指形电离室在后装放射治疗计划点剂量验证中的应用

杨凤，王先良，祁国海，刘敏，黎杰，康盛伟，冯玺，刘明哲

1.成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川成都610059；2.四川省肿瘤医院∙研究所，四川成都610041

前 言

后装放射治疗有近源处靶区剂量高、源周边剂量跌落迅速、靶区周围正常器官受照剂量小的特点，广泛应用于宫颈癌、前列腺癌等癌症的治疗。由于后装放射治疗的剂量线分布梯度大，治疗过程中的一点误差都可能会引起患者实际照射剂量与计划剂量不一致，并且后装放射治疗照射分次少，多为单次大剂量照射，一旦有剂量偏差，就很难评估和弥补因剂量偏差导致的后果。因此，后装放射治疗中的剂量验证是非常重要的。指形电离室是开展放射治疗单位必备的设备，但是目前还未见国内有用指型电离室进行患者后装放射治疗计划剂量验证的文献研究。本研究用指形电离室进行患者后装放射治疗计划剂量验证的方法和结果，供其他开展后装放射治疗的单位参考。

1 材料与方法

1.1 使用设备

本研究设计一种用于后装放射治疗计划验证的模体，模体主要由IBA 固体水和Freiburg Flap Applicator Set（Nucletron part #0.89.0.95, Elekta）组成，模体的尺寸如图1所示。中间层的固体水中有可以插入指型电离室的圆孔，Freiburg Flap Applicator Set中有多个插植针通道，通道之间最小间隔为1 cm。在指型电离室正下方和距正下方左右2 cm处各插入1 根插植针（Proguide Sharp Neddle, Elekta），用于模拟临床中常用的单管、双管和三管施源器，如图2所示。当然也可以在Freiburg Flap Applicator Set 中插入更多的插植针，采用相同的方法来验证施源器通道数超过3的情况。

图1 模体示意图Fig.1 Diagram of solid phantom

图2 插植针相对位置示意图Fig.2 Position of needles relative to 0.6cc ionization chamber

在插植针中放置假源后进行CT扫描，CT图像的分辨率为（1×1×3）mm3，然后将所得的CT 图像导入Oncentra V4.3计划系统（Elekta），TPS计算Grid（计算网格）为（1×1×1）cm3。在计划系统中勾画出指型电离室的灵敏体积，命名为GTV。根据假源重建出插植针在模体中的位置，本研究所用192Ir mHDR-v2 放射源（MicroSelectron units, Nucletron®）的长度为0.036 cm，施源器重建是从连接端重建，并且施源器重建的顶点取假源的顶点，考虑到金属假源的伪影，计划中每根施源器管道的offset值取为-0.2 cm。

后装放射治疗剂量分布不均匀，也就是指型电离室灵敏体积内的剂量分布不均匀，为了研究不同灵敏体积平均剂量统计上的差别，我们将GTV的半径缩小0.1 cm，长度不变，得到GTVR1；将GTVR1的半径缩小0.1 cm，长度不变，得到GTVR2；将GTV均匀缩小0.1 cm，得到GTVA1；将GTVA1均匀缩小0.1 cm，得到GTVA2。GTV、GTVR1、GTVR2、GTVA1、GTVA2的体积分别为0.69、0.40、0.15、0.23、0.02 cm3，如图3所示。

图3 靶区勾画图Fig.3 Definition of target areas

剂量测量时所采用的指形电离室为TW30013（德国PTW公司），它的灵敏体积为0.6 cm3；剂量仪为UNIDOS（德国PTW公司）。

1.2 简单测试

在Oncentra V4.3 计划系统上设计单管、双管和三管施源器的简单计划。按放射源驻留的管道号简单计划分为5 种：P(1)、P(2)、P(3)、P(1&2)和P(1&2& 3)，其中P(X)为计划中只有X 号管道有放射源，P(X & Y)为计划中X 号管道和Y 号管道有放射源。所有管道都从施源器的顶端开始布源，步进长度都选0.25 cm，1号管道和2号管道布源的长度为2 cm，3号管道布源长度为5 cm。设计计划时不优化驻留点权重，通过改变放射源驻留时间使GTV 平均剂量为200 cGy，计划完成后传送至控制台进行照射测量。

1.3 患者临床治疗计划

选取2018年3月～4月治疗的根治性宫颈癌患者21 例，患者都使用Fletcher 施源器（Nucletron part#189.730,Elekta）。Fletcher施源器有3根管道，基于自制模体CT图像新建计划，在对应的施源器管道和对应的驻留位置中输入患者原计划的驻留时间，修改新建计划的时间，使其与患者原治疗计划的时间相同，剂量计算后，统计模体中GTV、GTVR1、GTVR2、GTVA1、GTVA2的平均剂量，并将计划传送至控制台进行照射测量。

