眭建鋒 高留剛 倪昕曄

213003常州，南京醫(yī)科大學(xué)附屬常州第二人民醫(yī)院放療科

調(diào)強(qiáng)放射治療劑量驗(yàn)證工具與方法

眭建鋒 高留剛 倪昕曄

213003常州，南京醫(yī)科大學(xué)附屬常州第二人民醫(yī)院放療科

調(diào)強(qiáng)放射治療廣泛應(yīng)用于腫瘤的治療，其劑量分布在三維方向上與靶區(qū)高度適形。然而調(diào)強(qiáng)放療的復(fù)雜射野、數(shù)據(jù)誤差、算法誤差及機(jī)器誤差等因素可能會(huì)引起較大的劑量偏差，從而造成實(shí)際劑量與計(jì)劃劑量不符，而嚴(yán)重的劑量不符可能會(huì)造成不必要的輻射事故。因此鑒于患者安全角度考慮，治療計(jì)劃在執(zhí)行之前通常需要進(jìn)行劑量驗(yàn)證，以確保患者治療計(jì)劃的安全實(shí)施，避免計(jì)劃外的劑量照射。目前，臨床上劑量驗(yàn)證的工具與方法有很多，包括指形電離室工具和熱釋光劑量?jī)x工具等的點(diǎn)劑量驗(yàn)證法、半導(dǎo)體陣列工具和電離室陣列工具以及膠片工具等的二維劑量驗(yàn)證法、ArcCHECK工具和Delta4工具以及第三方軟件工具等的三維劑量驗(yàn)證法等，對(duì)臨床上常見的劑量驗(yàn)證工具和方法進(jìn)行了綜述。

調(diào)強(qiáng)放射治療；高度適形；偏差；劑量驗(yàn)證

Fund program：Changzhou Sci&Tech Program of Jiangsu Province(CJ20130019);Natural Science Foundation of Jiangsu Province(BK20151181)

0 引言

放療是目前治療腫瘤的3大手段之一，隨著放療技術(shù)的不斷發(fā)展，調(diào)強(qiáng)放射治療已發(fā)展到固定野的調(diào)強(qiáng)放療和容積調(diào)強(qiáng)。調(diào)強(qiáng)放療是指在輻射野與靶區(qū)外形一致的條件下，針對(duì)靶區(qū)三維形狀、要害器官與靶區(qū)的具體解剖關(guān)系對(duì)射束強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。雖然單個(gè)輻射野內(nèi)劑量分布是不均勻的，但是整個(gè)靶區(qū)體積內(nèi)劑量分布比三維適形治療更均勻。由于調(diào)強(qiáng)放射治療方法設(shè)計(jì)的劑量分布與靶區(qū)在三維方向上高度適形，因此是臨床上常用的放療方法。

盡管調(diào)強(qiáng)放療在臨床上應(yīng)用廣泛，但在設(shè)計(jì)過程中還會(huì)存在眾多不確定因素，導(dǎo)致計(jì)劃劑量與實(shí)際照射劑量存在一定的偏差。調(diào)強(qiáng)放療是把每個(gè)輻射野分割成多個(gè)子野，因此射野的復(fù)雜程度較其他放療方式要復(fù)雜得多，而由于治療床和體位固定裝置的存在，調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃的多野交角照射部分后斜野會(huì)經(jīng)過治療床及體位固定裝置到達(dá)患者，使得靶區(qū)實(shí)際接收劑量的精確性受到影響[1]；而且調(diào)強(qiáng)放療從設(shè)計(jì)治療計(jì)劃到治療實(shí)施過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，均有可能產(chǎn)生不同程度的誤差，如：治療計(jì)劃原始數(shù)據(jù)的誤差、計(jì)算劑量時(shí)的算法誤差及治療實(shí)施時(shí)的機(jī)器誤差等。調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)的復(fù)雜以及其不同來源的誤差，會(huì)導(dǎo)致額外的劑量輻射，嚴(yán)重者可致輻射事故。因此有必要在治療實(shí)施前對(duì)調(diào)強(qiáng)放療的計(jì)劃進(jìn)行劑量驗(yàn)證以確保安全，即質(zhì)量保證（quality assurance，QA）[2]。

