2021, Vol. 41
近年来，立体定向放射外科(SRS)、立体定向放射治疗(SRT)已成为小体积肿瘤局部治疗的主要手段之一[1]。然而，这些技术涉及的小野剂量学依然具有挑战性[2]。本研究使用的Exradin W1塑料闪烁体探测器制作材料为聚乙烯苯，其敏感体积小、水等效等特点使这类探测器在小射野的剂量测量中具有独特的优势[3-4]。塑料闪烁体探测器也存在缺点，其中光信号传导光纤受高能射线照射时产生的切伦科夫光对结果的干扰被讨论已久，目前基于光谱法可以去除切伦科夫光的影响[5]；此外，W1系统中的光电转换模块对辐射较为敏感，测量过程中可能会引入噪声[6]。目前尚未有研究针对该影响进行系统性的讨论，因此本研究对Exradin W1塑料闪烁体探测器系统在测量SRT计划中放疗工作环境辐射引起的噪声进行了评估，并试验了一种简单消除环境辐射影响的方法。
材料与方法1.设备材料：Exradin W1塑料闪烁体探测器尺寸为1 mm × 3 mm，敏感体积为0.002 cm3，材料为聚乙烯苯，红色固体水尺寸为30 cm × 30 cm(美国Gammex公司)，厚度分别10、20、30、50和60 mm，Exradin W1探测器、Stereotactic Dose Verification Phantom(SDVP)、Exradin A19 Farmer-type电离室、Exradin A16小空气电离室以及SuperMax静电仪均出自美国Standard Imaging公司。如图 1所示，信号屏蔽使用的铅块采用自制规格为15 cm × 15 cm × 1.5 cm的正方体低熔点铅外壳，屏蔽条件下测量时直接将挡铅外壳罩在闪烁体探测器的光电组件上方。低熔点铅对6 MV高能光子X射线衰减率[7]，经电离室测量时，15 mm厚度的低熔点铅可将6 MV主射线透射量减少50%，应能有效减少部分穿过模体的主射线以及其他散射成分对光电组件的干扰。
E xradin W1闪烁体探测器主要组成部件如图 1所示，包括闪烁体探测器、光电组件以及Super Max静电计。闪烁体探测器通过光纤连接至光电组件，光电组件尺寸为80 mm×46 mm×30 mm，外面由铝壳包裹可减少部分辐射对其产生的影响，其绿色通道和蓝色通道通过三轴电缆连接至双通道Supermax静电计，测量时将探测器置于模体中并摆放至射野等中心，光电组件及静电计置于治疗床尾。
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A. 未屏蔽的光电二极管；B. 增加屏蔽的光电二极管； C. SuperMax静电计；D. 光电二极管；E. 塑料闪烁体探测头 图 1 W1测量系统与屏蔽示意图 A. Photodiode without in-house made lead shield; B. Photodiode with lin-house made lead shield; C. SuperMax electrometer; D.Photodiode; E. Plastic scintillator Figure 1 W1 system and in-house made lead shield for photodiode |
闪烁体探测器系统的校准和实际测量均在Varian EDGE医用直线加速器(美国瓦里安公司)6 MV X非均整(FFF)光束下进行，剂量率为1 400 MU/min。放疗计划采用Varian Eclipse计划系统进行设计，剂量算法使用AcuroXB v.13.5。
2.闪烁体探测器测量系统校准：根据厂商提供的基于Guillot等[8]研究的校准方法对Exradin W1闪烁体探测器测量系统进行使用前校准，包括确定切伦科夫系数(CLR)以及绝对剂量校准系数Gain。，根据光谱法将闪烁体探测器信号分为绿色通道(即通道1，主要为闪烁信号)以及蓝色通道(即通道2，大部分为切伦科夫光信号)[8]。首先在40 cm × 40 cm场照射下将光纤分别放置为最长和最短方式，在源皮距100 cm下进行200 MU照射，记录绿色通道读数分别为SC1max40和SC1min40，蓝色通道读数为SC2max40和SC2min40，CLR系数即可由式(1)确定：
