自制TOMO模体在螺旋断层放射治疗系统调强放射治疗计划验证研究

2020-04-01郭兴照程金生戴相昆

中国医学装备 2020年3期

郭兴照刘静程金生徐伟戴相昆王刚*

螺旋断层加速器(TomoTherapy，TOMO)将螺旋CT和医用直线加速器结合，是具有图像引导和高精度调强放射治疗功能的新型调强放射治疗系统[1-2]。TOMO系统与常规调强放射治疗(intensity modulated radiation therapy，IMRT)技术相比，螺旋断层放射治疗靶区剂量分布更均匀，所需照射时间短，对靶区周围危及器官(organ at risk，OAR)保护的更好，并解决了照射野间衔接的问题，因此得到了广泛认可与应用[3-4]。

TOMO治疗系统作为新型医疗设备，对质量控制要求相当严格[5-6]。现阶段TOMO性能检测采用的模体多为厂家提供的Cheese模体，随着国家卫生标准“螺旋断层治疗装置质量控制检测规范”(WS531-2017)[7]的实施，迫切需要研制国内检测专用的TOMO模体。TOMO放射治疗系统质量控制推荐方法是在Cheese模体中采用胶片相对测量和电离室同时测量点绝对剂量来实现[8]。为此，本研究研制了TOMO模体，运用自制TOMO模体联合EBT3胶片和A1SL型电离室对患者调强放射治疗计划进行验证，其测量结果分别与Cheese模体测量结果和ArcCheck三维探测器模体矩阵测量结果进行比较，验证自制TOMO模体在螺旋断层放射治疗系统的调强计划验证和剂量测量。

1 材料与方法

1.1 自制TOMO模体

自制TOMO模体为圆柱体，直径为30 cm，长为18.5 cm；材质为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer，ABS)塑料。模体矢状面中间有14个插棒，插棒材质与模体相同，间隔2.0 cm，内部直径为1.2 cm，结合电离室适配器可放置不同型号的电离室[9]。自制TOMO模体矢状面黑色指示线所在层面为电离室灵敏体积所在位置，操作人员可根据指示线，参考机房中红色或绿色激光线摆位。模体背面有20个不同密度值的插棒，用于建立CT的电子密度曲线，见图1。

图1 自制TOMO模体示图

1.2 材料与设备

Cheese模体(美国Med-Cal公司)为直径30 cm，长18.0 cm的圆柱体，采用与水等效偏差0.5%的均匀材料构成；Cheese模体矢状面中间有29个插棒，间隔1.0 cm，插棒内部直径为0.63 cm，只能放置A1SL型电离室。所使用的A1SL型号电离室(美国Standard Imaging公司)的灵敏体积为0.06 cm3、内径2 mm，外径4 mm。ArcCheck三维探测器(美国Sun Nuclear公司)。三种探测器见图2。

图2 三种探测器外观示图

1.3 胶片刻度

胶片为美国GAFCHROMIC EBT3，尺寸8×10 in，EBT3胶片有两层保护层，每一层的厚度为125 μm，剂量测量范围为0.01～40 Gy，能量响应＜5%，免冲洗。将两张EBT3胶片分别分为九宫格，标记为1～15，依次放置于5 cm厚的固体水上，再放置1 cm厚的固体水，消除床的沉降误差，源皮距离(source skin distance，SSD)为85 cm。辐射野为5 cm×5 cm，参考电离室有效测量点深度为2 cm，照射时间分别为1 s、3 s、5 s、7 s、9 s、11 s、13 s、15 s、20 s、25 s、30 s、40 s、70 s和100 s的14个不同照射时间，在胶片上形成不同黑度的14个方块，再扫描一张未被照过的胶片作为本底参考值，将电离室测量剂量转换为胶片剂量，用TOMO系统自带软件绘制出EBT3胶片的剂量响应曲线[10]。

1.4 ArcCheck半导体矩阵刻度

在21 cm长圆柱形模体上分布有1386个半导体探测器，敏感体积为0.64 mm2，探测器尺寸为0.8 mm×0.8 mm，探测器间距为10 mm，信号采集时间间隔50 ms。在TOMO加速器上进行绝对剂量刻度，机器跳数设为200 MU，射野设置为5 cm×10 cm，机架角为0°，照射时间为15～20 s。按照仪器SNC Patient软件内带有ArcCheck三维探测器半导体矩阵绝对剂量刻度的标准程序，其方法为在等效深度固体水下利用电离室测量规定出束条件下的绝对剂量，在相同的出束条件下照射ArcCheck三维探测器半导体矩阵后，将参考电离室测量的绝对剂量输入到程序中，完成剂量刻度[11-12]。