目前，調(diào)強(qiáng)放療的QA方法主要是將計(jì)劃移植到一個(gè)模體上，用劑量測(cè)量工具測(cè)量點(diǎn)劑量、二維劑量及三維劑量，然后將其與計(jì)劃劑量相比較[3-4]。點(diǎn)劑量測(cè)量工具有指形電離室、半導(dǎo)體熱釋光劑量?jī)x等[5-6]；二維劑量測(cè)量工具有膠片[5-6]、半導(dǎo)體陣列[5,7]、電離室陣列[8-9]及電子射野影像系統(tǒng)（electronic portal imaging device,EPID)[10-11]等；三維劑量測(cè)量工具有ArcCHECK[12-13]、Delta4[14-15]、ComPASS[16]、PTW OCTAVIUS 4D[17]以及第三方軟件Mobius FX[18]或Mobius3D[19]等。

1 質(zhì)量驗(yàn)證方法

1.1 點(diǎn)劑量驗(yàn)證法

點(diǎn)劑量驗(yàn)證法也稱絕對(duì)劑量驗(yàn)證法，有多種測(cè)量工具，如指形電離室、半導(dǎo)體及熱釋光劑量?jī)x等。指形電離室具有穩(wěn)定性出色、射束的定向依賴性小以及射束質(zhì)量響應(yīng)獨(dú)立性等優(yōu)點(diǎn)，因此使用較廣[20]。在測(cè)量劑量時(shí)，將治療計(jì)劃移植到特定的模體中，然后將指形電離室放入模體內(nèi)感興趣點(diǎn)測(cè)量實(shí)際吸收劑量，并將實(shí)際測(cè)量劑量與計(jì)劃劑量進(jìn)行對(duì)比。在電離室測(cè)量前，需測(cè)量治療室的室溫和氣壓并進(jìn)行必要的修正，同時(shí)要對(duì)電離室和模體進(jìn)行精確的定向定位。在調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃中，由于陡峭的劑量梯度和大量子野的存在，電離室需具有足夠高的空間分辨率。

1.2 二維劑量驗(yàn)證方法

二維劑量驗(yàn)證方法是目前應(yīng)用最廣泛的調(diào)強(qiáng)放療劑量驗(yàn)證法，包括DER2慢感光膠片、Gafchromic EBT2膠片、Mapcheck或Mapcheck2、Matrixx及EPID等劑量驗(yàn)證工具[21]。

1.2.1 膠片驗(yàn)證法

早期的劑量驗(yàn)證法是以點(diǎn)劑量測(cè)量工具結(jié)合膠片測(cè)量工具使用。膠片測(cè)量工具有可快速獲取二維劑量信息、空間分辨率高、可永久記錄劑量信息等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于調(diào)強(qiáng)放療的二維劑量驗(yàn)證[22-25]。Gafchromic EBT2膠片在劑量驗(yàn)證之前，應(yīng)先用指形電離室對(duì)加速器6 MV X射線進(jìn)行劑量校準(zhǔn)，以保證出束偏差在1%以內(nèi)。盡管膠片測(cè)量具有很多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在一定的不足，如曝光和沖洗條件受限、成本高及工作量大等，因此影響了膠片測(cè)量工具在臨床上的使用。

