调强放射治疗剂量验证工具与方法

眭建锋 高留刚 倪昕晔

213003常州，南京医科大学附属常州第二人民医院放疗科

调强放射治疗剂量验证工具与方法

眭建锋 高留刚 倪昕晔

213003常州，南京医科大学附属常州第二人民医院放疗科

调强放射治疗广泛应用于肿瘤的治疗，其剂量分布在三维方向上与靶区高度适形。然而调强放疗的复杂射野、数据误差、算法误差及机器误差等因素可能会引起较大的剂量偏差，从而造成实际剂量与计划剂量不符，而严重的剂量不符可能会造成不必要的辐射事故。因此鉴于患者安全角度考虑，治疗计划在执行之前通常需要进行剂量验证，以确保患者治疗计划的安全实施，避免计划外的剂量照射。目前，临床上剂量验证的工具与方法有很多，包括指形电离室工具和热释光剂量仪工具等的点剂量验证法、半导体阵列工具和电离室阵列工具以及胶片工具等的二维剂量验证法、ArcCHECK工具和Delta4工具以及第三方软件工具等的三维剂量验证法等，对临床上常见的剂量验证工具和方法进行了综述。

调强放射治疗；高度适形；偏差；剂量验证

Fund program：Changzhou Sci&Tech Program of Jiangsu Province(CJ20130019);Natural Science Foundation of Jiangsu Province(BK20151181)

0 引言

放疗是目前治疗肿瘤的3大手段之一，随着放疗技术的不断发展，调强放射治疗已发展到固定野的调强放疗和容积调强。调强放疗是指在辐射野与靶区外形一致的条件下，针对靶区三维形状、要害器官与靶区的具体解剖关系对射束强度进行调节。虽然单个辐射野内剂量分布是不均匀的，但是整个靶区体积内剂量分布比三维适形治疗更均匀。由于调强放射治疗方法设计的剂量分布与靶区在三维方向上高度适形，因此是临床上常用的放疗方法。

尽管调强放疗在临床上应用广泛，但在设计过程中还会存在众多不确定因素，导致计划剂量与实际照射剂量存在一定的偏差。调强放疗是把每个辐射野分割成多个子野，因此射野的复杂程度较其他放疗方式要复杂得多，而由于治疗床和体位固定装置的存在，调强放疗计划的多野交角照射部分后斜野会经过治疗床及体位固定装置到达患者，使得靶区实际接收剂量的精确性受到影响[1]；而且调强放疗从设计治疗计划到治疗实施过程的各个环节，均有可能产生不同程度的误差，如：治疗计划原始数据的误差、计算剂量时的算法误差及治疗实施时的机器误差等。调强放疗技术的复杂以及其不同来源的误差，会导致额外的剂量辐射，严重者可致辐射事故。因此有必要在治疗实施前对调强放疗的计划进行剂量验证以确保安全，即质量保证（quality assurance，QA）[2]。

目前，调强放疗的QA方法主要是将计划移植到一个模体上，用剂量测量工具测量点剂量、二维剂量及三维剂量，然后将其与计划剂量相比较[3-4]。点剂量测量工具有指形电离室、半导体热释光剂量仪等[5-6]；二维剂量测量工具有胶片[5-6]、半导体阵列[5,7]、电离室阵列[8-9]及电子射野影像系统（electronic portal imaging device,EPID)[10-11]等；三维剂量测量工具有ArcCHECK[12-13]、Delta4[14-15]、ComPASS[16]、PTW OCTAVIUS 4D[17]以及第三方软件Mobius FX[18]或Mobius3D[19]等。

1 质量验证方法

1.1 点剂量验证法

点剂量验证法也称绝对剂量验证法，有多种测量工具，如指形电离室、半导体及热释光剂量仪等。指形电离室具有稳定性出色、射束的定向依赖性小以及射束质量响应独立性等优点，因此使用较广[20]。在测量剂量时，将治疗计划移植到特定的模体中，然后将指形电离室放入模体内感兴趣点测量实际吸收剂量，并将实际测量剂量与计划剂量进行对比。在电离室测量前，需测量治疗室的室温和气压并进行必要的修正，同时要对电离室和模体进行精确的定向定位。在调强放疗计划中，由于陡峭的剂量梯度和大量子野的存在，电离室需具有足够高的空间分辨率。

1.2 二维剂量验证方法

二维剂量验证方法是目前应用最广泛的调强放疗剂量验证法，包括DER2慢感光胶片、Gafchromic EBT2胶片、Mapcheck或Mapcheck2、Matrixx及EPID等剂量验证工具[21]。

