基于国产后装治疗机及其后装放疗计划系统的质控方法研究

2022-04-25刘子成费振乐刘苓苓王真真邵婧媛崔相利

中国医疗设备 2022年4期

刘子成，费振乐，刘苓苓，王真真，邵婧媛，崔相利

1. 中国科学院合肥肿瘤医院放疗中心，安徽合肥 230031；2. 安徽医科大学生物医学工程学院，安徽合肥 230032；3. 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽合肥 230026

引言

宫颈癌是常见的妇科恶性肿瘤，发病率和死亡率在全球女性癌症中占据第四位[1]。近距离放疗是利用人体的自然腔道将放射源直接放置于治疗部位或附近进行照射的一种模式，具有肿瘤组织受照剂量较高、周围组织受照剂量较低、剂量跌落快等优点，广泛应用于宫颈癌的治疗中[2-3]。目前，后装治疗的质量保证标准不同，源活度计算和源到位精度等测量方法不统一，很多医院单位在日常检测中方法烦琐且人为误差较大[4-8]。为保证近距离治疗的精准性和安全性，需要对后装治疗机及其计划系统的质量控制提出严格要求。本研究主要探讨和建立准确检测后装治疗计划系统和后装治疗机的质控方法。

1 材料与方法

1.1 设备和材料

192Ir高剂量率放射源（HDR-192）：物理尺寸1.1 mm×6.5 mm、活性区尺寸0.7 mm×3.5 mm。检测时放射源活度为140.6 GBq（3.8 Ci），科霖众KL-HDR-C后装治疗机及后装治疗计划系统（北京科霖众医学技术研究所，中国），大孔径CT模拟定位机（飞利浦公司，美国），GAFCHROMIC®EBT3免洗胶片（ASHLAND，美国），EPSON Perfection V850Pro高端影像扫描仪（精工爱普生公司，日本），RIT 113胶片分析软件。

1.2 测试内容与方法

1.2.1 图像重建

选三个直径分别为5、4.5和4 cm的标准模体，使用游标卡尺测量模体直径，重复5次。再使用大孔径CT模拟定位机扫描模体。扫描参数：电压120 kV，曝光325 mAs，层厚3 mm。发送CT图像到后装计划系统，利用系统自带的测量工具测量模体直径，重复5次后取平均值与实际测量值进行比较。

1.2.2 施源器自动重建

选取在中科院合肥肿瘤医院进行三维腔内后装治疗的20例宫颈癌患者，年龄34～83岁，中位年龄为66.5岁。根据国际妇产科联合会（International Federation of Gynecology and Obstetrics，FIGO）制定的标准[5]，20例患者临床分期为宫颈癌Ⅰ期1例、宫颈癌Ⅱ期10例、宫颈癌Ⅲ期7例、宫颈癌Ⅳ期2例。20例患者均为三通道施源器治疗。在治疗计划系统（Treatment Planning System，TPS）中新建计划plan 2，自动重建施源器通道，施源器驻留长度和驻留时间均与临床计划plan 1一致。临床计划plan 1均由物理师手动重建施源器通道。根据Report 89号报告[6]评估比较不同计划中90%以上体积的临床靶区（Clinical Target Volume，CTV）达到的处方剂量（D90）；膀胱、直肠和乙状结肠可以接受的最大剂量下0.1 cm3和2 cm3体积所接受的最小剂量（D0.1cc、D2cc）。数据分析采用SPSS 25.0软件对所得结果进行配对t检验。P＜0.05为差异具有统计学意义。

1.2.3 放射源最大输出距离点的到位精度

输源软管一端与后装机分度盘上任意出源通道连接，另一端紧贴胶片上，固定。在胶片上对施源导管最远端进行标记。在操作间制定一个单通道最远端驻留点的治疗计划，驻留时间为5 s，测量时源强为3.8 Ci。相同条件下重复测量5次。胶片曝光24 h后，使用扫描仪扫描胶片，扫描时分辨率设置为75 dpi。扫描后使用胶片分析软件分析得出放射源活性中心与标记点之间的距离。如果到位精度无偏差，放射源活性中心与标记点之间的距离应为4.25 mm（放射源物理尺寸的1/2加1 mm施源软管的壁厚）。根据测量值与理论值的偏差判断放射源最大输出距离点的到位精度。