1.2.2 Mapcheck工具測(cè)量法

Mapcheck半導(dǎo)體陣列由于具有靈敏度較高、重復(fù)性好、劑量響應(yīng)線性度好及對(duì)照射野大小的依賴性小等優(yōu)點(diǎn)而成為應(yīng)用廣泛的二維劑量驗(yàn)證工具之一[26]。其測(cè)量、校準(zhǔn)時(shí)間較短，可大大減少劑量驗(yàn)證的繁瑣程度并提高工作效率。Mapcheck含有445個(gè)半導(dǎo)體探測(cè)器，測(cè)量面積為22 cm×22 cm，中心區(qū)域10 cm×10 cm內(nèi)含有221個(gè)探測(cè)器，且探頭之間的空間距離為0.707 cm；而在10 cm×10 cm區(qū)域以外探測(cè)器之間的空間距離為1.414 cm。Mapcheck的探測(cè)器個(gè)數(shù)較少，會(huì)導(dǎo)致分辨率偏低且照射野偏小，因此Sun Nuclear公司生產(chǎn)了Mapcheck2，半導(dǎo)體探測(cè)器個(gè)數(shù)高達(dá)1 527，單個(gè)探頭有效測(cè)量面積為0.64 mm2，測(cè)量面積提升到32 cm×26 cm。與Mapcheck相比，Mapcheck2具有更高的分辨率，適合更大照射野調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的劑量驗(yàn)證。盡管Mapcheck做了一定的改進(jìn)，但仍存在不足，如劑量驗(yàn)證精度不如膠片、照射野尺寸仍然不夠大及僅對(duì)劑量高梯度變化區(qū)域可實(shí)現(xiàn)劑量分布的較好評(píng)估等。

1.2.3 MatriXX電離室驗(yàn)證法

MatriXX電離室驗(yàn)證方法與Mapcheck的驗(yàn)證方法類似，但MatriXX是以電離室作為測(cè)量元件，因此相比于半導(dǎo)體，MatriXX不需要用電離室測(cè)量做歸一標(biāo)定來確保測(cè)量結(jié)果的可靠性。MatriXX包含1 020個(gè)獨(dú)立的電離室，排成32×32的矩陣模式，每個(gè)電離室的直徑為4.5 mm，高5 mm，相鄰電離室中心距離為7.62 mm。MatriXX的密度接近水，內(nèi)含溫度氣壓傳感器，可實(shí)時(shí)測(cè)量溫度或氣壓并進(jìn)行修正。MatriXX具有高效、穩(wěn)定、快捷等優(yōu)點(diǎn)，但MatriXX電離室之間存在間距，當(dāng)子野面積較小、寬度較窄時(shí)，MatriXX不能準(zhǔn)確地探測(cè)到劑量；同時(shí)，MatriXX還存在高劑量梯度區(qū)域劑量驗(yàn)證不如半導(dǎo)體等缺點(diǎn)，因此限制了其在臨床上的使用。

1.2.4 EPID二維劑量驗(yàn)證法

EPID最初是用來進(jìn)行位置驗(yàn)證的，現(xiàn)今越來越多地被用作調(diào)強(qiáng)放療QA的劑量驗(yàn)證工具[26]。膠片測(cè)量、半導(dǎo)體測(cè)量及電離室測(cè)量均需要專門的附件，其數(shù)據(jù)采集、處理和分析耗時(shí)費(fèi)力；相比之下，EPID安裝在加速器上，不需購(gòu)買第三方設(shè)備，其數(shù)據(jù)采集簡(jiǎn)便，無需數(shù)據(jù)導(dǎo)出，大大提高了工作效率，降低了物理師的工作負(fù)荷[27]。EPID的分辨率為0.784 mm×0.784 mm，射野尺寸為40 cm×30 cm，有512×384個(gè)像素陣列，因此其分辨率比Mapcheck和MatriXX均要高。由于EPID具有良好的物理和高分辨率特性，可對(duì)其采集到的影像進(jìn)行絕對(duì)劑量刻度建模，得到一個(gè)從影像值到絕對(duì)劑量的對(duì)應(yīng)模型[28]，這樣就能將EPID采集到的影像轉(zhuǎn)換為接收到的絕對(duì)劑量從而重建模體或者患者體內(nèi)的二維劑量分布。與其他方法比較，此方法無需使用附加設(shè)備即可得到高分辨率的二維劑量分布，且不僅限于在模體上使用，還可以對(duì)照射治療中的患者進(jìn)行劑量重建和監(jiān)控[29]；但EPID價(jià)格昂貴、維修不便。

