SRS MapCHECK探测器阵列的剂量学特性及其在立体定向放疗计划剂量验证中的应用研究

刘凌湘，张庆钊，黄贤海

（广州市番禺区中心医院肿瘤科，广州 511400）

0 引言

立体定向放疗[1-2]具有照射野小、单次剂量高、治疗次数少、射野边缘剂量跌落迅速等特点。运用直线加速器来实现立体定向放疗时，常采用调强放疗（intensity modulated radiation therapy，IMRT）和容积旋转调强放疗（volumetric modulated arc therapy，VMAT）来进行治疗计划的设计[2-3]。由于生成的治疗计划包含不同强度的复杂射野和陡峭的剂量梯度，治疗中微小的偏差就可能导致严重的错误，因此整个立体定向放疗过程需要严格的质量控制[3-10]。其中，放疗前对放疗计划进行剂量验证可确保剂量传递的准确性[4-7]。传统的胶片空间分辨力高、剂量验证精准可靠，但不能及时显示验证结果，且操作复杂[3，10-11]。尽管目前有各种各样的二维、三维探测器[4，5，7-9，12-14]用于IMRT和VMAT的剂量验证，但临床上对立体定向放疗计划的剂量验证推荐采用专用的电离室和/或探测器阵列[6]。SRS MapCHECK是2018年新推出的一款由硅二极管组成的探测器阵列[3，8-11，15-16]，专用于立体定向放疗计划剂量验证。剂量验证设备在使用前须进行一系列的校准和调试，以了解其局限性并保证测量的准确性[12]。目前，国内有研究报道了SRS MapCHECK探测器阵列的校准及临床应用情况[15-16]，但未有关于其剂量学特性的报道。为此，本研究拟对SRS MapCHECK探测器阵列的各项剂量学特性进行测量，并运用于临床放疗计划案例，以期为立体定向放疗计划剂量验证提供指导。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究采用Varian Eclipse 15.6治疗计划系统、Varian VitalBeam医用电子直线加速器、SRS MapCHECK探测器阵列及其配套的StereoPHAN模体，剂量分析软件为SNC Patient V8.2。如图1（a）所示，SRS MapCHECK探测器阵列包含1 013个灵敏体积为0.007 mm3（长、宽均为0.48 mm，厚度为0.03 mm）的半导体探测器（探头型号为SunPoint®2），交错分布于上下2块印制电路板上，2块电路板面对面对齐设计，使得上下2层探测器的灵敏区处于同一平面，探测器间的横向及纵向间隔均为1.75 mm，对角线方向间隔为2.47 mm，有效探测面积为77.00 mm×77.00 mm，可测最大剂量率为3 400 MU/min。探测器阵列平面上下的建成和背向散射材料是聚甲基丙烯酸甲酯（poly methyl methacrylate，PMMA），质量密度为1.19 g/cm3，厚度均为22 mm（等效水厚度27.5 mm）。验证放疗计划时需结合配套的StereoPHAN模体，将SRS MapCHECK探测器阵列插入其中进行测量[如图1（b）所示]。

图1 SRS MapCHECK半导体探测器阵列及配套的StereoPHAN模体示意图

1.2 SRS MapCHECK探测器阵列剂量学特性测量

目前，X射线能量模式有2种：均整（flattening filter，FF）模式和非均整（flattening filter free，FFF）模式。传统的FF模式目的是使剂量分布变得均匀，但增加了X射线质的硬度，增加了机头的散射；而FFF模式由于移除了均整器，使X射线质变软，减小了机头的散射，提高了剂量率，缩短了患者的治疗时间，提高了治疗效率，在立体定向放疗中运用得越来越广。本研究根据我科现有条件，选择常用的6 MV X射线的FF模式和FFF模式（最高剂量率分别为600 MU/min和1 400 MU/min）测量SRS MapCHECK探测器阵列的剂量学特性。

其中，重复性、剂量线性和剂量率线性测量时，直接将SRS MapCHECK探测器阵列置于加速器治疗床上，采用激光灯进行摆位、对准SRS MapCHECK探测器阵列中心十字线，源轴距（source to axis distance，SAD）=100cm。角度响应测量时，需将SRS MapCHECK探测器阵列插入StereoPHAN模体，将模体底座固定在治疗床头边缘，使整个SRS MapCHECK探测器阵列悬空于治疗床[如图1（b）所示]，以避免治疗床带来的剂量衰减，同时利用激光灯进行摆位、对准StereoPHAN模体上的标记线，射线源到探测器的距离（source to detector distance，SDD）=100 cm。

