分布图用Cubic Spline算法插值为1 mm×1 mm的剂量矩阵，按中心轴剂量归一，γ≤1的通过率为96.47%。15 MV X线的“h”形剂量分布也有类似的结果。

图5 6 MV X线治疗计划系统计算和MatriXX测量的“h”形剂量分布

2.5 动态楔形板剂量分布

图6、7为6 MV X线15、45°动态楔形板射野的剂量分布图。由图6、7可见，计算和测量的剂量分布一致性很好，γ≤1的通过率分别为 96.32%和94.01%，说明MatriXX适合动态楔形板剂量分布的测量。2种剂量分布在射野边缘差异较大，估计与MatriXX本身的结构、较大的电离室间距和插值算法等因素有关。Varian Clinac 23EX加速器共用7个角度的动态楔形板，分别是10、15、20、25、30、45、60°。从计算和测量的结果可以看出，楔形板角度越大，计算和测量的射野边缘剂量差异越大。15°动态楔形板在10%～90%的半影范围内，治疗计划系统计算和MatriXX测量的通过率为53.47%，45°动态楔形板为37.87%。动态楔形板的边缘剂量分布需要进一步研究，在实际用于放射治疗时，对动态楔形板的边缘剂量，特别是45、60°2个角度楔形板的边缘剂量必须进行校正。15 MV X线动态楔形板射野计算和测量的剂量在射野边缘差异更大，中间部分与6MV X线类似。

图6 6 MV X线治疗计划系统计算和MatriXX测量的15°动态楔形板剂量分布

图7 6MV X线治疗计划系统计算和MatriXX测量的45°动态楔形板剂量分布

2.6 金字塔形剂量分布

图8为6 MV X线金字塔形剂量分布。由图8可见，计划系统计算和MatriXX测量的剂量分布一致性较好，γ≤1的通过率为92.73%。射野中心剂量高、梯度大，计算和测量的结果差异明显，γ≤1的通过率为42.73%；射野其余部分一致性较好，γ≤1的通过率均大于90.0%。

图8 治疗计划系统计算和MatriXX测量的金字塔形剂量分布

2.7 栅栏形剂量分布

图9为6 MV X线由5 mm的单个叶片形成的剂量分布。由图9可见，治疗计划系统计算的剂量分布能够较为明显地区分剂量峰谷，而MatriXX测量的剂量分布无法正常区分剂量峰谷，这可能与MatriXX本身固有的平面剂量分辨率有关。图10为6 MV X线由一对5 mm的叶片形成的剂量分布。由图10可见，MatriXX阵列电离室能够比较清晰地分辨剂量峰谷，但与剂量分布的计算结果一致性较差。图11为6 MV X线由3个5 mm的叶片形成的剂量分布。由图11可见，计算和测量的剂量分布一致性较好。3种栅栏形射野，在射野边缘计算和测量的剂量分布一致性较差，在射野中间区域一致性较好。3种情况下，γ≤1的通过率分别为48.52%、85.68%和93.04%。

图9 6 MV X线治疗计划系统计算和MatriXX测量的5 mm间隔的栅栏形剂量分布

2.8 调强适形放射治疗剂量分布

图12、13分别为鼻咽癌6 MV X线7野调强计划的1个分野和所有射野合成的剂量分布，分野和合成野γ≤1的通过率分别为96.52%和93.26%。图14、15分别为前列腺癌6 MV X线7野调强计划的1个分野和所有射野合成的剂量分布，分野和合成野的通过率分别为97.35%和92.13%。

图10 6 MV X线治疗计划系统计算和MatriXX测量的10 mm间隔的栅栏形剂量分布

图11 6 MV X线治疗计划系统计算和MatriXX测量的15 mm间隔的栅栏形剂量分布

3 结论与讨论

目前，国内众多的放疗单位已经开展调强放疗技术，基于指形电离室的点剂量验证和基于慢感光胶片的平面剂量验证工作变得十分复杂，需要一种高效、准确、简便的验证方法和工具。近几年出现的二维平面剂量验证工具，如SunNuclear的Mapcheck、PTW的2D-ARRAY和IBA的MatriXX，都具有点剂量和平面剂量分布实时在线的测量能力，大大提高了剂量的测量效率。但是，这些测量工具的结构和剂量学特性是否适应各种调强放疗技术的剂量验证，需要进行实际测量研究。