| $ CLR = \frac{{SC{1_{\max 40}} - SC{1_{\min 40}}}}{{SC{2_{\max 40}} - SC{2_{\min 40}}}} $ | (1) |
CLR值确定后即可进行相对剂量测量。若进行绝对剂量测量，还需取得Gain值。使用SDVP模体，在10 cm×10 cm参考射野下通过已知Nk值的Exradin A19电离室的读数可得等中心处100 MU绝对剂量的数值并记录为DoseAbsRef；使用Exradin W1在参考射野下照射100 MU并记录两通道数值分别为SC1Ref和SC2Ref，则Gain值以及绝对剂量可由式(2)和式(3)确定：
| $ Gain = \frac{{{\rm{ }}Dos{e_{{\rm{AbsRef}}}}}}{{SC{1_{{\rm{Ref}}}} - SC{2_{{\rm{Ref}}}} \times CLR}} $ | (2) |
| $ Dose = Gain \times (SC1 - SC2 \times CLR) $ | (3) |
CLR和Gain共同组成计算绝对剂量所需的基准。为研究放疗工作环境辐射的影响，本研究在屏蔽和不屏蔽光电二极管的条件下分别测量了屏蔽基准和无屏蔽基准，用于后续实验。
3. 梯度开放方形射野测量：已有研究用均整射野(FF)证实光电二极管内信号受散射线影响，影响大小与到散射源的距离有关[6]。本研究采取类似方法研究高剂量率的非均整射野对光电二极管的影响。
本研究将光电二极管放置于距离等中心0.5、1.0和1.5 m位置，在每个位置使用6 MV X射线FFF模式(剂量率1 400 MU/min)分别进行面积为3 cm × 3 cm至20 cm × 20 cm梯度变化的方形开放野照射，射野仅由钨门定义射野大小，每个射野进行200 MU照射并重复测量3次，记录相对剂量读数为非屏蔽组照射数据。为光电二极管增加铅块进行噪声屏蔽，重复以上照射，记录相对剂量读数为屏蔽组照射数据。
4.非共面弧的影响：研究使用SDVP模体。用飞利浦大孔径CT(荷兰飞利浦公司)扫描模体图像并上传至Eclipse v.13.5计划系统(美国瓦里安公司)中，所有勾画与计划设计均在Eclipes计划系统中进行。为测量非共面射野对光电二级管组件产生的影响，设计并勾画直径为1 ~10 cm共10个球形计划靶区(PTV)进行容积旋转调强(VMAT)计划照射，计划均采用6 MV X射线FFF模式，治疗床旋转90°，0°~179.9°的非共面单弧。测量时为最小化散射线影响，将光电组件摆放在距离等中心1.5 m位置，每个射野重复测量3次。为更加准确地测量仅噪声带来的误差，除在屏蔽的基准屏蔽测量与无屏蔽的基准无屏蔽测量外，增加屏蔽基准下无屏蔽条件的测量。
5.临床治疗计划测量：为验证在实际临床计划中光电二极管噪声对点剂量测量的影响，实验共选择10例PTV体积为30~200 cm3的临床SRT计划，分别使用A16小空气电离室以及W1探测器在相同条件下测量点剂量。计划均采用6 MV X射线FFF模式，VMAT照射技术，0°和90°两个治疗床角度。测量时将光电二极管摆放至距离等中心1.5 m处，并对同一验证计划分别在屏蔽或无屏蔽条件下采用对应的基准进行测量并记录静电仪数据，每个计划重复测量3次以减少误差，最后将W1闪烁体探测器测量值与TPS计算值、A16小空气电离室测量值进行比较，并计算误差平均值及标准差。
6.统计学处理：记录临床SRT计划测量光电二极管在屏蔽与无屏蔽情况下与TPS计算结果以及A16小空气电离室测量结果的相对误差。采用SPSS 16.0软件，对差值进行正态分布检验，若符合正态分布使用配对样本t检验分析；若不符合则使用Wilxcon符号秩和检验分析。P＜0.05为差异有统计学意义。
