超小體積腫瘤立體定向放療計(jì)劃的點(diǎn)劑量測量方法

陳元華 陸中杰

（浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院放射治療科 杭州 310003）

立體定向放射外科（SRS）通過對(duì)病變部位給予單次大劑量照射以達(dá)到外科手術(shù)類似的效果，大量研究肯定了它在治療良性和惡性病變［1-3］以及功能性疾病方面的臨床作用［4-5］。立體定向體部放療（SBRT）則對(duì)腫瘤施以很少幾個(gè)分次的大劑量照射來提升治療效果，其生物效應(yīng)與SRS類似［6］。相較于低分次劑量的放射治療模式，立體定向放射治療（SRT，包括SRS 和SBRT）在技術(shù)、生物以及臨床上均存在優(yōu)勢［7-11］。隨著直線加速器（LINACs）精度的顯著提高［12］，加上多種圖像引導(dǎo)技術(shù)的臨床應(yīng)用，放射治療的精確度也越來越高［13-14］。目前，基于直線加速器的立體定向放射治療在歐美國家已被廣泛應(yīng)用，在國內(nèi)的接受度也越來越高。

相較于常規(guī)放療（1.8～2.2 Gy/次），SRT 的主要特點(diǎn)是分次劑量很高，治療計(jì)劃在實(shí)施時(shí)存在更大的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，每一個(gè)SRT 計(jì)劃在執(zhí)行之前都必須通過劑量學(xué)驗(yàn)證［15］。而對(duì)于超小靶體積的SRT 計(jì)劃，需要執(zhí)行更加嚴(yán)格的質(zhì)控以確保治療安全有效地實(shí)施。

絕對(duì)點(diǎn)劑量的測量是放療計(jì)劃劑量學(xué)驗(yàn)證的重要項(xiàng)目，但目前針對(duì)超小靶體積的點(diǎn)劑量測量卻存在一些困難。第一，點(diǎn)劑量測量的前提是電離室探頭的靈敏體積相對(duì)于靶體積要小到足以將其視為一個(gè)點(diǎn)。對(duì)于靶區(qū)等效球體直徑小于3 cm的病例，不宜再使用標(biāo)準(zhǔn)電離室進(jìn)行測量。第二，微型電離室具備較好的點(diǎn)特性，但其信噪比低、穩(wěn)定性較差，而且國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室一般也不提供微型電離室的校準(zhǔn)因子。本研究旨在確立一個(gè)穩(wěn)定且準(zhǔn)確的超小靶體積點(diǎn)劑量測量方法。

1 設(shè)備與方法

1.1 計(jì)劃案例

實(shí)際臨床中超小靶體積SRT 在所有SRT 病例中所占比率較小，本研究共包括10 個(gè)相關(guān)的計(jì)劃案例，每周測量一個(gè)，共延續(xù)10 周。將案例按時(shí)間先后順序進(jìn)行編號(hào)，10 個(gè)計(jì)劃的計(jì)劃靶體積（PTV）參數(shù)如圖1所示。PTV體積最小值為2.03 cm3，中位值為3.86 cm3，平均值為5.45 cm3，最大值為12.10 cm3；PTV 等效球直徑最小值為1.60 cm，中位值為1.95 cm，平均值為2.09 cm，最大值為2.80 cm。所有臨床計(jì)劃和驗(yàn)證計(jì)劃均由Eclipse 計(jì)劃系統(tǒng)（TPS）設(shè)計(jì)。

圖1 所選10個(gè)測量案例的PTV體積及其等效球直徑分布Fig.1 Distribution of PTV volumes and their equivalent sphere diameters for the 10 selected cases