1.3 三維劑量驗(yàn)證方法

傳統(tǒng)二維劑量測(cè)量得到的是某一平面的相對(duì)劑量，而靶區(qū)解剖結(jié)構(gòu)一般呈三維狀，因此二維測(cè)量提供腫瘤和正常器官的受量驗(yàn)證信息是有限的，且二維探測(cè)器通常適宜放在均勻模體里，這就存在角度依賴性的問題。對(duì)于調(diào)強(qiáng)放療的QA，劑量的三維測(cè)量是有必要的，其可以提升劑量測(cè)量的精確度。常見的三維劑量測(cè)量方法有Delta4、ArcCHECK、ComPASS、PTW OCTAVIUS 4D以及第三方軟件法等。

1.3.1 Delta4和ArcCHECK三維劑量驗(yàn)證法

Delta4系統(tǒng)是在一個(gè)22 cm×40 cm的圓柱形模體中放置2個(gè)正交排列的二維半導(dǎo)體探測(cè)器陣列，其中一個(gè)平面稱為主板，與其垂直的平面分成2個(gè)翼板。Delta4共有1 609個(gè)P型半導(dǎo)體探測(cè)器，分布在20 cm×20 cm區(qū)域內(nèi)，每個(gè)探測(cè)器的面積為0.78mm2，中心6cm×6cm區(qū)域內(nèi)探測(cè)器間距為5mm，中心區(qū)域以外的探測(cè)器間距為10 mm。由于Delta4存在2個(gè)正交的探測(cè)器平面，因此其可接收任意入射角度的射線信息，測(cè)量中心點(diǎn)的吸收劑量[30-31]。Gutiérrez等[32]在4個(gè)月內(nèi)通過對(duì)5例患者的治療計(jì)劃行Delta4劑量測(cè)量，發(fā)現(xiàn)不管對(duì)高劑量區(qū)域還是低劑量區(qū)域均有較好的一致性。此外，與膠片和電離室測(cè)量相比，Oscar Calvo等通過實(shí)驗(yàn)證明，Delta4測(cè)量可節(jié)省20～30 min。Ni等[33]還對(duì)Delta4用于不同射野尺寸應(yīng)選擇不同分析標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，指出Delta4可用于提高基于90%通過率的多頁光柵（MLC）位置檢測(cè)靈敏度。ArcCHECK測(cè)量系統(tǒng)是在21cm長(zhǎng)的圓柱形模體上分布1386個(gè)尺寸為0.8mm× 0.8 mm的P型半導(dǎo)體探測(cè)器，探頭間距為10 mm，此分布可增大采樣率并能減少射束方向上探測(cè)器的重疊和陰影，無角度依賴性。其使用的半導(dǎo)體探測(cè)器（小體積：1.9×10-5cm3）具有靈敏度和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。ArcCHECK使用經(jīng)過驗(yàn)證的計(jì)劃劑量微擾測(cè)量引導(dǎo)的重建方法可評(píng)估動(dòng)態(tài)4D劑量，自動(dòng)生成高分辨率的4D劑量網(wǎng)格。相對(duì)于平面劑量測(cè)量工具，ArcCHECK的圓柱形更接近患者的解剖結(jié)構(gòu)，有利于將ArcCHECK測(cè)量與實(shí)際情況相匹配。有研究表明[30]，當(dāng)以3%/3 mm劑量誤差閾值水平為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，ArcCHECK有很好的Gamma通過率；然而，當(dāng)以2%/2 mm為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，相對(duì)于Delta4，ArcCHECK的通過率要低得多。由于Delta4和ArcCHECK探測(cè)器之間均存在一定的距離，其分辨率低于膠片且探測(cè)器以外的劑量分布是通過計(jì)算得到，造成了實(shí)測(cè)劑量的不準(zhǔn)確；而且ArcCHECK中心有一個(gè)腔體，其劑量無法實(shí)現(xiàn)測(cè)量；另外，三維模體劑量?jī)x價(jià)格均比較昂貴，使得Delta4和ArcCHECK的臨床使用存在局限性。