结果1.梯度方形射野照射：光电二极管在距等中心不同位置下对不同大小射野产生的噪声效应如图 2所示。当使用自制挡铅屏蔽光电二极管时，W1探测器的响应不受射野大小与距离的影响，因此可认为自制档铅可有效屏蔽光电二极管的噪声效应；当不屏蔽光电二极管时，W1探测器的噪声与距离和射野大小有关，噪声随光电二极管与射野等中心的距离减少或射野面积的增大不断增加，其中当光电二极管距离等中心50 cm时噪声效应占比最小值为0.50%，最大值为1.44%；在光电二极管距离等中心100 cm时噪声效应占比最小值为0.21%，最大值为0.62%；在光电二极管距离等中心150 cm时，噪声效应占比最小值为0.1%，最大值为0.51%。因此在本研究后续实验中，为模拟实际测量时尽量减少光电二极管的噪声效应，将光电二极管距离放置在等中心150 cm位置进行测量。
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A. 屏蔽时相对剂量测量；B. 未屏蔽时相对剂量测量 图 2 屏蔽及光电组件与等中心距离对梯度方形射野测量影响 A. Measurement with shielded photodiode; B. Measurement with unshielded photodiode Figure 2 The effect of lead shield and distance between photodiode and isocenter on dose measurement of square fields with gradient size |
2.非共面弧照射：为研究把噪声纳入基准计算后是否会降低噪声干扰进行了虚拟PTV非共面弧照射。如图 3所示，分别测量了在使用屏蔽基准且无铅块屏蔽下噪声占比以及使用无屏蔽基准在无挡铅屏蔽下噪声占比。使用屏蔽基准+无屏蔽测量时，相应的噪声信号占总信号的2.97%~4.16%；而使用无屏蔽基准+无屏蔽测量时对应的噪声信号占比为1.64%~2.78%。同时图 3显示了两种不同测量条件下噪声信号占总信号比的大小与虚拟PTV直径大小之间的关系。如图所示，随PTV直径的增大，两种噪声信号均不断上升，至PTV直径为10 cm时达到最大。
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图 3 两种不同测量条件下非共面弧计划测量的噪声效应 Figure 3 Noises of non coplanar arc plan under different measure conditions |
3.光电二极管噪声效应对临床计划测量的影响：如图 4展示了10例临床SRT计划分别在屏蔽和无屏蔽测量下的验证结果，并统计分析了W1闪烁体探测器实际测量剂量与TPS计算剂量以及A16小空气电离室测量值之间的差值。在屏蔽前W1闪烁体探测器测量剂量与TPS计算结果平均差值为(1.39±1.05)%，与A16小空气电离室测量值平均差值为(1.22±1.56)%；而屏蔽后结果分别下降至(0.59±1.03)%及(0.42±1.42)%，与TPS或A16的结果差值明显减少(图 4)，差异具有统计学意义(屏蔽前后与TPS相比: t=-5.343，P＜0.05；屏蔽前后与A16相比: t=-5.414，P＜0.05)。
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A.与TPS计算值相对误差；B.与A16测量值相对误差 注：屏蔽组与无屏蔽组比较，at=-5.343、-5.414，P＜0.05 图 4 两种测量条件下相同临床VMAT SRT计划验证的相对误差 A. TPS results; B. A16 measurements Figure 4 Difference between clinical VMAT SRT plan verification under different measure conditions |