1.2 驗(yàn)證設(shè)備

驗(yàn)證設(shè)備包括4 個(gè)部分，如圖2 所示。圖2（a）為SuperMAXTM參考級(jí)獨(dú)立雙通道靜電計(jì)：可獨(dú)立控制量程、偏置電壓和系統(tǒng)因子，測量量程0.001 pA～0.500 μA，0.001 pC～1.000 mC，具備觸摸屏界面和一系列高級(jí)測量功能。該靜電計(jì)的讀數(shù)可以顯示為電荷量，也可以顯示成吸收劑量。本研究中靜電計(jì)讀數(shù)顯示為電荷量，計(jì)量院給出的吸收劑量校準(zhǔn)因子為NC。圖2（b）為Exradin A19 典型標(biāo)準(zhǔn)指形電離室：有效電荷收集體積0.620 cm3，探頭長度2.62 cm，包殼外徑0.71 cm，內(nèi)徑0.61 cm，厚度0.05 cm，中心電極長度1.30 cm，直徑0.10 cm。A19 電離室使用方便，劑量測量時(shí)的擾動(dòng)小。圖2（c）為Exradin A16 微型電離室：有效電荷收集體積0.007 cm3，探頭長度0.35 cm，包殼外徑0.34 cm，內(nèi)徑0.24 cm，厚度0.05 cm，中心電極長度0.17 cm，直徑0.03 cm。A16 微型電離室可以測量的最小射野面積可達(dá)0.34 cm×0.34 cm，非常適合超小靶體積SRT計(jì)劃的點(diǎn)劑量測量。圖2（d）為立體定向劑量驗(yàn)證模體：由3塊水等效藍(lán)水模體構(gòu)成，密度1.09 g/cm3，總重4.40 kg，整體尺寸20 cm×20 cm×10 cm。中間的電離室板鉆有一個(gè)空腔，把與微型電離室或標(biāo)準(zhǔn)電離室適配的插件插入空腔，可以將電離室探頭準(zhǔn)確置于模體的正中心。該模體精巧輕便，便于搬運(yùn)、擺位和精確測量。

圖2 點(diǎn)劑量測量設(shè)備：(a)靜電計(jì)；(b)A19指形電離室；(c)A16微型電離室；(d)立體定向劑量驗(yàn)證模體Fig.2 Point dose measuring equipment:(a)superMAX electrometer;(b)A19 farmer chamber;(c)A16 micro chamber;(d)stereotactic dose verification phantom

1.3 驗(yàn)證準(zhǔn)備

預(yù)先對(duì)插有A16 微型電離室及套管（圖1（b））的立體定向模體（圖1（d））實(shí)施CT模擬掃描。掃描時(shí)“鉛點(diǎn)”貼在模體左、右及上表面的白色十字線交叉點(diǎn)上，用于確定CT影像上的參考等中心。模體CT影像按0.1 cm層厚重建后導(dǎo)入計(jì)劃系統(tǒng)，在計(jì)劃系統(tǒng)中勾畫出模體外輪廓Body和電離室的靈敏體積Chamber，同時(shí)在CT 影像上確定參考等中心點(diǎn)ISO。驗(yàn)證計(jì)劃創(chuàng)建時(shí)僅需在TPS中將原計(jì)劃CT替換成模體CT影像并完成劑量計(jì)算，然后記錄計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算出的Chamber的平均劑量DTPS。

1.4 交叉校準(zhǔn)

在交叉校準(zhǔn)測量方法用于實(shí)際臨床測量前，要確保標(biāo)準(zhǔn)電離室跟微型電離室在它們公共有效測量射野范圍內(nèi)有良好的線性。將微型電離室和標(biāo)準(zhǔn)電離室插入圖1（d）藍(lán)水模體中分別進(jìn)行射野線性和劑量線性測量。射野線性在源皮距（SSD）為100 cm，射野大小分別為1 cm×1 cm、2 cm×2 cm、…、10 cm×10 cm 條件下出束100 MU 進(jìn)行測量。劑量線性在SSD為100 cm，射野大小10 cm×10 cm 條件下，分別出束100 MU、300 MU、500 MU、700 MU、900 MU和1 100 MU進(jìn)行測量。

