基于调强放疗射野下的二维电离室矩阵探测器的方向性响应研究

李立芳 翟贺争 王永志 明鑫 韩宝林

1天津市宝坻区人民医院放疗科，天津医科大学宝坻临床学院放疗科301800；2中国医学科学院放射医学研究所，辐射检测与评价中心，天津300192；3天津大学精密仪器与光电子工程学院 300072；4天津医科大学生物医学工程与技术学院300070

0 引言

调强放射治疗（intensity modulated radiation therapy，IMRT）技术作为肿瘤精准治疗的先进放射治疗方式之一，能够给予肿瘤靶区准确的辐射剂量，从而有效控制肿瘤的生长。IMRT独特的性质之一是把肿瘤靶区分割成多个小照射野进行出束照射，并调制出强度不均匀的射线分布，从而得到更适形的靶区剂量分布。近些年来，IMRT、容积旋转调强等技术在临床上得到了广泛应用，肿瘤治疗效果得以提升。目前IMRT放疗技术的主要特点是临床中射野分隔应用广泛，而照射野在不同机架角度下的平面剂量分布问题、放疗照射野剂量的准确度问题是研究者关注的重点。新型放疗技术对患者治疗前的质量保证体系的要求更加严格。其中，有效的剂量验证方法和小照射野的剂量验证是相关研究的热点和难点[1]。

近些年发展起来的平面剂量验证工具——二维矩阵探测器，因其使用简单便捷、准确高效等特点，已广泛应用于IMRT的质量保证过程中[2-5]，确保了肿瘤治疗计划的顺利实施。然而，二维矩阵探测器作为剂量学工具，其结构具有独特性，国内尚未出台与其相关的质量控制检测规范，大部分医疗机构或研究机构均依据厂家提供的校准因子对患者的临床剂量进行测量。目前，国内外针对二维矩阵探测器的剂量学特性的测试和临床的研究，主要是将其作为常规的剂量探测器进行测量[6-7]。截至目前，关于二维矩阵探测器的方向性响应的剂量学测试研究较少。笔者结合临床患者治疗计划的验证经验和目前所具备的Seven29二维电离室矩阵探测器，选取部分探测器作为研究对象，研究其在IMRT技术照射下的二维电离室矩阵探测器探头在不同照射角度下的剂量方向响应，以期建立一套对其方向性测试的方法，为后续相关计量部门对其质量控制打下基础，也为相关医疗机构、放射技术服务机构及研究单位对探测器剂量学性能测试提供一定的方法依据。

1 材料与方法

1.1 主要材料与仪器

RW3固体水模体（面积为30 cm×30 cm，厚度分别为 1、2、5和 10 mm）（德国 PTW 公司）。

T30013 0.6 cm3电离室、Seven29二维电离室矩阵探测器、UNIDOS E通用剂量计、加速器常规刻度标准水箱（德国PTW公司），Precise型医用电子直线加速器、前向指针（瑞典Elekta公司）。所用医用电子直线加速器能够实施IMRT，且该设备的年检各项指标符合国家相应标准要求（天津市疾病预防控制中心检验报告编号：2018ZW-ZK-LA-03）。

1.2 方法

1.2.1 研究对象选取

所使用的矩阵探测器的参数指标见表1。二维电离室矩阵探测器各电离室探头AB方向为C1～C27，TG方向为R1～R27。选取探测器的13个电离室探头为主要研究对象，其分布如图1所示，各测量点及坐标见表2。

表1 Seven29二维电离室矩阵探测器的参数指标

1.2.2 设备的刻度与校准方法

（一）医用加速器的刻度与校准

使用UNIDOSE剂量仪（计量校准因子Nx＝104.8）、0.6 cm3电离室和标准水箱对医用加速器进行常规剂量校准。在源皮距为100 cm、照射野为10 cm×10 cm的标准条件下，确保最大剂量点处100 MU＝100 cGy[8]。同时，保证医用加速器的输出剂量值和剂量仪的测量值满足国家标准中对重复性的要求。

（二）医用加速器机架旋转等中心的测定

采用医用加速器标配的前向指针和等中心测量仪对医用加速器机架旋转等中心进行测试，如图2所示。应保证在不同机架角度条件下，前向指针与等中心位置偏差≤1.0 mm。

（三）二维电离室矩阵探测器的刻度与校准

根据探测器的说明书完成相对校准，并在测量过程中进行温度、气压校准。在测量之前，对二维电离室矩阵探测器进行大射野、大剂量照射，使所有探头达到电子平衡。因为在二维电离室矩阵探测器出厂前，生产厂家已利用60Co射线对其729个电离室进行了水下吸收剂量校准。因此，仅需对其中心电离室探头进行校准。在源皮距为100 cm、照射野为10 cm×10 cm的条件下，分别将二维电离室矩阵探测器的中心探头、0.6 cm3电离室的有效测量点放置在水下5.0 cm处，测量两者的吸收剂量，并比较其结果。将得到的0.6 cm3电离室对二维电离室矩阵探测器的水下吸收剂量校准因子输入到二维电离室矩阵探测器配套的测量软件中。然后，随机挑选二维电离室矩阵探测器的3～5个探头，并分别在水下5.0 cm下进行计量测量，验证二维电离室矩阵探测器的各探头读数的一致性。

