调强放射治疗(IMRT)是目前先进的放射治疗技术之一,能够提高肿瘤的局部控制率、减少正常组织的并发症、改善患者的生活质量,在国内外应用广泛。同时,在IMRT技术实施前也应该采取必要的质量控制过程。国外报道了由于IMRT给予剂量错误而导致的放疗事故^{[1, 2]}。因此,实施严格的质量控制剂量验证工作具有重要意义。

二维矩阵探测器作为剂量验证工具,具有携带方便、使用高效等优点,未来可能在我国 放疗机构中普及应用^[3]。国内不少医疗和检测机构已经引进了矩阵探测器,但存在技术人员在测量过程中不能正确地使用二维矩阵探测器的问题,更谈不上对其进行质量控制。目前为止,国内还没有相关机构对其开展系统全面的质量控制研究工作。鉴于此,参照IEC 60731-2011^[4]和JJG 912-2010^[5]中一些剂量学指标的要求,对二维电离室矩阵探测器进行深入研究,初步建立对其质量控制检测方法,为IMRT质量控制体系的建立提供技术基础。

1. 实验设备与材料

(1)二维电离室矩阵探测器:由二维矩阵平板、数据处理及转换器、配套八角模体及计算机数据分析系统组成。矩阵平板有效测量面积为27.0 cm×27.0 cm,有729个灵敏体积为0.125 cm³的柱型电离室,相邻电离室中心间距为10 mm,电离室有效测量中心距矩阵平板表面0.75 cm,数据采集、分析系统包括VeriSoft、Multicheck等模块。

(2)光子束照射装置:X射线为美国Varian 23EX(6、15 MV)和Trilogy(10 MV)医用直线加速器,两者年检各项指标符合国家标准要求;γ射线辐射场由中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所国家二级标准剂量学实验室提供。

(3)其他:选用经校准过的PTW放疗剂量仪及TW30013 0.6 cm³电离室(参考电离室),面积为30 cm×30 cm不同厚度的RW3固体水薄板,30 cm×30 cm×32 cm的标准水模等。

2. 实验方法

(1)放疗剂量仪及电离室的吸收剂量计算方式:根据IAEA TRS-277报告^[6],参考电离室测量水下吸收剂量:

计算出N_k·(1－g)·k_att·k_m·S_w,air·p_u·p_cel=0.972,将此因子输入到剂量仪中,则测量值即为水下吸收剂量值。

(2)电离室对加速器出束校准:对Varian 23EX 和Trilogy进行剂量出束校准,确保输出剂量准确。在源皮距100 cm、射野10 cm×10 cm的条件下,将0.6 cm³电离室放置标准水模电离室插孔内,使电离室的有效测量中心位于参考测量深度处,根据不同射线质对应百分深度剂量(PDD)曲线,将加速器在最大剂量点处校准为100 MU=100 cGy。

(3)二维电离室矩阵的摆位与校准:矩阵在出厂时,⁶⁰Co γ射线对矩阵中的729个电离室进行了水下吸收剂量校准,则测量值即为吸收剂量值,在此仅对其中心电离室进行校准即可完成整个矩阵的校准。将矩阵平板放在5.0 cm固体水上,使其有效测量中心点放置在固体水下5.0 cm射野中心轴上(图 1),源皮距 100 cm、射野10 cm×10 cm、出束200 MU的条件下,测量5次;将0.6 cm³参考电离室有效测量点放置在固体水下5.0 cm处,同样条件下测量5次。根据两者的测量值计算出参考电离室对矩阵中心电离室的校准因子为0.981,将此系数输入到矩阵的测量软件中,则以后测量结果即为校准过的吸收剂量。

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 二维矩阵的测量摆位图

3. 二维电离室矩阵的剂量学特性研究:参照IEC 60731中的一些放疗电离室的剂量学指标要求,对矩阵剂量学特性进行研究包括剂量测量重复性、剂量响应线性、剂量率依赖性、测量稳定性。由于矩阵包含729个电离室,在此也对矩阵电离室间剂量响应偏差进行研究。本实验选取电离室矩阵中心电离室作为主要研究对象。