1.2.1 胶片验证法

早期的剂量验证法是以点剂量测量工具结合胶片测量工具使用。胶片测量工具有可快速获取二维剂量信息、空间分辨率高、可永久记录剂量信息等优点，因此被广泛应用于调强放疗的二维剂量验证[22-25]。Gafchromic EBT2胶片在剂量验证之前，应先用指形电离室对加速器6 MV X射线进行剂量校准，以保证出束偏差在1%以内。尽管胶片测量具有很多优点，但仍存在一定的不足，如曝光和冲洗条件受限、成本高及工作量大等，因此影响了胶片测量工具在临床上的使用。

1.2.2 Mapcheck工具测量法

Mapcheck半导体阵列由于具有灵敏度较高、重复性好、剂量响应线性度好及对照射野大小的依赖性小等优点而成为应用广泛的二维剂量验证工具之一[26]。其测量、校准时间较短，可大大减少剂量验证的繁琐程度并提高工作效率。Mapcheck含有445个半导体探测器，测量面积为22 cm×22 cm，中心区域10 cm×10 cm内含有221个探测器，且探头之间的空间距离为0.707 cm；而在10 cm×10 cm区域以外探测器之间的空间距离为1.414 cm。Mapcheck的探测器个数较少，会导致分辨率偏低且照射野偏小，因此Sun Nuclear公司生产了Mapcheck2，半导体探测器个数高达1 527，单个探头有效测量面积为0.64 mm2，测量面积提升到32 cm×26 cm。与Mapcheck相比，Mapcheck2具有更高的分辨率，适合更大照射野调强计划的剂量验证。尽管Mapcheck做了一定的改进，但仍存在不足，如剂量验证精度不如胶片、照射野尺寸仍然不够大及仅对剂量高梯度变化区域可实现剂量分布的较好评估等。

1.2.3 MatriXX电离室验证法

MatriXX电离室验证方法与Mapcheck的验证方法类似，但MatriXX是以电离室作为测量元件，因此相比于半导体，MatriXX不需要用电离室测量做归一标定来确保测量结果的可靠性。MatriXX包含1 020个独立的电离室，排成32×32的矩阵模式，每个电离室的直径为4.5 mm，高5 mm，相邻电离室中心距离为7.62 mm。MatriXX的密度接近水，内含温度气压传感器，可实时测量温度或气压并进行修正。MatriXX具有高效、稳定、快捷等优点，但MatriXX电离室之间存在间距，当子野面积较小、宽度较窄时，MatriXX不能准确地探测到剂量；同时，MatriXX还存在高剂量梯度区域剂量验证不如半导体等缺点，因此限制了其在临床上的使用。

1.2.4 EPID二维剂量验证法

EPID最初是用来进行位置验证的，现今越来越多地被用作调强放疗QA的剂量验证工具[26]。胶片测量、半导体测量及电离室测量均需要专门的附件，其数据采集、处理和分析耗时费力；相比之下，EPID安装在加速器上，不需购买第三方设备，其数据采集简便，无需数据导出，大大提高了工作效率，降低了物理师的工作负荷[27]。EPID的分辨率为0.784 mm×0.784 mm，射野尺寸为40 cm×30 cm，有512×384个像素阵列，因此其分辨率比Mapcheck和MatriXX均要高。由于EPID具有良好的物理和高分辨率特性，可对其采集到的影像进行绝对剂量刻度建模，得到一个从影像值到绝对剂量的对应模型[28]，这样就能将EPID采集到的影像转换为接收到的绝对剂量从而重建模体或者患者体内的二维剂量分布。与其他方法比较，此方法无需使用附加设备即可得到高分辨率的二维剂量分布，且不仅限于在模体上使用，还可以对照射治疗中的患者进行剂量重建和监控[29]；但EPID价格昂贵、维修不便。

1.3 三维剂量验证方法

传统二维剂量测量得到的是某一平面的相对剂量，而靶区解剖结构一般呈三维状，因此二维测量提供肿瘤和正常器官的受量验证信息是有限的，且二维探测器通常适宜放在均匀模体里，这就存在角度依赖性的问题。对于调强放疗的QA，剂量的三维测量是有必要的，其可以提升剂量测量的精确度。常见的三维剂量测量方法有Delta4、ArcCHECK、ComPASS、PTW OCTAVIUS 4D以及第三方软件法等。