1.2.4 放射源5 mm步退距离精度

输源软管一端与后装机分度盘上任意出源通道连接，另一端紧贴胶片上，固定。在操作间制定一个单通道8个驻留点的治疗计划，步退距离为5 mm，每个点驻留时间为10 s。相同条件下重复测量5次。胶片曝光24 h后，使用扫描仪扫描胶片，扫描时分辨率设置为75 dpi。扫描后使用软件分析图像，得出相邻驻留点之间形成的剂量峰。测量相邻剂量峰之间的距离，判断步退距离是否为5 mm。

1.2.5 放射源活度检测

在自由空气中，将输源软管一端与后装机分度盘上第一出源通道连接，另一端插入井型电离室直至底部。将井型电离室与剂量计连接，在PTW Unidos E的参数调整界面上选择 Electronic模式，量程改到最大的high档，提前预热5 min并归零校准。井型电离室需要提前放置在治疗机房30 min，使其与测量环境的温度、气压一致。后装治疗机房中的气压和温度等基础数据均由空盒气压表进行采集。在操作间制定一个有15个驻留点、步退为5 mm、各点驻留时间为10 s的测试计划。出源后记录剂量计显示的最大灵敏位置读数，利用公式(1)计算源活度（Aapp）[7]，相同条件下重复测量5次。

其中，Mu为源在井型电离室最大灵敏度位置的电流读数（nA）或 60 s积分电荷（nC/60 s），CT·P为温度气压修正因子；E为井型电离室及剂量计刻度系数，E=9.211×105Gy·m2·h-1·A-1；F 为192Ir源空气比动势能强度与源活度转换系数，F=4.034×10-3Gy.m2.h-1.A-1.Ci-1。

环境温度、气压校正因子计算方法如公式(2)所示。

式中，T为环境温度读数，单位为℃；T0为标准条件温度（22℃）；P0为标准条件气压（101.3 kPa）；P表示环境气压读数，单位为kPa。

2 结果

2.1 图像重建

标准模体实测平均值分别为4.98、4.49和3.98 cm，重建后系统工具测量的直径平均值为5.06、4.46和4 cm（表1）。重建测量值与实际测量值之间相对误差均小于1 mm。根据NCC/T-RT 002-2019后装治疗机的质量控制和质量保证[8]判断，符合其中图像重建直径的相对误差应＜±1 mm的要求。

表1 图像重建结果统计（cm，±s）

模体直径实际测量值重建测量值相对误差5 4.98±0.001 5.06±0.073 0.08 4.5 4.49±0.004 4.46±0.045 0.03 4 3.98±0.006 4.00±0.058 0.02

2.2 施源器通道自动重建

使用TPS中自动重建施源器通道功能，施源器驻留长度和驻留时间均与临床计划一致，临床计划中施源通道均为物理师手动逐点重建。统计自动重建计划和临床计划的肿瘤靶区和危及器官受量并进行比较（表2）。分析结果表明：肿瘤靶区D90、膀胱D2cc和D0.1cc、直肠D2cc、乙状结肠D2cc和D0.1cc剂量参数差异均无统计学意义（P＞0.05）；直肠D0.1cc剂量参数有统计学意义（P=0.03）。此外自动重建计划的膀胱D2cc和D0.1cc的平均值均大于手动重建的膀胱受照剂量；直肠D2cc和D0.1cc的平均值均小于手动重建的直肠受照剂量。

表2 20例患者后装计划中施源器通道重建结果统计（cGy，±s）

项目手动重建自动重建 t值 P值肿瘤靶区D90 598.29±64.51 593.12±60.31 1.65 0.12膀胱D2cc 455.28±81.85 463.75±88.41 -2.02 0.06膀胱D0.1cc 598.99±123.37 610.11±129.15 -1.83 0.08直肠D2cc 395.56±48.37 390.38±53.64 1.75 0.10直肠D0.1cc 562.03±90.75 551.32±92.91 2.41 0.03乙状结肠D2cc292.75±82.45 292.41±82.79 0.48 0.64乙状结肠D0.1cc433.38±123.24 432.30±123.55 0.81 0.43

2.3 最大输出距离点到位精度分析

根据胶片分析的Profile图可得源活性中心产生了明显的剂量峰（图1a）。剂量曲线上可看出最远距离标记点对剂量曲线的波动，记录最大波动点与活性中心点之间距离（图1b）。5次测量结果平均值为（4±0.05）mm，与理论值4.25 mm平均偏差为0.25 mm（表3）。根据NCC/T-RT 002-2019后装治疗机的质量控制和质量保证[8]中，放射源最大输出到位精度应＜±1 mm，符合要求。