1.2.1 重复性测量

测量条件：射野大小为4 cm×4 cm的方野，机架角度和小机头角度均为0°，机器跳数为100 MU，均采用6 MV X射线2种模式下的最高剂量率。记录在不同时间段重复测量20次的SRS MapCHECK探测器阵列中心点的绝对剂量值。

1.2.2 剂量线性测量

测量条件：射野大小为4 cm×4 cm的方野，机架角度和小机头角度均为0°，均采用6 MV X射线2种模式下的最高剂量率，机器跳数选择50、100、200、400、600、800、1 000、1 200、1 600、2 000 MU。所有条件下均重复测量3次，记录SRS MapCHECK探测器阵列中心点的绝对剂量的平均值。

人们对医疗工作者期望高,大多数人认为,通过医护人员的治疗,患者都应该恢复健康,一旦不如他们所想,便会对医务人员进行责备,护士的工作风险大、责任重,如果护士在护理工作中出现差错,可能直接影响患者的生命,与此同时,护士还要承担相应的法律责任。据调查,担心护理工作出错,是临床护理人员首要的心理压力源。

1.2.3 剂量率线性测量

测量条件：射野大小为4 cm×4 cm的方野，机架角度和小机头角度均为0°，机器跳数为100 MU，6 MV X射线FF模式下测量选用的X射线剂量率为100、200、300、400、500、600 MU/min，6 MV X射线FFF模式下测量选用的剂量率为400、500、600、800、1 000、1 200、1 400 MU/min。所有条件下均重复测量3次，记录SRS MapCHECK探测器阵列中心点的绝对剂量的平均值。

1.2.4 角度响应测量

测量条件：射野大小为4 cm×4 cm的方野，机器跳数为100 MU，均采用6 MV X射线2种模式下的最高剂量率，小机头角度为0°，机架角度从181°开始等间隔15°变化，顺时针旋转一周至180°（共25个角度）。所有条件下均重复测量3次，记录SRS MapCHECK探测器阵列中心点的绝对剂量的平均值。

1.3 立体定向放疗计划验证

本研究回顾性选取2019年11月至2021年9月在我院行立体定向放疗的56例患者。纳入标准：（1）射野大小＜7.7 cm×7.7 cm；（2）单个治疗中心。排除标准：含多个计划靶区的患者。其中，IMRT计划37例，VMAT计划19例。所有患者计划靶区平均体积为（43.39±36.58）cm3、射野大小均值为（6.01±1.29）cm×（5.76±1.37）cm。验证计划设计：将SRS MapCHECK探测器阵列插入StereoPHAN模体，采用荷兰Philips公司的Brilliance BigBore 16排CT模拟机进行扫描，扫描层厚1 mm。将所得的CT图像传至Eclipse治疗计划系统以建立验证计划模体，将患者的治疗计划移植到此模体，将计划等中心移位到模体中心位置，除治疗床角度统一归为0°外，其余治疗参数（机架角度、小机头角度、射野大小、机器跳数、多叶准直器叶片位置）均保持不变，计算网格分辨力为1 mm。验证计划实施：按图1（b）所示进行模体摆位（SAD=100 cm），在加速器临床模式下进行验证计划的剂量测量。采用通用剂量阈值10%（即参与分析的数据点应≥最大剂量点的10%）、剂量偏差/距离一致性为3%/2 mm、3%/1 mm、2%/1 mm、1%/1 mm的4种评价标准组合，对测量得到的剂量分布与计划系统计算得到的剂量分布进行基于绝对剂量模式下的全局剂量归一的γ指数分析，可执行的计划一般要求γ通过率≥95%[6-7]。运用SNC Patient软件自带的“Calc Shift”功能纠正摆位误差，以期找到测量与计算的剂量分布之间的最佳对齐方式，减少放疗计划剂量分布层面未通过点的数量。

1.4 统计学分析

采用R语言进行数据的统计学分析，数据以xˉ±s表示。除剂量线性曲线图采用R语言绘制外，其余各曲线均采用Excel 2020绘制。

2 结果

2.1 剂量学特性测量结果

2.1.1 重复性测量结果

将20次测量所得的SRS MapCHECK探测器阵列中心点的绝对剂量的平均值归一，得到重复性的变化曲线如图2所示。其中，6 MV X射线FF模式下20次测量值归一后的平均值为1.000 0±0.000 8，6 MV X射线FFF模式下20次测量值归一后的平均值为1.000 0±0.000 5。从图2可以看出，每次测量得到的绝对剂量值归一后均围绕均值上下波动，6 MV X射线FF模式和6 MV X射线FFF模式下与均值的偏差百分比依次为≤0.20%、≤0.10%，表明SRS MapCHECK探测器阵列具有很好的稳定性。