(1)剂量测量重复性:剂量测量重复性是在相同测量条件下,短期内对同一射线质的输出剂量进行连续多次测量。6 MV X射线固体水下5.0 cm,10、15 MV X射线固体水下10.0 cm,采用源皮距100 cm、射野10 cm×10 cm、剂量率为300 MU/min、出束100 MU;⁶⁰Co γ射线下,测量时间为60 s。评估中心电离室重复性误差,采用变异系数S表征:

(2)剂量响应线性:剂量响应线性是在相同的测量条件下,对同一射线质的不同输出剂量进行测量。在源皮距100 cm、射野10 cm×10 cm、剂量率300 MU/min的条件下,加速器在不同能量的X射线下分别出束10、20、50、100、200和250 MU;⁶⁰Co γ射线下,源皮距80 cm、射野10 cm×10 cm,设定测量时间分别为5、10、20、50、80和100 s。

(3)剂量率依赖性:在加速器下使用不同输出剂量率对同一输出剂量的剂量测量。源皮距100 cm、射野10 cm×10 cm、剂量为200 MU,剂量率分别为100、200、300、400、500和600 MU/min对不同能量的X射线(6 MV X射线固体水下5.0 cm,10、15 MV X射线固体水下10.0 cm)进行测量。

(4)剂量测量稳定性:测量稳定性是剂量仪在某持续时间段内测量同一条件下获得的测量值的偏差。从2012年12月到2013年5月在⁶⁰Co γ射线下进行稳定性测量,采用射野20 cm×20 cm、源皮距80 cm的条件,每次数据收集时间为60 s,测量6次取平均值。

(5)矩阵电离室剂量响应一致性:矩阵平板中的电离室响应结果的一致性是矩阵的一个重要指标。选择加速器23EX的 6 MV X射线,源皮距100 cm、射野10 cm × 10 cm、出束100 MU、剂量率为300 MU/min的条件下,将二维矩阵平板放在固体水下5.0 cm处,读取距中心点2 cm处(矩阵中心点为O点,GT方向分别为G₁、G₂、T₁、T₂点,共5个点)的剂量值,AB方向的左方移动3个步阶(每个步阶间隔3 cm)A₁、A₂ 和A₃,分别记录O、G和T测量值;同样,测量出x方向的右方3个步阶B₁、B₂和B₃的O、G和T测量值。总共选取35个电离室,如图 2。

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 二维矩阵测量电离室的分布

1. 剂量测量重复性:测量重复性表示测量结果之间的一致性,是判断剂量仪性能好坏的一个重要剂量学指标。实验中矩阵分别在不同能量的光子束下测量6次,结果见表 1。根据表 1数据和公式(2)算出矩阵电离室在不同能量光子束下测量重复性均<0.3%,说明矩阵测量结果具有较好的一致性。

表 1(Table 1)

表 1 矩阵中心电离室重复性(Gy)

表 1 矩阵中心电离室重复性(Gy)

2. 剂量响应线性:剂量响应线性与测量精度有关,也是剂量仪的一个重要剂量学指标。在不同能量的X射线下,二维矩阵对不同输出量的测量结果见表 2;⁶⁰Co γ射线照射时,矩阵中心电离室在时间为5、10、20、50、80和100 s下测量值分别为0.079、0.152、0.304、0.759、1.220和1.525 Gy。 根据上述测量数据,对加速器预设值MU或矩阵测量时间设定值与测量值进行线性回归分析,用最小二乘法拟合做出线性图 3,4。在每个测量点处,由拟合曲线所得理论值与实测值的偏差均< 0.5%。

表 2(Table 2)

表 2 X射线照射时不同MU矩阵中心电离室的线性关系(Gy)

表 2 X射线照射时不同MU矩阵中心电离室的线性关系(Gy)