1.2.3 0.6 cm3电离室的方向性响应测试

0.6 cm3电离室的方向性响应指加速器机架的改变对加速器输出剂量的影响，该测试可反映医用加速器在其机架为不同角度下，输出剂量的一致性。测试时，先给0.6 cm3电离室戴上平衡帽，将其固定在床面上并使其探出床面，将电离室的有效测量点放置在医用加速器机架旋转等中心位置。在6 MV光子线、照射野为10cm×10cm、输出剂量为200MU、剂量率为300 MU/min的条件下，分别测量机架角度为 0°、15°、30°、45°、60°、-15°、-30°、-45°和-60°时，医用加速器的输出剂量。每个实验点测量5次，记录输出值的最大值和最小值，并将测试结果取平均值。最大偏差的计算方法为

图1 二维电离室矩阵探测器测量探头分布

表2 探测器选取测量点及坐标

图2 医用加速器机架旋转等中心测定

1.2.4 二维电离室矩阵探测器的方向性响应测试

基于0.6 cm3电离室的方向性响应测试结果，在保证医用加速器机架角度改变对其输出剂量的影响很小的前提下，进行二维电离室矩阵探测器的方向性响应测试。以固体水模体覆盖二维电离室矩阵探测器的上方与下方。下方的固体水模体厚度为3 cm；经过现场测量和计算，确定上方固体水模体的厚度，使每次测试时探测器的有效测量距离均为5.0 cm，即使二维电离室矩阵探测器探头的有效测量中心到模体上表面射线中心轴入射点的等效水距离始终为5.0 cm，如图3所示。采取等中心的方法，以二维电离室矩阵探测器自带的标记点为参考点，以机架0°时的射线中心轴为轴，顺时针转动二维电离室矩阵探测器。将正常摆位定义为0°，选取0°、45°、90°和 135°四个位置，每个位置分别在机架角度为 60°、45°、30°、15°、0°、-15°、-30°、-45°和-60°条件下，对选取的矩阵探测器探头进行照射。测试条件为：6 MV光子线、3.0 cm×3.0 cm平野、输出剂量200 MU、剂量率300 MU/min。每次测试1个探头，每个探头测量5次，结果取平均值。各角度下二维电离室矩阵探测器的方向性响应如图4所示。

1.2.5 二维电离室矩阵探测器的稳定性测试

二维电离室矩阵探测器的稳定性是其在测量条件不变的情况下，在某个持续时间段内得到的测量值的偏差。为反映二维电离室矩阵探测器对医用加速器输出剂量测试的长期稳定性，对选取的13个二维电离室矩阵探测器的电离室探头开展长期测试，在5个月内共进行10组测试，每组测试重复测量5次，结果取平均值。稳定性测试的条件为：6 MV光子线、25.0 cm×25.0 cm平野、输出剂量200 MU、剂量率300 MU/min、源皮距100 cm。最后将得到的每个探头的测量结果进行自归一化处理，得到输出计量偏差，即（测量值-平均值）/平均值×100%。

2 结果

2.1 0.6 cm3电离室在不同射野角度下的剂量响应

0.6 cm3电离室的方向性响应特性结果见表3。0.6 cm3电离室所测得的结果显示，医用加速器机架角度改变对其输出剂量基本无影响。

2.2 二维电离室矩阵探测器的方向性响应测试结果

二维电离室矩阵探测器的13个电离室探头所测得不同射野角度下的剂量结果如图5所示。结果显示，输出计量最大偏差仅为0.63%。

图3 二维电离室矩阵探测器的测试摆位

图4 各射野角度下二维电离室矩阵探测器的方向性响应

表3 0.6 cm3电离室方向性响应测试结果（Gy/min）

图5 不同射野角度下二维电离室矩阵探测器电离室探头的读数

进一步对不同射野角度下，二维电离室矩阵探测器的电离室探头测得的平均值进行归一化处理。以正常摆位、机架0°时，C14R14电离室探头测得的平均值为参考值，对其他测点的平均值进行归一化处理。归一化计算方法为测量平均值除以参考值。结果表明，选取的各电离室探头的测量平均值相对于参考值，偏差均＜0.50%（图6）。

图6 不同射野角度下二维电离室矩阵探测器电离室探头的测量值偏差

2.3 二维电离室矩阵探测器的稳定性结果

在5个月内，使用二维电离室矩阵探测器对医用加速器的输出计量进行了10次测试。结果表明，所选取的13个二维电离室矩阵探测器的探头的测量稳定性均较好，偏差均＜0.41%。