1.3.1 Delta4和ArcCHECK三维剂量验证法

Delta4系统是在一个22 cm×40 cm的圆柱形模体中放置2个正交排列的二维半导体探测器阵列，其中一个平面称为主板，与其垂直的平面分成2个翼板。Delta4共有1 609个P型半导体探测器，分布在20 cm×20 cm区域内，每个探测器的面积为0.78mm2，中心6cm×6cm区域内探测器间距为5mm，中心区域以外的探测器间距为10 mm。由于Delta4存在2个正交的探测器平面，因此其可接收任意入射角度的射线信息，测量中心点的吸收剂量[30-31]。Gutiérrez等[32]在4个月内通过对5例患者的治疗计划行Delta4剂量测量，发现不管对高剂量区域还是低剂量区域均有较好的一致性。此外，与胶片和电离室测量相比，Oscar Calvo等通过实验证明，Delta4测量可节省20～30 min。Ni等[33]还对Delta4用于不同射野尺寸应选择不同分析标准进行了研究，指出Delta4可用于提高基于90%通过率的多页光栅（MLC）位置检测灵敏度。ArcCHECK测量系统是在21cm长的圆柱形模体上分布1386个尺寸为0.8mm× 0.8 mm的P型半导体探测器，探头间距为10 mm，此分布可增大采样率并能减少射束方向上探测器的重叠和阴影，无角度依赖性。其使用的半导体探测器（小体积：1.9×10-5cm3）具有灵敏度和稳定性高的特点。ArcCHECK使用经过验证的计划剂量微扰测量引导的重建方法可评估动态4D剂量，自动生成高分辨率的4D剂量网格。相对于平面剂量测量工具，ArcCHECK的圆柱形更接近患者的解剖结构，有利于将ArcCHECK测量与实际情况相匹配。有研究表明[30]，当以3%/3 mm剂量误差阈值水平为标准时，ArcCHECK有很好的Gamma通过率；然而，当以2%/2 mm为标准时，相对于Delta4，ArcCHECK的通过率要低得多。由于Delta4和ArcCHECK探测器之间均存在一定的距离，其分辨率低于胶片且探测器以外的剂量分布是通过计算得到，造成了实测剂量的不准确；而且ArcCHECK中心有一个腔体，其剂量无法实现测量；另外，三维模体剂量仪价格均比较昂贵，使得Delta4和ArcCHECK的临床使用存在局限性。

1.3.2 COMPASS和PTW OCTAVIUS4D测量法

COMPASS系统由两部分组成：用于采集数据的MatriXX和用于剂量计算与分析的软件。MatriXX是挂在加速器机架上并固定，其平面与射线束的中心轴始终垂直，验证时，通过固定在机架上的探测器在各个机架角度采集相应子野的二维剂量，随后根据患者的CT图像重建三维剂量，进而与计划的剂量分布作比较[34]。PTW OCTAVIUS 4D系统是将二维矩阵插入一个与加速器同步旋转的模体中。二维矩阵包含729个电离室探头，均匀分布在27 cm×27 cm范围内，模体直径和长度分别是32 cm和34.3 cm，正向、反向均可360°旋转，无角度依赖性[35]。PTW OCTAVIUS 4D验证时，用PTW OCTAVIUS 4D采集和保存好测量的实际数据，再把放疗计划移植到PTW OCTAVIUS 4D旋转模体的CT图像中进行QA计算，把得到的剂量信息以DICOM格式导入至VeriSoft分析软件中，将实际剂量与QA计划输出的剂量进行对比。与传统方法相比，COMPASS和PTW OCTAVIUS 4D均可结合患者的解剖结构提供更丰富的三维剂量信息并无角度依赖性。但是二者的转动依赖于角度传感器，灵敏度要求非常高；而且两者均比较耗时，在验证时不仅要安装探测器，连接感应器，采集信息，而且要通过软件重建三维剂量信息，整个过程耗时通常＞30 min；PTW OCTAVIUS 4D质量高达29 kg，搬移不方便；COMPASS系统的MatriXX及其附件质量较重，加速器工作时除了要克服机架自身重力对等中心的影响外，MatriXX及其附件的质量也是不容忽视的。

