碳离子被动束扫描剂量验证计划中不同网格大小对剂量验证通过率的影响

张福元 马霄云 孟万斌 卢小丽 张雁山

(甘肃省武威肿瘤医院放疗科，甘肃 武威 733000)

作为放射治疗中的新技术,重离子束治疗恶性肿瘤与其他放疗方法相比，具有独特的物理学和生物学方面的优势。重离子治疗计划中的生物有效剂量已得到有效验证，也就是说重离子治疗计划的可靠性也能得到有效验证[1-2]。但是在放射治疗临床实践中，为了验证每一个单独的放疗计划，放射物理师需要特别关注其中物理剂量的测量及验证。但目前尚缺乏碳离子被动束扫描剂量验证计划中关于剂量验证通过率与计算网格大小相关性的研究。

碳离子放疗剂量验证是碳离子放疗质量的重要一环[3]，对保证碳离子放疗的安全和疗效非常重要。目前我国重离子放疗产业的发展，虽然结合了国外重离子中心的经验和我国的实际情况，但仍然缺乏关于碳离子放疗计划剂量验证方面的系统指南以及验证的具体工具或方法，对验证结果的解读、临床意义及验证不通过的原因分析、处理措施等研究报道也不多。参考目前成熟的光子计划验证经验、国内同行所做计算网格对计划验证的相关研究以及碳离子剂量验证分析文献报道[3-6]，我中心自筹备医用碳离子治疗系统之初就一直探讨碳离子剂量验证问题，先后尝试了电离室结合胶片及固体水[7-8]、CiDose剂量验证软件结合电离室及三维水箱[9-13]、PTW1500XDR矩阵电离室结合固体水等多种方法，对重离子被动束扫描剂量验证计划的物理剂量进行验证。由于前两种验证方法耗时费力，工作量大，占用束流时间长，在考虑了精确度、效率、成本等综合因素后，目前我中心采用的是PTW1500XDR矩阵电离室结合固体水及VeriSoft验证软件进行剂量验证。目前重离子剂量验证计划普遍采用2、3、4 mm网格大小来进行剂量计算，不同网格大小所花费的计算时间不同，但是对于剂量验证通过率的影响目前尚缺乏系统的研究报道。本研究旨在确保有效性的前提下，探索计算网格大小对剂量验证通过率的影响，以期改进重离子放疗剂量验证工作的效率。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选取甘肃省武威肿瘤医院重离子中心2021年4月12日患者待验证后上机的20个射野并制作验证计划。所有射野均为固定能量档位的被动束扫描射野，能量分别为190、260、330、400 MeV/u，所有射野均采用高密度聚乙烯材料制作的组织补偿器进行肿瘤末端适形，射束方向为0°或90°束流方向。

1.2 仪器设备

重离子治疗计划系统(TPS)CiPlan由中国科学院近代物理研究所研发， PTW1500XDR矩阵电离室、固体水、VeriSoft 7.2软件均由德国PTW公司研发或生产。

1.3 研究方法

本研究采用29片层厚10 mm的固体水和PTW1500XDR矩阵电离室及VeriSoft 7.2软件对20个射野进行验证[14-17]。PTW1500XDR有效探测点为1 405个，有效测量点位于表面下8.5 mm，即验证深度分布为8.5～138.5 mm，射野物理剂量分布为0.644～3.025 Gy。

将每个射野中的射束能量、物理剂量、光栅数据、脊形过滤器、射程移位器、补偿器等参数拷贝至29片固体水紧密叠在一起形成的模体上生成验证计划，每个射束选择一个测量位置，位于剂量峰区附近，验证计划生成后传输到临床治疗系统后进行测量。将PTW1500XDR矩阵电离室的测量值与TPS计划值进行剂量学比较，从而对射野的剂量分布进行评估[7-8]。

参考光子调强放疗剂量验证实践指南[3]，使用2、3、4 mm的计算网格作为条件分别计算所有射野的验证计划，使用PTW1500XDR矩阵电离室在同一层测量单层剂量的通过率，对比不同网格大小下剂量验证通过率的变化，并记录不同网格下剂量计算时间。

2 结 果

2.1 不同计算网格大小的剂量验证通过率比较

在2、3、4 mm计算网格下，碳离子被动束扫描剂量验证计划的剂量验证通过率分别为(97.29±3.13)%、(97.70±2.64)%、(98.02±2.44)%，三组比较差异无显著性(P>0.05)。碳离子被动束扫描剂量验证计划的剂量验证通过率均大于90%。

