ArcCheck的剂量学特性测量及其对VMAT计划的验证

王涛，程秀艳，郭跃信

1.郑州大学第一附属医院放射治疗部，河南郑州450000；2.河南省肿瘤医院放疗科，河南郑州450000

前言

肿瘤放射治疗技术的快速发展使得医用电子直线加速器越来越广泛地应用于放射治疗。三维适形放疗、调强放疗、图像引导放疗等新技术的应用对放射治疗的质量保证/质量控制不断提出新的要求［1］。容积调强放射治疗技术（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）作为一种新的调强放疗实现方式，越来越多地应用于肿瘤的放射治疗。VMAT技术的复杂程度对治疗前的质量保证和剂量验证要求也越来越高。传统的胶片验证方法费时费力，也比较浪费资源。三维半导体矩阵在VMAT计划的验证上相对比较简便，已广泛应用于VMAT计划的剂量验证［2］。本研究旨在对三维半导体矩阵ArcCheck模体探测器的剂量学特性进行测量，对其性能进行分析，从而为放射治疗提供指导。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究采用Varian Eclipse计划系统、美国Varian RapidArc直线加速器和螺旋形半导体探测器阵列ArcCheck及其配套的SNC Patient V6.1.1剂量分析软件。ArcCheck螺旋形半导体探测器阵列（图1a）共有1 386个探测器，分别植入距离ArcCheck模体中心均为10.4 cm的22块呈正22边形排列的印刷电路板上，每块电路板上等距离分布3列探测器进行三维剂量验证［3］。所采用的探测器为Sun Nuclear SunPoint®Diode Detectors，探测器横截面和灵敏体积分别为0.64 mm2、0.000 019 cm3，临床上被证明为是最小、最稳定、最适合做复杂调强计划质量保证的探测器。ArcCheck模体是中空的圆柱体，内直径为15.1 cm，外直径为26.6 cm（图1b），中空部分可插入测量使用的套件。

图1 三维半导体矩阵ArcCheck及其内部结构Fig.1 Three-dimensional semiconductor matrix ArcCheck and its internal structure

1.2 ArcCheck模体探测器剂量学特性的测量

1.2.1 重复性射野大小为27 cm×25 cm，机架角与机头角度均为0°，6 MV X线，剂量率为400 MU/min，机器跳数为100 MU，在加速器物理模式下出束，使用SNC Patient V6.1.1剂量分析软件记录模体探测到的绝对剂量，重复测量20次。

1.2.2 能量响应射野大小为27 cm×25 cm，机架角与机头角度均为0°，6 MV X线，剂量率为400 MU/min，机器跳数分别为5、10、15、20、25、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、600 MU，在加速器物理模式下出束，重复测量3次取平均。利用Excel 2003办公软件进行线性度计算。

1.2.3 角度响应射野大小为27 cm×25 cm，6 MV X线，剂量率为400 MU/min，机器跳数为100 MU，机头角度为0°，机架角从180°开始15°等间隔测量一周至195°，在加速器物理模式下出束，重复测量3次取平均。

1.2.4 剂量率响应射野大小为27 cm×25 cm，机架角与机头角度均为0°，6 MV X线，机器跳数为100 MU，在加速器物理模式下出束，剂量率分别为100、200、300、400、500、600 MU/min，重复测量5次取平均值。

1.3 VMAT计划验证的测量

选取郑州大学第一附属医院自2015年8月到2016年8月的150例病人（其中宫颈癌、食管癌和鼻咽癌各50例）的VMAT计划进行三维剂量验证，将ArcCheck置于加速器治疗床上，对ArcCheck进行本底校准、矩阵校准和绝对剂量校准。在加速器临床模式下，按照模体验证计划出束。将测量结果与治疗计划进行比较，取最大剂量点为归一点，去除剂量值小于归一点剂量10%的点，采用绝对剂量结合等剂量距离差别的计算方法，分别取3%/3 mm和2%/2 mm标准得到每个计划的通过率。

1.4 统计学处理

数据的处理采用SPSS 18.0统计学软件，曲线的获取采用Excel 2003办公软件。

2 结果

2.1 重复性

以20次测量所得的模体顶部正中探头的绝对剂量的平均值归一，得到重复性的变化曲线（图2）。统计软件分析得出20次测量值归一后的平均值为0.990 6，标准差为0.009 0。

图2 重复性的曲线Fig.2 Curve of reproducibility

2.2 能量响应

对机器跳数为5～600 MU时所测得的模体顶部正中探头的绝对剂量做直线回归（图3），得到拟合的回归方程为：

其中，X为机器跳数；Y为模体顶部正中探头的吸收剂量；常数项为-0.257 5，标准差为0.121 5。回归系数反映了ArcCheck的能量响应，其标准差为5.368 7E-4。在机器跳数为5～600 MU时，探头依然具有十分良好的线性度。

2.3 角度响应

在ArcCheck模体上集成所有1 386个探测器的22块印刷电路板（在横断面上呈正22边形分布）。考虑左右对称性，对ArcCheck顶部左侧纵轴方向上的21个探测器在180°～195°内的测量值求平均，以模体测量的最大值归一，得到角度响应的曲线（图4）。

图3 能量响应的曲线Fig.3 Curve of energy response

图4 角度响应的曲线Fig.4 Curve of angle response

2.4 剂量率响应

将测量得到的不同剂量率的模体顶部正中探头的绝对剂量以治疗时常用的剂量率（400 MU/min）归一，得到剂量率响应的曲线（图5）。归一化度数的平均值为0.997 5，标准差为0.005 5。