3 讨论与结论

IMRT技术已普遍应用于临床，治疗前对IMRT计划进行验证，是IMRT质量控制的重点[9]。随着新型放疗设备的发展，越来越多的质控设备应用于放疗质量控制中。二维电离室矩阵探测器因其方便、快捷、准确等特点，已在放疗计划验证中得到广泛应用[10-11]。研究者对二维电离室矩阵探测器测量的重复性、稳定性、剂量率依赖性、剂量响应线性等剂量学指标进行了研究，结果表明其具有良好的剂量学特性[6-7]。但是，作为放射剂量学设备，在使用前对二维电离室矩阵探测器的自身质量进行控制，也是必不可少的。

目前，在使用体模进行IMRT计划验证时，通常将所有射野入射角归一到0°，即采用垂直照射二维电离室矩阵探测器的方式进行测量。但是，由于医用加速器的多叶光栅可能受到机架角度、重力等因素影响，导致产生位置误差。而将射野归一到0°的测量方法很难发现这种微小误差所造成的剂量分布变化。因此，按照射野实际角度进行剂量分布验证更接近真实的治疗情况，这就对二维电离室矩阵探测器探头的方向性响应提出了要求。本研究结果显示，所用医用加速器在不同机架角度下的输出差异仅为0.18%，说明该医用加速器在不同机架角度下的输出相对稳定，可排除医用加速器机架角度改变对输出剂量的影响。当然，此项测试的前提条件是0.6 cm3电离室的方向性响应良好[12]。

此外，医用加速器输出剂量的重复性和剂量测试仪的测量重复性也应满足国家标准，以便尽量减小实验设备本身引入的误差。医用加速器的输出剂量稳定性与二维电离室矩阵探测器的测量稳定性是本研究成功实施的基本条件。翟贺争等[6]对二维电离室矩阵探测器的光子剂量学性能进行了测试，发现在60Co γ射线治疗机照射下，二维电离室矩阵探测器的测量偏差＜0.5%。本研究中，所测试二维电离室矩阵探测器在所用医用加速器照射下，其各电离室探头的测量偏差＜0.41%，说明其具有很好的测量稳定性，可以保证多次反复测量的准确性。

Li[13]等的研究结果表明，其测试的二维半导体矩阵探测器的中心探头在 0°～80°和 100°～180°范围内的方向性响应偏差＜1%，表明在二维半导体矩阵探测器周围附加一定厚度的固体水模，并避开与探测器平面平行的照射野，二维半导体矩阵探测器可满足IMRT计划验证的需求。王学涛等[14]通过对MatriXX二维电离室矩阵探测器的角度响应进行研究，发现射线入射角度在-60°～60°时，剂量的角度响应变化不明显，偏差＜2%。

本研究中所采用的二维电离室矩阵探测器的方向性响应测试方法是采用3.0 cm×3.0 cm照射野从不同角度对二维电离室矩阵探测器的探头进行照射，该方法的特点是：射野面积较小，侧向散射影响少；射线从不同方向入射，可避免邻近电离室探测器探头的阻挡；各电离室探测器探头体积仅为0.125 cm3，满足照射野剂量测量的要求；通过改变固体水模厚度，使射线入射点到探头有效距离一致。结果表明，所测得的医用加速器输出剂量随角度的变化不明显，差异均≤0.63%，该测量结果优于文献[13-14]报道的结果。可能的原因有2点：一是上述两项研究主要以临床的剂量验证为出发点，而本研究是在医用加速器物理模式下出束，结合实际情况研究矩阵探测器的方向性响应；二是所使用的矩阵探测器的结构不同，本研究中使用的探测器外形为立方体，可近似看作球型，其4个方向的角度相应一致性较好。此外，本研究中所测得各电离室探头的测量值与中心探头测量值的归一性偏差＜0.50%，该精确度符合国际电工委员会[15]和《治疗水平电离室剂量计检定规程》(JJG 912—2010)[16]中对治疗水平电离室的方向性的相关要求。

本研究结合临床实际工作，从IMRT照射野剂量测量出发，对二维电离室矩阵探测器的方向性响应进行了研究。一方面对其性能加深了理解，另一方面建立了一种简单易行的测试方法。结果表明，所研究的二维电离室矩阵探测器具有良好的方向性响应。然而，本研究中仅对二维电离室矩阵探测器的729个电离室探头中的13个进行了测试，在代表性上尚有一定局限性，且方向性响应结果也包含了医用加速器自身机架角偏转的误差，在后续研究中，将对该二维电离室矩阵探测器在γ射线下的方向性性能进行更加完善的测试。研究过程中，发现无法对单个电离室探头进行测试，因此单向散射可能对测试结果造成影响。同时，仅选择照射野为3.0 cm×3.0 cm、入射角度-60°至 60°条件进行测量，此外也未对加速器的输出因子进行拟合，后续也将进一步探讨不同射野大小下的矩阵探测器的剂量学性能。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突