2.2 不同计算网格大小的剂量计算时间比较

2、3、4 mm计算网格下碳离子被动束扫描剂量验证计划的剂量计算时间分别为(68.05±5.06)、(35.50±3.56)、(28.55±3.75)s，不同计算网格之间进行比较差异有显著性(H=41.616，P<0.05)。

3 讨 论

重离子治疗与光子治疗不同，其使用能量高达120～400 MeV/u，且重离子束具有独特的倒转深度剂量分布，呈Bragg曲线分布。重离子治疗计划系统通过对离子束的能量调节能精确地将高剂量区集中在肿瘤靶区，其剂量计算部分的实现方式与束流配送系统相关[17]。重离子治疗终端剂量校准系统担负着对束流照射剂量的准确监测和控制任务[18]。重离子每个射野都要经过独立的剂量标定，并经过模拟治疗来测定治疗物理剂量分布是否同治疗计划的临床需要一致。

剂量验证通过率由通过测量点数除以有效测量点数所得，剂量验证失败点数为有效测量点数减去通过测量点数，即剂量验证失败点数越多，剂量验证通过率越低。而剂量验证失败的原因主要有：①射野内剂量验证失败多由射野中剂量突变导致，多数出现在射野中剂量突变的位置[19]。剂量突变是因为人体内组织器官分布复杂，而固体水成分均匀单一，将患者的计划治疗系统中参数复制到均匀的固体水中后，射野方向观横截面出现剂量不均匀的现象，即剂量突变[6]。②射野边缘处剂量验证失败是由于射野尺寸超出了计划治疗系统限定计算的射野阈值。

另外，由于碳离子束能量高，射野边缘的横向半影锐利，以及Bragg峰末端剂量跌落迅速，理论上出现的剂量验证失败的点，应分布在半影区、剂量跌落迅速的末端，因为剂量梯度大，电离室摆放的细微误差也可能导致剂量测量出现误差。分析原因，应该是PTW1500XDR矩阵电离室中的电离室间隔大于4 mm，相邻电离室之间的剂量是由软件根据周围电离室的剂量插值计算所得，插值计算所得值未必会落在剂量跌落曲线上。

理论上计算网格越小，剂量分辨率越高，剂量验证失败点的检出率越高，计算结果越精确；当计算网格增大时，随着剂量分辨率的降低，剂量验证失败点的检出率越低，剂量验证通过率可能会假性升高。但是根据本研究结果，在增大计算网格大小的时候，通过率没有出现明显的变化。

碳离子的剂量验证目前没有相关指南及统一的标准，依据光子调强放疗剂量验证实践指南，同时参考病例具体情况、所采用的具体技术以及系统，有研究认为应采用2～3 mm的剂量计算网格,需要高空间分辨率的特殊病例建议使用较小的剂量计算网格[3]。因此，计算网格越小，计划计算空间分辨率越高，结果越精确；相反，计算网格越大，则计算的空间分辨率相对降低。结合本研究结果，计算网格在2～4 mm之间时，碳离子计划验证通过率没有差异，但随着网格增大，剂量计算时间相应缩短。因此，对于碳离子被动束扫描剂量验证计划而言，4 mm计算网格能在保持剂量验证通过率不变的同时，缩短验证时间。

对PTW1500XDR矩阵电离室夹在固体水中进行剂量验证、以胶片进行剂量验证和以电离室阵列在三维水箱中进行剂量验证三种方法比较后，在保证剂量验证有效性的情况下，PTW1500XDR矩阵电离室夹在固体水中进行剂量验证则更加方便快捷，这也符合其他质子重离子研究的相关结果[20-21]。另外，PTW1500XDR矩阵电离室结合固体水用于碳离子剂量验证[13,22]，为重离子的三维剂量分析提供了更多选择[20,23]。

综上所述，采用PTW1500XDR矩阵电离室进行碳离子剂量验证是一种更方便快捷的剂量验证方式，且与2、3 mm计算网格对比，计算网格为4 mm时剂量验证通过率差异没有显著性，但验证时间明显缩短。因此，临床上建议采取PTW1500XDR矩阵电离室结合固体水并选用4 mm计算网格进行患者碳离子治疗计划射野的验证，可以在保证剂量验证通过率的同时缩短剂量计算所用时间，即一定程度上提高了剂量验证的效率。另外，本次研究的不足是样本量较少，需要进一步加大样本量进行更深入的研究。