1.4 测量参数

指形电离室的刻度因子K为：

其中，NX为照射量校准因子，其值可通过表1用插值法求得为1.048；为电子的平均电离能，为33.97 J/C；Katt为电离室室壁及平衡帽对校准辐射的吸收和散射的修正；Km为电离室室壁及平衡帽材料对校准辐射空气等效不充分而引起的修正，KattKm为0.973；Sw/a为水对空气组织本领比，其值查表可得；Pu为扰动校准因子，其值查表可得；Pcel为指形电离室电离中心收集极空气等效不完全校正因子，对光子来说Pcel=1［1］。本研究中指形电离室的刻度因子K 为0.939。

表1 中国测试技术研究院提的Nx值Tab.1 Nx value provide by National Institute of Measurement and Testing Technology

根据IAEATRS-277号报告中的定义，在自由空气中测量时，电离室中心（P点）收集的电离电荷源于该点前方的某一点（Peff）产生的次级电子，因此将Peff定义为电离室的有效测量点，以修正电离室气腔内电离辐射的注量梯度变化。沿射线的入射方向，点Peff位于点P的正前方，如图4所示。测量高能电子束（E＞300 keV）时，点Peff与点P 之间的距离推荐值为0.75r，但是TRS-277第2版将其修正为0.6r［1］。本研究实验中使用IBA固体水模进行测量，IAEA TRS-398号报告［2］中推荐在水模体中进行测量时，将电离室的有效测量点放在电离室中心，使用ρdis因子来修正电离室腔体替换水的影响，指形电离室的ρdis值约为0.6%［3］。 ρdis因子对测量结果的影响已在Pu扰动因子中考虑到，不再额外修正。

图4 有效测量点Peff 与电离室的中心点P 位置Fig.4 Effective measurement point Peff and the central point P of an ionization chamber

1.5 数据处理

为了减小统计偏差对验证结果的影响，我们以GTV、GTVR1、GTVR2、GTVA1、GTVA2 的平均剂量的平均值AVEGTVX作为测量点剂量的计划系统计算值。定义测量结果为Meas，Meas 和AVEGTVX的偏差DEV 通过式（3）计算：

2 结果

随机选取1例病人的临床计划，Oncentra V4.3计划系统所得指形电离室所在层面剂量分布曲线如图5所示。GTV、GTVR1、GTVR2、GTVA1、GTVA2 的平均剂量与的偏差如表2所示，与的偏差最大为1.1%。由表2可见，灵敏体积的大小对平均剂量基本没有影响，我们以作为测量点剂量的计划系统计算值。

2.2 简单计划测量结果

2.3 临床计划测量结果

21例患者GTV、GTVR1、GTVR2、GTVA1、GTVA2的平均剂量、平均值与Meas的偏差如图6所示，21例患者的平均值与测量值的偏差均在±4%以内。

图5 计划系统计算出的剂量分布图Fig.5 Dose distribution calculated by planning system

表2 与的偏差Tab.2 Deviation betweenand

表2 与的偏差Tab.2 Deviation betweenand

患者编号1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 AVEGTVX 277.2 267.8 322.4 378.0 273.6 266.4 324.6 238.2 249.0 385.0 222.2 390.4 305.0 153.8 321.8 303.2 304.0 347.6 379.6 355.6 261.4 Meas 285.5 265.8 312.9 382.2 267.2 262.1 317.5 235.9 250.7 385.6 215.2 389.7 313.5 153.6 321.6 295.2 302.9 355.5 373.2 355.1 257.2 DGTVXAve (ΔGTV)278（0.3%）269（0.4%）323（0.2%）379（0.3%）274（0.1%）267（0.2%）325（0.1%）239（0.3%）250（0.4%）386（0.3%）223（0.4%）392（0.4%）306（0.3%）154（0.1%）323（0.4%）304（0.3%）305（0.3%）349（0.4%）381（0.4%）356（0.1%）262（0.2%）DGTVR1 Ave (ΔGTVR1)277（-0.1%）266（-0.7%）319（-1.1%）375（-0.8%）271（-1.0%）264（-0.9%）322（-0.8%）236（-0.9%）248（-0.4%）382（-0.8%）220（-1.0%）388（-0.6%）303（-0.7%）153（-0.5%）320（-0.6%）301（-0.7%）303（-0.3%）346（-0.5%）377（-0.7%）353（-0.7%）259（-0.9%）DGTVR2 Ave (ΔGTVR2)278（0.3%）268（0.1%）322（-0.1%）379（0.3%）273（-0.2%）266（-0.2%）324（-0.2%）238（-0.1%）250（0.4%）385（0.0%）222（-0.1%）391（0.2%）306（0.3%）154（0.1%）323（0.4%）303（-0.1%）305（0.3%）348（0.1%）379（-0.2%）356（0.1%）261（-0.2%）DGTVA1 Ave (ΔGTVA1)277（-0.1%）268（0.1%）324（0.5%）379（0.3%）275（0.5%）268（0.6%）326（0.4%）239（0.3%）249（0.0%）386（0.3%）223（0.4%）391（0.2%）305（0.0%）154（0.1%）321（-0.2%）304（0.3%）304（0.0%）348（0.1%）380（0.1%）356（0.1%）262（0.2%）DGTVA2 Ave (ΔGTVA2)276（-0.4%）268（0.1%）324（0.5%）378（0.0%）275（0.5%）267（0.2%）326（0.4%）239（0.3%）248（-0.4%）386（0.3%）223（0.4%）390（-0.1%）305（0.0%）154（0.1%）322（0.1%）304（0.3%）303（-0.3%）347（-0.2%）381（0.4%）357（0.4%）263（0.6%）