1.3.3 三维剂量的第三方软件测量法

由于三维剂量测量的硬件设备价格较昂贵且工作效率不高等缺点，有研究者提出利用直线加速器的执行记录文件来得到实时的光栅叶片信息[36]，累计同一个照射野叶片位置信息可得到此照射野的辐射通量图，用快速剂量计算模型计算出患者体内的三维剂量分布，进而和计划剂量进行对比[37-38]。他们把这个方法开发成产品，亦称为第三方软件剂量测量。常见的第三方软件有MobiusFX和Mobius3D。MobiusFX和Mobius3D先进的CCCS（Collapsed Cone Convolution/Superposition）算法，结合采集的运行参数可精确地计算并验证治疗剂量，其可在1 min完成患者治疗计划的验证。相对于半导体阵列、电离室阵列、胶片、EPID等，MobiusFX和Mobius3D可节省大量的时间并大幅提高工作效率。第三方软件法虽然方便快捷，但通量图的计算是依赖于加速器执行记录文件所记录的光栅叶片的实时位置，而不是叶片的实际到位位置。如果执行过程中发生螺杆松动、叶片卡死、位置响应的偏差，记录的叶片位置将是不准确的，从而导致通量图以及剂量分布计算的不准确。因此，基于第三方软件剂量评估方法的可靠性还有待进一步验证。

2 结语

本文回顾了有关放射治疗过程中使用的各种剂量验证方法及工具，其中电离室分辨率较低，会导致测量结果模糊不清；EPID与胶片的密度和分辨率都较高，然而其绝对剂量测量能力、准确性、重复性和均一性仍有待验证；三维剂量的半导体测量工具能实现准确、可重复性的高分辨率测量，但三维模体剂量仪价格均比较昂贵且维修不便；第三方软件存在加速器记录文件和实际硬件走位不一致问题，其可靠性仍存疑问。蒙特卡洛（MonteCarlo，MC）算法被认为是放疗剂量计算的金标准，而EPID可实时跟踪检测叶片位置，因此希望结合MC和EPID共同用于剂量验证。首先使用MC算法对加速器机头建模，然后模拟大量粒子真实的输运物理过程，同时用加速器自带的EPID实时跟踪检测叶片位置并算出当前的剂量，最后用MC算法模拟计算出患者的三维剂量分布。此方法不需要价格昂贵的模体和剂量仪，是未来努力的方向。

通常肿瘤患者在放疗照射制作计划前需要进行CT成像，而部分患者体内存在金属植入物，金属伪影会导致计算剂量分布与实际值产生严重偏差。高留刚和倪昕晔[39]对金属伪影消除算法进行了研究和讨论，认为金属伪影校正对放疗剂量准确实施具有重要意义；另一方面，肿瘤患者在治疗的不同时期接受放射治疗，由于呼吸运动引起的靶区位移移动较大，会造成较大的剂量偏差，因此呼吸运动在放射治疗过程中应引起重视，也就是说在剂量验证的同时，应考虑不同时间段呼吸运动对剂量验证的影响，即四维剂量验证法。目前四维剂量验证法是基于刚体的验证，但是对患者靶区的实际运动模拟不到位，其可靠性仍有待验证。关于四维剂量验证法的报道较少，未来希望在四维剂量验证工具上进行深入探究。

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Tools and methods of intensity-modulated radiation therapy dose verification

Sui Jianfeng,Gao Liugang,Ni Xinye
Department of Radiation Oncology,the Second People's Hospital of Changzhou Affiliated to Nanjing Medical University,Changzhou 213003,China
Corresponding author:Ni Xinye,Email:nxy2000@aliyun.com

Intensity-modulated radiation therapy is widely used in the treatment of tumor,and the dose distribution highly conforms to tumor target area in three-dimension.However,the factors such as complex beam,data error,algorithm error and machine error may cause large dose deviation in intensity-modulated radiation therapy, which may lead to unnecessary radiation accident.Therefore,standing on the patients'safety point of view,dose verification is usually performed before executing the treatment plan in order to ensure the safe implementation of the treatment plan and to avoid un-planned irradiation dose.Currently,there are many tools and methods of dose verification in clinic,including point dose verification tools like finger-shaped ionization chamber and thermoluminescence dosimeter;two-dimensional dose verification tools like Mapcheck,MatriXX and films;threedimensional dose verification tools like ArcCHECK,Delta4 and the third-party software.These common clinical dose verification methods are reviewed in this paper.

Intensity-modulated radiation therapy;High conformity;Deviation;Dose verification

倪昕晔，Email：nxy2000@aliyun.com

10．3760/cma．j．issn．1673-4181．2016．01．011

江苏省常州市社会发展项目（CJ20130019）；江苏省自然科学基金（BK20151181）

2015-10-25）