所有測量均在靜電計(jì)開機(jī)預(yù)熱15 min后進(jìn)行，交叉校準(zhǔn)條件為SSD 為100 cm，射野大小10 cm×10 cm，出束100 MU。本底收集并歸零后先出束100 MU，但不記錄數(shù)據(jù)。然后用標(biāo)準(zhǔn)電離室和微型電離室分別進(jìn)行3次測量，記錄數(shù)據(jù)并用3次結(jié)果的平均值來計(jì)算交叉校準(zhǔn)因子（Crosscalibration factor，F(xiàn)cc）。Fcc的計(jì)算公式如式（1）。

式中：MˉStd是標(biāo)準(zhǔn)電離室讀數(shù)的平均值；Mˉmicro是微型電離室讀數(shù)的平均值。

1.5 絕對(duì)點(diǎn)劑量測定及誤差計(jì)算

本研究中所有超小腫瘤臨床SRT 計(jì)劃的點(diǎn)劑量都用微型電離室來測量。測量完成后記錄靜電計(jì)的讀數(shù)Mmicro，然后通過實(shí)時(shí)交叉校準(zhǔn)因子Fcc將微型電離室的讀數(shù)Mmicro換算成標(biāo)準(zhǔn)電離室的讀數(shù)MStd。最后再通過標(biāo)準(zhǔn)電離室的絕對(duì)劑量校準(zhǔn)因子NC計(jì)算出模體內(nèi)選定點(diǎn)的絕對(duì)吸收劑量DStd，并計(jì)算計(jì)劃系統(tǒng)給出的理論值DTPS與實(shí)際測量值Dstd之間的劑量偏差ED。具體計(jì)算公式定義如（2）～（4）式。

最后，用所有10 周Fcc的平均值（），對(duì)各周的絕對(duì)點(diǎn)劑量（D'std）及其對(duì)應(yīng)的劑量誤差（E'D）進(jìn)行重新計(jì)算，并與之前的實(shí)時(shí)測量結(jié)果進(jìn)行比較分析，具體公式如（5）～（7）式。

2 結(jié)果

同一較短測量時(shí)段內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)電離室和微型電離室的劑量線性如圖3（a）所示。標(biāo)準(zhǔn)電離室測量值的線性擬合優(yōu)度R2=1，而微型電離室測量值的線性擬合優(yōu)度R2=0.998，二者均具有很好的劑量響應(yīng)線性。圖3（b）顯示的是SSD 為100 cm、機(jī)器跳數(shù)為100 MU條件下，標(biāo)準(zhǔn)電離室和微型電離室的讀數(shù)與方形照射野邊長之間的關(guān)系（數(shù)據(jù)已用各自10 cm×10 cm射野讀數(shù)歸一化）?？梢钥吹剑湟懊娣e減小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電離室和微型電離室的讀數(shù)均會(huì)隨之下降，當(dāng)方形射野的邊長小于3 cm 時(shí)，二者讀數(shù)會(huì)顯著下降。當(dāng)射野邊長等于2 cm和1 cm 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)電離室（A19）的讀數(shù)分別下降到其10 cm×10 cm 射野條件下讀數(shù)的66.37%和31.31%，而微型電離室（A16）的讀數(shù)分別下降到其10 cm×10 cm 射野讀數(shù)的34.92%和2.95%。圖3（c）顯示的是Fcc與方形照射野邊長之間的關(guān)系。方形射野的邊長在3～10 cm時(shí)，F(xiàn)cc穩(wěn)定在0.082 4±0.000 3，而當(dāng)射野邊長小于3 cm 時(shí)，F(xiàn)cc急劇增加。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)電離室和微型電離室的(a)劑量線性、(b)射野線性以及(c)標(biāo)準(zhǔn)電離室和微型電離室之間的Fcc線性Fig.3 (a)Dose linearity and(b)field output linearity of the farmer chamber and the micro chamber,and(c)linearity of Fcc between the farmer chamber and the micro chamber