图2 重复性曲线

2.1.2 剂量线性测量结果

对机器跳数为50～2 000 MU时，6 MV X射线2种模式下所测得的SRS MapCHECK探测器阵列中心点的绝对剂量采用最小二乘法做线性回归，得到拟合回归方程，如图3所示。6 MV X射线FF模式下和6 MV X射线FFF模式下的R2均大于0.999 99（分别为0.999 992 1、0.999 990 3），反映了机器跳数为0～2 000 MU时SRS MapCHECK探测器阵列具有良好的剂量线性。

图3 剂量线性曲线

2.1.3 剂量率线性测量结果

将测量得到的不同剂量率下SRS MapCHECK探测器阵列中心点的绝对剂量以最大剂量率值归一，得到剂量率线性曲线，如图4所示。其中，6 MV X射线FF模式下测量值归一后的平均值为0.995 7±0.003 1，与归一值最大偏差百分比为0.89%；6 MV X射线FFF模式下的测量值归一后的平均值为0.999 1±0.000 5，与归一值最大偏差百分比为0.15%。这表明剂量率线性的变化对SRS MapCHECK探测器阵列的测量结果影响很小。

图4 剂量率线性曲线

2.1.4 角度响应测量结果

将不同角度下测得的绝对剂量以0°测量值归一，得到角度响应曲线，如图5所示。6 MV X射线FF模式下测量值归一后的平均值为1.001 6±0.008 0，6 MV X射线FFF模式下测量值归一后的平均值为1.005 4±0.007 3。2挡能量下SRS MapCHECK探测器阵列中心点的绝对剂量值随机架角度的变化而变化，与归一值偏差百分比分别为6 MV X射线FF模式≤1.30%、6 MV X射线FFF模式≤1.92%，表明机架角度的变化对SRS MapCHECK探测器阵列的测量结果影响很小。

图5 角度响应曲线

2.2 治疗计划剂量验证结果

表1为56例立体定向放疗计划（IMRT计划37例，VMAT计划19例）采用SRS MapCHECK探测器阵列进行剂量验证的γ通过率结果。可以看出，随着评价标准越来越严格，IMRT计划和VMAT计划的γ通过率依次降低，除1%/1 mm评价标准外，其余评价标准下γ通过率均＞95%。

表1 不同评价标准下IMRT计划和VMAT计划的γ通过率情况单位：%

3 讨论

熟练掌握SRS MapCHECK探测器阵列的剂量学特性、了解其局限性、证明其有效性是确定临床正确使用程序的一部分[12]，除按厂家推荐的方法对其进行验收调试外，还需进行一系列的校验来全面评估其性能。本研究依据现有条件评估了SRS MapCHECK探测器阵列的重复性、剂量线性、剂量率线性和角度响应[10，12-13]，结果表明SRS MapCHECK探测器阵列具有良好的剂量学特性，在各项条件下进行照射都能够提供准确的绝对剂量值，可满足临床立体定向放疗计划剂量验证的要求。

在SRS MapCHECK探测器阵列的剂量学特性测量中，本研究发现6 MV X射线FF模式下和6 MV X射线FFF模式下的重复性偏差百分比≤0.20%，反映了SRS MapCHECK探测器阵列具有良好的稳定性。这得益于该探测器阵列是由硅二极管组成的矩阵列，同时采用了SunPoint®2半导体探头，使得探测器阵列具有更小的有效体积，拥有更高的响应灵敏度，受周围环境的影响较小，可更准确地测量剂量。

立体定向放疗由于采用治疗次数少、单次剂量高的处方剂量方式，要求对应的质控设备必须在接受大剂量照射的同时仍保持很好的线性度。本研究中机器跳数在50～2 000 MU变化时，6 MV X射线FF模式下和6 MV X射线FFF模式下所测得的SRS MapCHECK探测器阵列中心点的绝对剂量经线性回归后R2值均大于0.999 99，表明SRS MapCHECK探测器阵列在接受很高的剂量时仍可以保持良好的线性度。

靶区内剂量分布的均匀性可通过调控剂量率的大小来实现，因此探测器的剂量率响应也影响着治疗计划的通过率。Ahmed等[10]分析了6 MV X射线FF模式下10～600 MU/min和6 MV X射线FFF模式下400～1400MU/min的剂量率变化范围，发现SRSMapCHECK探测器阵列测量得到的结果以400 MU/min的值归一时，偏差百分比分别为1%和0.5%。本研究中剂量率线性变化时，6 MV X射线FF模式下和6 MV X射线FFF模式下所测得的SRS MapCHECK探测器阵列中心点的绝对剂量值归一后与归一后的平均值的最大偏差百分比分别为0.89%和0.15%，与上述研究结果类似，表明剂量率线性变化对SRS MapCHECK探测器阵列的测量结果影响很小。