1.5 模体调强放射治疗计划设计及验证测量

随机选取经主任医师确认的10例患者的螺旋断层放射治疗计划，包括：①头颈部肿瘤4例，其中鼻咽癌1例，右上颌鳞癌1例，胶质瘤1例，下咽癌1例；②胸部肿瘤2例，均为下段食管癌；③腹部肿瘤4例，其中胃癌1例，胆囊癌1例，腹膜后转移癌1例，肾上腺转移癌1例。

分别选取自制TOMO 模体、Cheese 模体与ArcCheck三维探测器阵列模体作为治疗质量保证(delivery quality assurance，DQA)的验证模体，根据验证模体图像上的3个标记点调节好红色摆位激光灯的位置，从而确定其位置，选择与患者治疗计划设计时相对应的栅格矩阵计算模体DQA计划的剂量分布。测量时从TOMO系统的数据服务器中调用10例患者DQA验证模体计划，将自制TOMO模体、Cheese模体与ArcCheck三维探测器阵列模体置于诊疗床按红色摆位激光灯指示进行摆位，采用兆伏级CT(megavoltage CT，MVCT)进行精确摆位校正后按计划条件实施照射(图2)，使用EBT3胶片进行剂量验证的同时使用A1SL型电离室测量靶区感兴趣区域(region of interest，ROI)点绝对剂量。

1.6 评估方法

测量结束后，应用γ通过率分析法对三种验证方法的测量结果与TOMO治疗计划系统DQA模体计划的计算结果进行比较，并对靶区ROI点绝对剂量进行分析。γ通过率分析剂量标准选择剂量误差(dose difference，DD)均为3%，吻合距离(distance-to-agreement，DTA)分别为2 mm、3 mm、4 mm和5 mm，阈值水平(threshold，TH)为90%。

依据国际辐射单位委员会(International Commission on Radiation Units，ICRU)83号报告[13]建议，可将标准放宽至DD为5%，DTA为5 mm，但在日常临床工作中仍遵循文献所建议的DQA计划接受标准[14-15]：DD为3%，DTA为3 mm条件下γ通过率＞90%，即认为患者计划为可接受。

表1 三种验证方法对10 例患者计划验证的γ通过率(%)

1.7 统计学方法

采用统计学软件SPSS22.0对数据进行分析，运用配对t检验分析每组γ通过率分析的通过标准差异是否具有统计学意义；对靶区ROI点的剂量相对偏差进行统计学分析，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 三种验证方法对患者计划验证的γ通过率

采用γ通过率分析方法对10例患者的调强计划剂量验证分析，其平均通过率均＞92.3%，按照上述标准，所选10例患者调强计划均符合要求。在所有剂量标准条件下，自制TOMO模体剂量验证通过率分别与Cheese模体、ArcCheck三维探测器阵列模体相比，其差异均无统计学意义(P＞0.05)，见表1。

2.2 两种模体计划验证测量值

采用自制TOMO模体与Cheese模体分别联合A1SL型电离室，测量调强计划ROI的点剂量偏差在3%以内，对偏差进行统计学分析比较，其差异均无统计学意义(t=-0.25，P＞0.05)，见表2。

表2 两种模体对10 例患者计划验证测量值(Gy)

3 讨论

TOMO系统作为放射治疗领域一款具有高精度、高适形度的新型医疗设备，为保证其治疗精度和安全性，建立完善的质量控制体系显得尤为重要。本研究通过三种模体验证螺旋断层调强计划通过率及ROI靶区点绝对剂量偏差，在多种不同剂量标准条件下，测量结果与计算结果均显示出较好的一致性，其γ≤1的平均通过率均＞92.3%；自制TOMO模体通过率与Cheese模体及ArcCheck三维探测器模体相比差异无统计学意义，ROI靶区点剂量偏差亦无统计学意义，表明自制TOMO模体可用于螺旋断层放射治疗患者调强计划验证及剂量测量。

EBT3胶片具有较好的能量响应特性，配合其较高的空间分辨率，胶片验证被称为调强计划验证的“金标准”[16]。因此，选用胶片联合自制TOMO模体和Cheese模体进行患者的调强计划验证，但在使用胶片验证时，要避免胶片非均匀性对实验结果的影响，尤其对低剂量区结果影响较大[17]。ArcCheck三维探测器半导体矩阵是用于测量放射治疗剂量分布的三维剂量测量系统，具有摆位方便、剂量测量准确以及治疗计划验证通过率高的特点，在临床中得到了广泛的应用与研究[12，18-19]。本研究将自制TOMO模体联合EBT3胶片测量结果与Cheese模体、ArcCheck三维探测器矩阵测量结果比较，其结果差异性小，所得结果准确可靠，可信度高。

自制TOMO模体与Cheese模体分别联合A1SL型电离室测点绝对剂量偏差相比无统计学意义，需指出的是，两种模体所测第4例患者点绝对剂量偏差分别为7.35%和6.34%，超过点剂量偏差3%的要求，可能与所选患者靶区较小，电离室所测ROI靶区剂量分布不均，剂量跌落快有关，后期需要对此数据进行再次验证。