在延續(xù)10 周的較長時(shí)段內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)電離室和微型電離室在SSD 為100 cm、射野大小10 cm×10 cm、加速器跳數(shù)為100 MU條件下，3次測量讀數(shù)平均值的時(shí)間穩(wěn)定性如圖4（a）所示，圖中數(shù)據(jù)已用平均值進(jìn)行歸一化處理?？梢钥吹诫S著時(shí)間的推移，標(biāo)準(zhǔn)電離室讀數(shù)始終在其平均值±1%以內(nèi)；而微型電離室的讀數(shù)有4/10超出其平均值±3%，5/10 超出其平均值±2%。10 周時(shí)間內(nèi)按均值歸一化的Fcc如圖4（b）所示，可以看到Fcc有4/10超出其平均值±3%，其偏差主要受微型電離室讀數(shù)波動(dòng)性的影響。以實(shí)時(shí)Fcc和計(jì)算出的絕對(duì)劑量誤差分布如圖4（c）所示，用實(shí)時(shí)Fcc計(jì)算出的絕對(duì)點(diǎn)劑量偏差ED均在±3%以內(nèi)，且有8/10不超出±2%。而用計(jì)算出的結(jié)果E'D則有2/10 超出±3%，僅5/10在±2%內(nèi)。

圖4 (a)標(biāo)準(zhǔn)電離室和微型電離室的時(shí)間穩(wěn)定性；(b)Fcc隨時(shí)間的波動(dòng)性；(c)實(shí)時(shí)Fcc和Fcc計(jì)算出的點(diǎn)劑量誤差分布Fig.4 (a)Temporal stability of the farmer chamber and the micro chamber；(b)Fluctuation of Fccover time;(c)point dose error distribution calculated using real-time Fccand mean Fcc

3 討論

對(duì)于體積較大的腫瘤，為了保護(hù)正常組織，一般采用單次劑量1.8～2.2 Gy 的常規(guī)劑量照射［16］。對(duì)于體積較小的腫瘤，采用低分次大劑量照射（單次劑量5 Gy 以上），可以在提高腫瘤控制率的同時(shí)，增強(qiáng)對(duì)腫瘤周圍正常組織的保護(hù)。需要注意的是，針對(duì)超小體積的腫瘤，由于受到小野測量的限制［17-19］，大多數(shù)放療中心的計(jì)劃系統(tǒng)針對(duì)小野的劑量計(jì)算模型都不夠準(zhǔn)確。因而，如果開展超小體積腫瘤放療，則放療前的臨床計(jì)劃驗(yàn)證對(duì)放療安全和劑量評(píng)估都必不可少。

為了獲得更好的生物效應(yīng)，SRT的單次劑量都在6 Gy 以上。更高的單次劑量伴隨著更高的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，所以從這個(gè)角度來講，SRT計(jì)劃在用于臨床治療之前也必須要完成嚴(yán)格的劑量學(xué)驗(yàn)證。劑量學(xué)驗(yàn)證旨在確保實(shí)際投照到患者體內(nèi)的真實(shí)空間劑量與計(jì)劃系統(tǒng)理論計(jì)算的空間劑量之間的偏差在規(guī)定的容差范圍之內(nèi)。在臨床實(shí)踐中，用單一設(shè)備測量絕對(duì)空間劑量難以實(shí)現(xiàn)，通常會(huì)用一維絕對(duì)點(diǎn)劑量配合二維相對(duì)面劑量或三維相對(duì)體劑量來間接測量。對(duì)于SRT 計(jì)劃，絕對(duì)劑量驗(yàn)證和相對(duì)劑量驗(yàn)證均應(yīng)進(jìn)行，即使有研究報(bào)道指出膠片劑量計(jì)可以測量二維絕對(duì)面劑量［16，20］，但因其結(jié)果會(huì)受到很多因素的影響，仍不宜完全取代絕對(duì)點(diǎn)劑量測量。