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 X射线下矩阵中心电离室剂量响应

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图 4 60Co γ射线下矩阵中心电离室剂量响应

3. 剂量率依赖性:二维矩阵在不同剂量率下的测量结果见表 3。 根据表 3,矩阵电离室在同一能量、不同剂量率下的测量结果最大偏差小于1%,剂量响应差异较小。以不同能量的X射线下的400 MU/min测量值 归一,得到矩阵中心电离室在不同剂量率下的相对测量结果,如图 5。

表 3(Table 3)

表 3 矩阵中心电离室剂量率响应线性关系(Gy)

表 3 矩阵中心电离室剂量率响应线性关系(Gy)

图 5(Figure 5)

Fig. 5

图 5 不同剂量率下矩阵电离室的相对响应偏差

4. 测量稳定性:测量性能指标是否稳定,决定其是否具有长期的测量可信度。以第一次测量⁶⁰Co源衰变因子归一,根据衰变系数和测量日期,换算出源衰变因子,测量值与修正值见表 4。从表 4得到矩阵电离室6个月内的8次测量值的平均值为0.219 5 Gy,以平均值归一,即(测量值-平均值)/平均值×100%,得到矩阵测量稳定性< 0.5%。

表 4(Table 4)

表 4 矩阵中心电离室稳定性测量

表 4 矩阵中心电离室稳定性测量

5. 二维电离室矩阵剂量响应一致性:二维矩阵具有729个电离室,在使用之前,需要对不同电离室的剂量响应一致性进行测量,从而得到矩阵电离室间剂量响应灵敏度差异,本实验选取了35个电离室进行测量,矩阵电离室测量响应偏差最大为0.81%(表 5)。

表 5(Table 5)

表 5 不同电离室剂量响应测量结果(Gy)

表 5 不同电离室剂量响应测量结果(Gy)

二维电离室矩阵探测器作为放疗剂量测量仪器,剂量测量重复性和响应线性是其中重要剂量学特性指标。矩阵在不同能量(⁶⁰Co、6、10和15 MV)光子束下测量重复性<0.3%,6个月的剂量测量稳定性< 0.5%,结果与Spezi等^[7]、Hussein等^[8]的研究结果基本一致;在不同能量X射线下出束10~ 250 cGy和⁶⁰Co γ射线下对矩阵进行了剂量响应线性测量,结果显示测量值与线性拟合理论值的偏差均<0.5%,国外学者也对矩阵研究得到了良好的线性关系^{[8, 9]}。因此,二维电离室矩阵探测器满足IEC报告和JJG 912-2010中对测量剂量仪的重复性、稳定性和线性的要求。

[JP+1] 由于IMRT治疗方案不同,应用加速器的输出剂量率有所不同,因此,对二维电离室矩阵在不同剂量率下的剂量响应一致性研究非常必要,结果发现最大偏差为0.87%;从实用角度来讲,二维矩阵的每个电离室剂量响应灵敏度应该一致,实验选取了35个电离室进行研究,测量偏差均<1%,考虑到加速器在高剂量率下电离室空腔中正负电子对复合效应、加速器出束的稳定性及同一批次电离室的加工、线路结构差异等原因,则矩阵电离室对剂量率依赖性较小,电离室间剂量响应灵敏度基本一致。

二维矩阵探测器具有使用方便、高效等优点,具有良好的应用前景。因此,正确地使用二维矩阵探测器,并建立一套对其质量控制检测方法,具有重要的现实意义。医疗机构工作人员可以根据检测方法在使用二维矩阵探测器之前,首先对其本身进行检测,掌握其特性,进而正确合理地将其应用到IMRT质量控制剂量验证工作中,真正发挥矩阵的作用。

本实验采用了一种二维矩阵探测器进行研究,发现其具有良好的剂量学特性;初步建立的对矩阵质量控制检测方法所使用的实验设备和材料均是医疗单位或研究机构容易获得的器材,而且方法简单、使用,具有可行性,为相关机构对其开展质量控制工作奠定了基础,也为放疗质控体系的建立提供 [LL]一些方法依据。但本实验只是针对一种型号的矩阵进行研究,研究结果有一定的局限性,以后将做更全面、深入的探讨。