图1 最大输出距离点到位精度胶片和软件分析结果图

表3 源到位精度验证结果（mm）

2.4 放射源5 mm步退距离精度分析

根据胶片分析的Profile图得出8个驻留点产生了8个剂量峰值，通过测量相邻峰值之间的距离判断5 mm步退距离是否存在偏差（图2）。8个驻留点形成的7个步退距离平均值为（5.04±0.05）mm，与理论值5.00 mm偏差为0.04 mm（表4），符合WS 262-2017后装γ源近距离治疗质量控制检测规范[7]要求，放射源退位精度＜±1 mm，符合国家卫生职业要求。

图2 5 mm步退距离精度软件分析结果图

表4 源步距精度验证结果（mm）

2.5 放射源活度检测

测量时机房温度为29℃，环境气压为100.6 kPa，根据公式(2)计算得出温度气压修正因子（CT·P）为1.017。剂量仪显示的最大灵敏位置读数（Mu）为35.67 nA。根据公式(1)计算得出源活度为8.404 Ci，标称源活度为8.44 Ci，相对误差为0.43%。符合WS 262-2017后装γ源近距离治疗质量控制检测规范[7]要求，放射源活度误差范围为±5%。

3 讨论

后装放疗的剂量线分布梯度大且多为单次大剂量照射，治疗过程中的误差都可能导致患者受照剂量与计划剂量不一致，由剂量偏差导致的后果难以评估和弥补[9-10]。剂量的准确性会直接增加肿瘤原发病灶剂量缺失和周围正常组织毒副反应加重的可能性[11-12]。因此后装治疗机和后装治疗计划系统的质量控制和质量保证至关重要。

后装机中的192Ir放射源半衰期短（74.2 d），一年中需要更换多次。后装机在使用过程中，送丝轮的涨紧力、步进电机的精度等都会发生改变，导致机器到位精度和步退精度变差。这样容易影响源在治疗时不能到达指定位置，从而使患者受照剂量产生偏差，影响疗效。后装机厂家一般配有出源长度标尺以进行源到位精度的测量。目测法[13-14]步骤烦琐且由操作和主观因素引起的误差较大。本研究使用免冲洗胶片测量源到位精度和步退精度，通过测量源活性中心实际到达的位置，检测结果较目测法更精准。赵红福等[15]发现采用辐射显色胶片确定环形施源器驻留位置偏移量是一种简便且精确的测量方法。于浪等[16]建立了通过视频图像和胶片分析确定后装放射源的驻留位置的检测手段也发现胶片测量法较可靠。胶片测量法所产生的误差是客观存在的。测量结果中会出现不同的不确定度来源：① 在相同条件下测量所得结果有所不同，例如多次测量到位和退位精度时，胶片剂量峰与标记点之间距离有所不同，引入A类不确定度；② 胶片的种类较多，分辨率和灵敏度也有所区分，以及扫描仪设备本身误差都将引入B类不确定度；③ 不同实验人员对施源器到位的最大距离标记点存在不同判断，将引入A类不确定度[17-18]。

在后装放疗计划系统中制定治疗计划，192Ir源外观活度决定了患者的治疗时间，从而影响治疗总剂量。源的外观活度发生较大偏差，会直接导致患者所受剂量产生误差（超剂量或欠剂量）。本研究参照WS262-2017利用井型电离室测量源外观活度，检测结果较稳定。目前，后装放射源校准的方式有井型电离室、指型电离室和在模体中测量[19-20]。Bondel等[21]研究3种不同的源校准方法，测量结果之间的最大偏差为1%，但井型电离室具有长期稳定性好、操作简便等优点，推荐使用井型电离室进行源外观活度测量。

施源器重建精度会影响放射源驻留位置，进而影响剂量分布。本研究采用剂量体积直方图参数评估传统手动逐点重建法和施源库自动重建法对宫颈癌患者受照剂量的影响。由结果可知，自动重建法肿瘤靶区D90和直肠D2cc平均剂量均比手动重建法的结果小5 Gy；膀胱D2cc平均剂量比手动重建法的结果大8 Gy；两种方法所得乙状结肠D2cc平均剂量几乎无差别。两种方法所得肿瘤靶区D90、膀胱D2cc、直肠D2cc和乙状结肠D2cc均无统计学差异（P＞0.05）。手动逐点重建法和施源库自动重建法之间无统计学差异，但自动重建法容易受到施源器金属伪影和CT固有的容积效应影响，导致出现重建的施源器通道无法应用于临床的情况。自动重建法的膀胱和直肠平均剂量与手动逐点重建之间的差异超过5 Gy，可能存在重建偏差。Schindel等[22]发现T&O施源器重建偏差存在于腹背方向，所以施源器重建偏差对直肠的剂量影响较明显。