讨论
立体定向放射治疗作为近年来发展迅速的先进放疗技术，具有集中靶区剂量并减少危及器官辐射伤害等诸多优点，已成为脑转移瘤、早期肺癌以及无法手术肿瘤的主要治疗手段之一。SRT计划单次照射剂量大，照射次数较少，因此需要准确的绝对剂量验证作为临床SRT计划的质量保证[9]。Exradin W1为目前市面上可用于放射治疗质量控制的商用塑料闪烁体探测器，已有研究对该探测器做出了完善的评价[3-4]，认为其具有相比二极管和空气电离室等传统剂量设备具有更好的剂量学特性，如良好的水等效性以及更小的敏感体积，是小射野剂量学理想的测量设备。然而W1所需附件光纤及光电转换模块在某些情况下可能会影响测量的准确度。关于光纤产生的切伦科夫光效应光谱法可以有效解决[5]；但是对于光电组件产生的噪声效应研究较为缺乏，光电二极管是塑料闪烁体探测器的光信号收集及转换组件[10]。本研究系统性地讨论了光电组件在实际测量中的影响，并尝试了一种简易但有效的处理办法。
首先，共面照射时，6 MV X射线FFF模式的高剂量率条件下的结果与Koniarová等[11]使用均整射野的结果相似，实际测量中将光电转换模块置于被照射物体1.5 m以上，如治疗床尾，对其噪声对测量的影响可以忽略。其次，非共面弧射野(如转床90°)由于部分主射线可能穿过被照物体后直射光电二极管，加上主射线方向的散射线，总强度较侧向散射线高得多，因此模块自带的屏蔽以及1.5 m的距离依然不足以消除放疗工作环境辐射的影响。非共面照射试验中无屏蔽基准组的结果显示，即使将噪声效应纳入基准的计算，实际测量时仍会产生不低于1.64%的噪声信号，并随虚拟PTV直径的增加而不断增加；而不将噪声效应纳入基准计算，并对无屏蔽的非共面弧射野进行实际测量时会产生最大4.16%的误差，因此将噪声效应纳入基准计算可以减小但不能完全消除噪声。
在实际的临床SRT计划验证中，光电二极管噪声效应将被共面成分平均而变小，同时使用无屏蔽基准将噪声效应纳入基准计算从而减小噪声影响，但在本研究中无屏蔽下测量值仍然明显高于有屏蔽下测量数据。实际临床SRT测量结果显示，屏蔽后测量的计划仅1例与TPS和A16测量结果相对误差超过2%，优于无屏蔽组的结果，屏蔽的效果依然明显。因此，在实际SRT计划测量中，推荐屏蔽光电转换模块。
实际情况中，除屏蔽光电转换模块外，使用者也可以尝试其他方法避免噪声的引入。例如，设计SRT计划是使用较小的转床角度(30°)，使光电转换模块接受的环境辐射以侧向散射为主。此外，也可以不把光电装换模块置于治疗床上，避免使用较大转床角度时光电装换模块接近或进入主射线照射区域。前者会一定程度限制计划自由度，而后者因光电转换模块与治疗床位置不再相对固定，转床时需要使用者在加速器旁手动控制，同时不断调整光纤的位置，避免光纤弯折，对测量效率影响较大。
综上所述，为减少测量非共面计划时的噪声，对Extradin W1闪烁体光电转换模块增加屏蔽是一种有效的、相对简便的、实用的方法，这将有效减少该探测器的测量误差，提高测量可重复性和稳定性，同时提高单次照射剂量，增加对危及器官保护成为放疗发展的趋势，因此，小野剂量测量的准确性具有重要意义。同时，本研究中的结果再次证实了闪烁体探测器在立体定向剂量测量中的准确性。建议厂家在后续的产品改进中增加额外的可拆卸辐射屏蔽模块，允许用户根据使用场景选用合适的屏蔽厚度。
利益冲突 无
作者贡献声明 黄子珂负责收集资料、数据测量、整理分析和论文撰写；杨翠负责临床资料收集、放疗计划设计和数据测量；王佳舟负课题指导；胡伟刚负责课题指导和论文审核；韩序负责论文选题和论文修改
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