2.4 改变施源器重建坐标

在测量过程中，Freiburg Flap Applicator Set 有可能发生形变，使得我们预设的施源器位置发生变化，因此在Oncentra V4.3 计划系统中改变3 号管重建位

置，简单计划的系统计算值发生明显变化，图7是改变3 号管简单计划在计划系统中的施源器重建位置（X、Y、Z坐标）的计划系统计算值与初始简单计划系统计算值之间的偏差。在系统重建施源器过程中，在相同改变量的情况下，Z 坐标的重建偏差最大，X坐标的重建偏差最小。

表3 简单计划测量结果Tab.3 Measurements of simple plans

图6 GTV、GTVR1、GTVR2、GTVA1、GTVA2的平均剂量、平均值 与测量值Meas偏差Fig.6 Deviation of ,and Meas

图7 插植针重建位置改变对计划系统值的影响Fig.7 Effects of needle reconstruction position on the calculation

3 讨论

放射治疗中治疗剂量的准确性会直接影响肿瘤原发病灶复发的可能性和周围正常组织放射性并发症发生的可能性［4-5］。根据TG-53号［6］报告，整体剂量偏差＜5%，可以在放射生物效应上获得很好的结果。由于后装放射治疗通常是单次大剂量的照射，所以从放射生物学角度考虑，对后装放射治疗计划进行剂量验证有着更为重要的意义。本研究在指形电离室的灵敏体积中勾画出体积不同的5 种靶区（GTV、GTVR1、GTVA1、GTVR2、GTVA2），结果表明在指形电离室灵敏体积中，靶区的勾画对实验结果影响不大。用指形电离室测量5种简单计划，其平均值与测量值的偏差在±3%左右，21例患者临床计划的GTV、GTVR1、GTVR2、GTVA1、GTVA2 的平均剂量、平均值与测量值的平均值偏差均小于±4%，满足AAPM TG-56号报告所提出的剂量偏差＜5%的标准［7］。

目前，未发现用指形电离室进行后装放射治疗计划验证的文章。但是有国内外学者报道采用Mapcheck、MatriXX、MOS场效晶体管（MOSFET）等工具对后装放射治疗计划进行剂量验证。Taguenang 等［8］使用MapCheck2测量的剂量分布与使用EBT2薄膜测量的剂量分布在5%之内一致。Abdelfattah等［9］、于浪等［10］和Bhagwat等［11］都使用MatriXX验证后装放射治疗计划剂量分布，采用Gamma因子分析结果，3项研究结果的Gamma通过率均超过93%。Qi等［12］将MOSFET剂量测定系统用于高剂量率近距离放射治疗计划剂量验证，结果表明距离源1 cm剂量点的平均相对偏差为2.2%±0.2%，距离源2 cm处剂量点的相对偏差为2.0%±0.1%，所有的测量剂量与计划剂量之间的百分比偏差均低于5%。Persson等［13］将MOSFET用于后装放射治疗计划验证，在体膜中，MOSFET重复性低于3%，测量值高于计划系统计算值2%～7%。TLD探针用于眼部肿瘤后装放射治疗计划验证中，在3、5、10、20 mm深度处的偏差分别为6%、7%、1%、13%，偏差归因于探头的构造［14］。Kozłowska等［15］将TLD固定在特殊面罩中验证皮肤癌后装放疗计划，测量值与计算值之间的偏差＜5%，这与Rasmussen等［16］研究结果大致相同。梁志文等［17］将不同灵敏体积的指形电离室用于射波刀计划剂量验证，若处方剂量完全包绕电离室灵敏体积，则灵敏体积对测量结果影响不大。

为了避免不同计划在施源器重建过程中引入误差，所有计划都复制同一套计划，保证施源器重建均相同。本研究的不确定度主要考虑以下几方面：（1）192Ir源的直径为0.09 cm，插植针内径为0.1 cm，两者不完全相同，在出源时源相对于施源器的中心轴线的位置存在0.01 cm 的余量，其不确定度约为0.9%；（2）实验过程中对剂量仪进行校准时所设置的参数（气压计和温度计读数等）存在随机误差，其不确定度大约为0.1%［18］；（3）吸收剂量计算公式中的各物理量也存在不确定度，其中Nk值的不确定度为0.7%，扰动校正因子Pu的不确定度为1.0%［19］，源的传送时间转换因子（ftr）、模体转换为全散射水模体的转换因子（fph）、质能吸收系数和施源器衰减校正系数（fcath）的不确定度均为0.3%［20］，所以总不确定度约为1.63%。

综上所述，计划系统中勾画的电离室灵敏体积的大小对平均剂量基本没有影响，但要注意在使用过程中，减少模体移动，避免施源器在移动过程中发生偏移，在保证施源器位置准确的前提下，指形电离室可用于后装放射治疗中的点剂量验证。