1.3.2 COMPASS和PTW OCTAVIUS4D測(cè)量法

COMPASS系統(tǒng)由兩部分組成：用于采集數(shù)據(jù)的MatriXX和用于劑量計(jì)算與分析的軟件。MatriXX是掛在加速器機(jī)架上并固定，其平面與射線束的中心軸始終垂直，驗(yàn)證時(shí)，通過固定在機(jī)架上的探測(cè)器在各個(gè)機(jī)架角度采集相應(yīng)子野的二維劑量，隨后根據(jù)患者的CT圖像重建三維劑量，進(jìn)而與計(jì)劃的劑量分布作比較[34]。PTW OCTAVIUS 4D系統(tǒng)是將二維矩陣插入一個(gè)與加速器同步旋轉(zhuǎn)的模體中。二維矩陣包含729個(gè)電離室探頭，均勻分布在27 cm×27 cm范圍內(nèi)，模體直徑和長(zhǎng)度分別是32 cm和34.3 cm，正向、反向均可360°旋轉(zhuǎn)，無角度依賴性[35]。PTW OCTAVIUS 4D驗(yàn)證時(shí)，用PTW OCTAVIUS 4D采集和保存好測(cè)量的實(shí)際數(shù)據(jù)，再把放療計(jì)劃移植到PTW OCTAVIUS 4D旋轉(zhuǎn)模體的CT圖像中進(jìn)行QA計(jì)算，把得到的劑量信息以DICOM格式導(dǎo)入至VeriSoft分析軟件中，將實(shí)際劑量與QA計(jì)劃輸出的劑量進(jìn)行對(duì)比。與傳統(tǒng)方法相比，COMPASS和PTW OCTAVIUS 4D均可結(jié)合患者的解剖結(jié)構(gòu)提供更豐富的三維劑量信息并無角度依賴性。但是二者的轉(zhuǎn)動(dòng)依賴于角度傳感器，靈敏度要求非常高；而且兩者均比較耗時(shí)，在驗(yàn)證時(shí)不僅要安裝探測(cè)器，連接感應(yīng)器，采集信息，而且要通過軟件重建三維劑量信息，整個(gè)過程耗時(shí)通常＞30 min；PTW OCTAVIUS 4D質(zhì)量高達(dá)29 kg，搬移不方便；COMPASS系統(tǒng)的MatriXX及其附件質(zhì)量較重，加速器工作時(shí)除了要克服機(jī)架自身重力對(duì)等中心的影響外，MatriXX及其附件的質(zhì)量也是不容忽視的。

1.3.3 三維劑量的第三方軟件測(cè)量法

由于三維劑量測(cè)量的硬件設(shè)備價(jià)格較昂貴且工作效率不高等缺點(diǎn)，有研究者提出利用直線加速器的執(zhí)行記錄文件來得到實(shí)時(shí)的光柵葉片信息[36]，累計(jì)同一個(gè)照射野葉片位置信息可得到此照射野的輻射通量圖，用快速劑量計(jì)算模型計(jì)算出患者體內(nèi)的三維劑量分布，進(jìn)而和計(jì)劃劑量進(jìn)行對(duì)比[37-38]。他們把這個(gè)方法開發(fā)成產(chǎn)品，亦稱為第三方軟件劑量測(cè)量。常見的第三方軟件有MobiusFX和Mobius3D。MobiusFX和Mobius3D先進(jìn)的CCCS（Collapsed Cone Convolution/Superposition）算法，結(jié)合采集的運(yùn)行參數(shù)可精確地計(jì)算并驗(yàn)證治療劑量，其可在1 min完成患者治療計(jì)劃的驗(yàn)證。相對(duì)于半導(dǎo)體陣列、電離室陣列、膠片、EPID等，MobiusFX和Mobius3D可節(jié)省大量的時(shí)間并大幅提高工作效率。第三方軟件法雖然方便快捷，但通量圖的計(jì)算是依賴于加速器執(zhí)行記錄文件所記錄的光柵葉片的實(shí)時(shí)位置，而不是葉片的實(shí)際到位位置。如果執(zhí)行過程中發(fā)生螺桿松動(dòng)、葉片卡死、位置響應(yīng)的偏差，記錄的葉片位置將是不準(zhǔn)確的，從而導(dǎo)致通量圖以及劑量分布計(jì)算的不準(zhǔn)確。因此，基于第三方軟件劑量評(píng)估方法的可靠性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