本文的研究结果表明，在Varian加速器X线、电子线条件下，MatriXX二维电离室阵列具有良好的剂量线性，但不同能量的剂量线性斜率不同，这个结果与文献报道相一致[5]。在多叶光栅射野条件下，用3 mm/3%的γ方法评估，大部分测试射野γ≤1的通过率大于90%。由于MatriXX阵列电离室的间隔是7.62 mm，它无法正确描述5、10 mm栅栏形剂量分布，也无法正确描述射野半影区或野中叶片的边缘等高剂量梯度区的剂量分布；资料显示[6]，用Matri-XX测量Varian加速器6 MV X线，当射野≤3 cm× 3 cm时，MatriXX测量结果的可靠性明显降低，这与本文的结果相一致；慢感光胶片空间分辨率高，适合于这些区域剂量分布的测量[7-8]。所以，二维阵列探测器与胶片剂量相结合的方法应该是加速器日常质量保证与调强适形剂量验证的一个合适选择[9-10]。

由于二维电离室阵列MatriXX的探头结构和阵列几何设计等原因，它的初始设计只用于测量0°机架角时的射野剂量分布[3]，是目前大部分医院采用的调强计划剂量验证模式。如果需要在实际治疗角度下验证调强放疗的剂量分布，需要进行角度响应修正[11]。本文中2例患者的调强放疗计划，每一单野剂量分布γ≤1的通过率都大于90%，合成野剂量分布的通过率也都大于90%，可以对患者实施放射治疗。

图12 6 MV X线治疗计划系统计算和MatriXX测量的鼻咽癌调强计划的单野剂量分布

图13 6 MV X线治疗计划系统计算和MatriXX测量的鼻咽癌调强计划的合成野剂量分布

图14 6 MV X线治疗计划系统计算和MatriXX测量的前列腺癌调强计划的单野剂量分布

图15 6 MV X线治疗计划系统计算和MatriXX测量的前列腺癌调强计划的合成野剂量分布

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（收稿：2014-06-05 修回：2014-11-15）

Investigation on dose characteristics of 2D array MatriXX

WANG Xue-tao,ZHU Lin,DAI Zhen-hui,ZHAO Shi-wu,YANG Geng,ZHU Yuan-hu
(Radiotherapy Center of University Town Branch,Guangdong Provincial Hospital of TCM,Guangzhou 510120,China)

ObjectiveTo investigate the dose characteristics of MatriXX by measurement and calculation using X-ray and e-ray of the accelerator to lay a foundation for dose verification of intensity modulated radiation therapy(IMRT).Methods The dose linearity,reproducibility,dose rate dependence were studied by involving MatriXX in the measurement of the X-ray and e-ray fields,and the planar dose distribution of multileaf collimator fields was explored by comparison of measurement and calculation.ResultsMatriXX had high dose linearity,reproducibility while no dose rate dependence.The consistency between measurement and calculation was high in case of large fields,while got reduced at field edges and the area with high dose gradient.ConclusionMatriXX is suitable to verify IMRT dose distribution,while has to be researched for the dose verification at the area with high dose gradient.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（6）：87-91]

2D array MatriXX;dose characteristic;dose verification

R318；R814.42

A

1003-8868（2015）06-0087-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.06.087

广东省医学科研基金资助（A2014274）

王学涛（1968—），男，博士，主任，主要从事肿瘤放射物理及治疗技术方面的研究工作，E-mail:wangxuetao0625@126.com。

510120广州，广东省中医院大学城医院放疗中心（王学涛，朱 琳，戴振晖，招什武，杨 耕，朱远湖）

朱 琳，E-mail:ilhuohuo@163.com