標(biāo)準(zhǔn)指形電離室是測量絕對(duì)點(diǎn)劑量的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，不僅信噪比高、性能穩(wěn)定，而且可以定期送往國家標(biāo)準(zhǔn)劑量實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)。由圖3（b）可知，當(dāng)方野邊長大于3 cm 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)指形電離室都可以準(zhǔn)確測出模體內(nèi)的劑量。因而，對(duì)于等效球體直徑大于3 cm 的腫瘤，仍推薦采用標(biāo)準(zhǔn)指形電離室進(jìn)行絕對(duì)劑量測量，因?yàn)橹苯佑脴?biāo)準(zhǔn)電離室測量操作更加方便。對(duì)于等效球體直徑小于3 cm的腫瘤的點(diǎn)劑量測量，標(biāo)準(zhǔn)指形電離室已不再適用，采用微型電離室更為恰當(dāng)。然而，在放療中這類腫瘤病例并不常見，因此，本研究經(jīng)過長期累積僅得到10 例腫瘤等效球體直徑小于3 cm 的樣本。

為解決微型電離室信噪比低、波動(dòng)性大的問題，本研究提出了實(shí)時(shí)交叉校準(zhǔn)的絕對(duì)劑量測量方法，以期通過實(shí)時(shí)Fcc將波動(dòng)性較大的微型電離室讀數(shù)“錨定”到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)電離室讀數(shù)，從而提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以消除微型電離室不穩(wěn)定對(duì)測量結(jié)果的影響，從而提高劑量測量精確性和穩(wěn)定性，而缺點(diǎn)則是每次測量都需要實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，相對(duì)來講，操作更加繁瑣，劑量測定所需的時(shí)間相對(duì)更長。

測量時(shí)模體擺位誤差可能會(huì)對(duì)測量結(jié)果帶來一定影響，而該影響可通過CBCT圖像引導(dǎo)擺位來消除。本研究中10 個(gè)病例在不同時(shí)間實(shí)施測量，但鑒于所用模體本身及其擺位參考線的精度很高，并且每次測量前均對(duì)加速器機(jī)房的激光燈進(jìn)行校準(zhǔn)，所以擺位對(duì)測量結(jié)果的影響可以忽略。故此，本研究并沒有每次都進(jìn)行CBCT擺位校正，這種做法也與大多數(shù)放療中心的常規(guī)操作一致。

由于電離室靈敏體積的關(guān)系，尤其是在測量小靶區(qū)的點(diǎn)劑量時(shí)，電離室所在截面的靶區(qū)面積大小對(duì)測量結(jié)果會(huì)有一定的影響。標(biāo)準(zhǔn)電離室靈敏體積的長度為2.62 cm，當(dāng)方野邊長小于3 cm時(shí)，其測量結(jié)果已經(jīng)不能反映模體中的真實(shí)劑量。實(shí)際測量時(shí)，電離室所在層面的腫瘤靶區(qū)橫截面至少需要完全覆蓋電離室探頭的靈敏體積，而腫瘤靶區(qū)橫截面的最大值可以用靶區(qū)的等效球體直徑來間接表征，本研究建議等效球體直徑小于3 cm 的所有病例都采用微型電離室實(shí)施測量。故此，如圖1所示，本研究中所有病例也都是參照靶區(qū)的等效球體直徑而非體積來選取的。用微型電離室測量時(shí)，對(duì)最終結(jié)果影響最大的就是電離室本身的穩(wěn)定性。而通過實(shí)時(shí)交叉校準(zhǔn)消除該因素的影響正是本研究的初衷。