理论上SRS MapCHECK探测器阵列由于其固有的平面几何形状，角度响应曲线应符合探测器表面的模体材料厚度变化，在接近水平角时有较大偏差。本研究中，6 MV X射线FF模式和6 MV X射线FFF模式2挡能量下SRS MapCHECK探测器阵列中心点的绝对剂量值随机架角度的变化而变化，最大偏差百分比为1.92%，与Ahmed等[10]报道的误差保持在2%以内的结果一致。这是因为SNC Patient软件会自动校正SRS MapCHECK探测器阵列的角度依赖性，保证机架角度的变化对探头的测量结果影响很小。

剂量验证作为临床放疗计划质控的一部分，放疗前的剂量验证结果关系着该放疗计划是否可执行。对于立体定向放疗计划来说，剂量率高、射野复杂、剂量跌落区比较多，高的剂量梯度变化导致靶区边缘剂量梯度变化大，需选用合适的探测器灵敏体积和探头间距[6]。而SRS MapCHECK探测器阵列具有足够小的灵敏体积（0.007 mm3）和探头间距（≤2.47 mm），具备很高的空间分辨力。本研究分析了SRS MapCHECK探测器阵列在立体定向放疗计划剂量验证中的运用情况，由表1可知，随着评价标准越来越严格，γ通过率依次降低，除1%/1 mm评价标准外，3%/2 mm、3%/1 mm、2%/1 mm评价标准下的γ通过率均＞95%，表明SRS MapCHECK探测器阵列测得的剂量分布与治疗计划系统计算的剂量分布具有很好的一致性，在立体定向放疗计划剂量验证方面具有显著的优势。目前，对常规放疗计划进行剂量验证时，推荐采用3%/2 mm的评价标准来进行γ指数分析，当γ通过率≥95%时，该计划才能用于治疗[6-7]，但对于立体定向放疗计划未提出明确的评价标准。Popple等[3]和Rose等[11]分析了在3%/1 mm评价标准下，SRS MapCHECK探测器阵列具有与胶片验证几乎等效的临床验证结果；Ahmed等[10]采用2%/1 mm的评价标准，得出SRS MapCHECK探测器阵列在立体定向放疗计划验证时平均γ通过率为（97.2±1.3）%，与胶片等效；Woon等[14]指出探测器的分辨力影响γ分析，尤其是在高剂量梯度、高度复杂的计划上，3%/1 mm的评价标准是IMRT计划和VMAT计划验证误差的最灵敏标准；Xia等[9]报道了3%/2 mm、3%/1 mm、2%/1 mm、1%/1 mm的评价标准下20例立体定向治疗计划采用SRS MapCHECK进行剂量验证的平均γ通过率依次为99.02%、97.97%、95.92%、89.54%，指出可采用3%/1 mm或2%/1 mm的评价标准对立体定向放疗计划进行γ分析。本研究中3%/1 mm评价标准下IMRT计划和VMAT计划的γ通过率分别为（98.11±3.16）%和（99.44±0.89）%、2%/1 mm评价标准下分别为（96.22±5.10）%和（97.81±2.99）%，与上述各研究结果类似。从以上列举的各类研究及本研究可知，采用SRS MapCHECK探测器阵列进行立体定向放疗计划的剂量验证，在3%/1 mm和2%/1 mm的评价标准下可有效区分计划的可执行性（平均γ通过率均＞95%），表明临床应用SRS MapCHECK进行立体定向放疗计划验证时可采用3%/1 mm和2%/1 mm的评价标准，进一步严格要求可采用更严格的2%/1 mm评价标准。

本研究亦存在一定的局限性：由于现有条件的不足，未进行射野大小依赖性等剂量学特性测试；在临床案例测试上，未考虑多靶区多中心的放疗计划的剂量验证，亦未区分FF模式和FFF模式下的放疗计划的γ通过率情况。未来的工作中，条件成熟时将进行射野大小依赖性的测量，以确定SRS MapCHECK探测器阵列适合的射野范围；同时，采集更多的病例并进行细分，研究不同纳入标准下放疗计划的γ通过率情况，为其临床应用提供指导。

综上所述，SRS MapCHECK探测器阵列具有良好的剂量学特性，可满足临床立体定向放疗计划剂量验证的要求；当采用γ分析进行剂量验证时，可采用更严格的2%/1 mm评价标准。