图5 剂量率响应的曲线Fig.5 Curve of dose-rate response

2.5 计划剂量验证

VMAT计划的剂量验证计划过程如图6所示。导入ArcCheck模体（模体的CT图像由郑州大学第一附属医院的TomoTherapy的MVCT扫描得到），将患者的治疗计划移植入ArcCheck模体中，得出模体的VMAT计划。

VMAT计划ArcCheck剂量验证所得的剂量分布与TPS计算结果的比较分析如图7所示。其中，ArcCheck模体比较的是圆柱体分摊开后的二维剂量分布图，这相当于将圆柱形的模体从一个位置剪开，摊成一个平面再与计划里的相同平面的剂量分布进行比较。

图6 ArcCheck模体验证计划示意图Fig.6 ArcCheck phantom for VMAT plan verification

图7 ArcCheck剂量验证分析示意图Fig.7 Analysis of ArcCheck dose verification

150例患者VMAT计划的通过率为：（1）3%/3 mm标准的通过率均值为98.227%，标准差为2.3159；（2）2%/2 mm标准的通过率均值为92.442%，标准差为6.999 8。

3 讨论

VMAT计划的高度复杂性决定了其在计划执行前必须进行准确的剂量验证，以保证计划可以准确实施。三维半导体矩阵ArcCheck可以直接获得三维的剂量分布，方便快捷。只有保证ArcCheck模体探测器的剂量学特性满足临床使用的要求，才可以使用ArcCheck对VMAT计划进行剂量验证。本研究的结果表明：ArcCheck模体探测器的剂量学特性良好，满足临床使用的要求。

ArcCheck的剂量学特性中，重复性偏差为0.990 6±0.009 0，反映了ArcCheck的稳定性，而ArcCheck的稳定性很大程度上取决于其采用的硅探测器。硅探测器连续重复15次测量，每次机器跳数60 MU，探测器的响应变化为±0.15%［4］。距标定9个月后，采用该型探测器的MapCheck的探测器响应变化为±0.2%［5］。部分研究也证明采用SunPoint Diode Detector的探测器阵列的稳定性比空气电离室阵列好［6-8］。

现代放疗已进入高精度放疗时代，大剂量少分次成为可能。作为质控设备的探测器阵列的能量响应必须在接受大剂量照射时仍保持很好的线性度。经过直线回归后的回归系数为1.464 3±5.368 7E-4,回归系数的变化值越小，证明ArcCheck的能量响应越好。本研究中机器跳数在5～600 MU时，探测器仍具有很好的能量响应。文献［5］报道ArcCheck所用的探测器的线性度变化为±0.1%。半导体探测器在接受很高剂量时仍可以保持很好的线性度［9-11］。

对于大体积的靶区，ArcCheck的角度依赖性是一个重要的影响因素［3］。本研究测量所得的探测器的角度响应的曲线符合探测器表面覆盖模体材料厚度的变化规律，与Hrbacek等［12］得到的结果类似，但本研究所采用的方法更为简便，可操作性更强。

VMAT技术通过调整单弧或多弧内任意角度的多叶准直器形状和改变剂量率来实现靶区内部的剂量均匀性，因此探测器的剂量率响应也是影响VMAT计划剂量验证的重要因素。本研究中ArcCheck模体探测器的剂量率响应归一后平均值为0.9975，标准差为0.0055，显示出与剂量率的不相关性。Létourneau等［4］报道MapCheck的电离室用Elekta SL20加速器测量时，50～600 MU/min剂量率响应平均值为0.984。Kozelka等［11］报道ArcCheck的电离室在Varian Trilogy和TrueBeam加速器测量时，50～600 MU/min剂量率响应为0.987。均与本研究的测量值接近。

对于VMAT计划三维验证的γ分析的3%/3 mm标准被广泛采用［13-15］，TG 119号报告中VMAT的平均通过率在Local dose归一时3%/3 mm标准和Globally dose归一时2%/2 mm标准均大于90%。Fredh等［16］的研究认为3%/3 mm的标准可能不够灵敏，无法检测到引入的误差，认为2%/2 mm的标准是更好的，但会增加发现不重要错误的风险。因此建议在做病人质量保证时要明确自己想做什么检测，找什么样的误差。Nelms等［17］也提出目前普遍采用的3%/3 mm标准不足以在计划系统验收时提供最佳的调试结果，建议采用更敏感的标准。因此本研究中患者的验证计划采用了3%/3 mm和2%/2 mm的双重标准来衡量，ArcCheck在150例患者VMAT计划的通过率在3%/3 mm和2%/2 mm标准时分别为98.227%和92.442%，均在90%以上，符合VMAT剂量验证的要求。易金玲等［18］报道了ArcCheck与胶片在鼻咽癌VMAT计划剂量验证的结果没有明显差异，说明使用ArcCheck对复杂VMAT计划进行剂量验证的可行性。

ArcCheck探测器的排列方式为螺旋形排列，这就导致了没有任何两个探头位于任何单轴面，但在较宽的射野中单环的纵向位移可以忽略［2］。Kozelka等［11］采用的测量射野也为27 cm×25 cm，因此尽管ArcCheck模体探测器的有效测量长度为21 cm，本研究中所采用的所有射野均为27 cm×25 cm。

对ArcCheck探测器的剂量学特性的测量证明其各项性能指标均能很好地满足临床使用的要求，对VMAT计划的验证结果表明ArcCheck可以作为日常VMAT计划剂量验证的工具。