2 結(jié)語

本文回顧了有關(guān)放射治療過程中使用的各種劑量驗(yàn)證方法及工具，其中電離室分辨率較低，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果模糊不清；EPID與膠片的密度和分辨率都較高，然而其絕對(duì)劑量測(cè)量能力、準(zhǔn)確性、重復(fù)性和均一性仍有待驗(yàn)證；三維劑量的半導(dǎo)體測(cè)量工具能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、可重復(fù)性的高分辨率測(cè)量，但三維模體劑量?jī)x價(jià)格均比較昂貴且維修不便；第三方軟件存在加速器記錄文件和實(shí)際硬件走位不一致問題，其可靠性仍存疑問。蒙特卡洛（MonteCarlo，MC）算法被認(rèn)為是放療劑量計(jì)算的金標(biāo)準(zhǔn)，而EPID可實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)葉片位置，因此希望結(jié)合MC和EPID共同用于劑量驗(yàn)證。首先使用MC算法對(duì)加速器機(jī)頭建模，然后模擬大量粒子真實(shí)的輸運(yùn)物理過程，同時(shí)用加速器自帶的EPID實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)葉片位置并算出當(dāng)前的劑量，最后用MC算法模擬計(jì)算出患者的三維劑量分布。此方法不需要價(jià)格昂貴的模體和劑量?jī)x，是未來努力的方向。

通常腫瘤患者在放療照射制作計(jì)劃前需要進(jìn)行CT成像，而部分患者體內(nèi)存在金屬植入物，金屬偽影會(huì)導(dǎo)致計(jì)算劑量分布與實(shí)際值產(chǎn)生嚴(yán)重偏差。高留剛和倪昕曄[39]對(duì)金屬偽影消除算法進(jìn)行了研究和討論，認(rèn)為金屬偽影校正對(duì)放療劑量準(zhǔn)確實(shí)施具有重要意義；另一方面，腫瘤患者在治療的不同時(shí)期接受放射治療，由于呼吸運(yùn)動(dòng)引起的靶區(qū)位移移動(dòng)較大，會(huì)造成較大的劑量偏差，因此呼吸運(yùn)動(dòng)在放射治療過程中應(yīng)引起重視，也就是說在劑量驗(yàn)證的同時(shí)，應(yīng)考慮不同時(shí)間段呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)劑量驗(yàn)證的影響，即四維劑量驗(yàn)證法。目前四維劑量驗(yàn)證法是基于剛體的驗(yàn)證，但是對(duì)患者靶區(qū)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)模擬不到位，其可靠性仍有待驗(yàn)證。關(guān)于四維劑量驗(yàn)證法的報(bào)道較少，未來希望在四維劑量驗(yàn)證工具上進(jìn)行深入探究。

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Tools and methods of intensity-modulated radiation therapy dose verification

Sui Jianfeng,Gao Liugang,Ni Xinye
Department of Radiation Oncology,the Second People's Hospital of Changzhou Affiliated to Nanjing Medical University,Changzhou 213003,China
Corresponding author:Ni Xinye,Email:nxy2000@aliyun.com

Intensity-modulated radiation therapy is widely used in the treatment of tumor,and the dose distribution highly conforms to tumor target area in three-dimension.However,the factors such as complex beam,data error,algorithm error and machine error may cause large dose deviation in intensity-modulated radiation therapy, which may lead to unnecessary radiation accident.Therefore,standing on the patients'safety point of view,dose verification is usually performed before executing the treatment plan in order to ensure the safe implementation of the treatment plan and to avoid un-planned irradiation dose.Currently,there are many tools and methods of dose verification in clinic,including point dose verification tools like finger-shaped ionization chamber and thermoluminescence dosimeter;two-dimensional dose verification tools like Mapcheck,MatriXX and films;threedimensional dose verification tools like ArcCHECK,Delta4 and the third-party software.These common clinical dose verification methods are reviewed in this paper.

Intensity-modulated radiation therapy;High conformity;Deviation;Dose verification

倪昕曄，Email：nxy2000@aliyun.com

10．3760/cma．j．issn．1673-4181．2016．01．011

江蘇省常州市社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目（CJ20130019）；江蘇省自然科學(xué)基金（BK20151181）

2015-10-25）