放療計(jì)劃執(zhí)行所采用的技術(shù)（如IMRT、3DCRT、VMAT）以及測量點(diǎn)相對(duì)于射野中心的偏移量會(huì)對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。但本研究主要聚焦于超小靶區(qū)點(diǎn)劑量測量設(shè)備的適用性和測量方法合理性，所以放療計(jì)劃執(zhí)行技術(shù)對(duì)測量結(jié)果的影響不在本研究的范圍之內(nèi)。另外，該影響并非僅僅作用于微型電離室，常規(guī)靶區(qū)點(diǎn)劑量測量所采用的標(biāo)準(zhǔn)指形電離室也同樣會(huì)面對(duì)該影響，即不同計(jì)劃執(zhí)行技術(shù)下，測量的結(jié)果可能存在差異，但只要測量設(shè)備合適且測量規(guī)程恰當(dāng)，其結(jié)果都是對(duì)放療劑量的正確評(píng)估，差異來源于放療執(zhí)行技術(shù)而非劑量測量設(shè)備跟測量方法。由于微型電離室的靈敏體積非常小，靶區(qū)劑量的非均勻性以及體積平均效應(yīng)對(duì)測量結(jié)果的影響很小，所以，驗(yàn)證計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)通常將測量點(diǎn)就設(shè)置在射野中心的位置。即使二者不重合，由于本方法所針對(duì)的靶區(qū)的等效球直徑均小于3 cm，靶區(qū)內(nèi)的測量點(diǎn)也不會(huì)明顯偏離射野中心太遠(yuǎn)，所以測量點(diǎn)相對(duì)于射野中心的偏移量對(duì)結(jié)果的影響也可忽略。

如圖3 所示，對(duì)于同一個(gè)較短的測量時(shí)段來看，標(biāo)準(zhǔn)電離室和微型電離室都具有很好的劑量線性，而且在邊長為3～10 cm的方形射野下，二者讀數(shù)的比值穩(wěn)定為一個(gè)常數(shù)。當(dāng)射野邊長小于3 cm 時(shí)，由于體積平均效應(yīng)、源阻塞效應(yīng)以及失去側(cè)向電子平衡等因素，會(huì)導(dǎo)致射野中心軸上的信號(hào)減少、射野輸出因子明顯下降。微型電離室測量的是射野中軸上的很小一點(diǎn)，而標(biāo)準(zhǔn)電離室測量的是該點(diǎn)及其外部的較大區(qū)域，所以標(biāo)準(zhǔn)電離室測量數(shù)據(jù)明顯偏大，從而導(dǎo)致Fcc在射野邊長由3 cm降到1 cm時(shí)急劇增加。射野邊長小于3 cm時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)電離室不再適用，所以交叉校準(zhǔn)要在邊長大于3 cm 的射野下進(jìn)行，建議射野邊長10 cm。另外，建議校準(zhǔn)測量點(diǎn)位于等效水模體表面一下5 cm 處，使之與加速器初始絕對(duì)劑量標(biāo)定以及月度質(zhì)控時(shí)絕對(duì)劑量測定點(diǎn)的深度保持一致。電離室的劑量線性和射野線性僅需初次使用交叉校準(zhǔn)方法前進(jìn)行驗(yàn)證，若無異常，后續(xù)使用中無需重復(fù)執(zhí)行。

從圖4（a）可以看到，標(biāo)準(zhǔn)電離室的長期穩(wěn)定性很好，讀數(shù)波動(dòng)在±1%以內(nèi)，而微型電離室的波動(dòng)可高達(dá)5%。微型電離室的波動(dòng)主要源自漏電流和噪聲，其中的噪聲影響更難以消除，而通過實(shí)時(shí)Fcc方法可以同時(shí)消除二者的影響［21-22］。基于實(shí)時(shí)Fcc的測量方法更準(zhǔn)確，更利于患者治療順利進(jìn)行。通過圖4（c）也可以看到，用實(shí)時(shí)Fcc計(jì)算出的點(diǎn)劑量誤差普遍更小、更準(zhǔn)確。用——Fcc計(jì)算的點(diǎn)劑量誤差有可能會(huì)超出3%容差范圍，且該結(jié)果并不能有效反映真實(shí)情況。因此不建議使用某幾次Fcc的平均值甚至是某一次的Fcc值作為常量應(yīng)用到交叉校準(zhǔn)測量方法中，以避免測量結(jié)果超出閾值而導(dǎo)致重新計(jì)劃設(shè)計(jì)等一系列非必要的重復(fù)工作。