2022, Vol. 42
调强放射治疗(intensity modulated radiation therapy，IMRT)、容积旋转调强放射治疗(volumetric modulated arc therapy，VMAT)和立体定向放射治疗(stereotactic body radiation therapy，SBRT)技术可以在保护正常组织的前提下，更好地杀死肿瘤细胞，已逐渐广泛地应用于临床。由于其技术上的复杂性，涉及到的不确定因素较多[1-3]，特别是SBRT具有单次剂量高、靶区外剂量跌落陡峭、照射野面积小、对设备精准性要求更高等特性[4]。为保证放疗的准确性和安全性，治疗前需要对患者的IMRT和VMAT计划进行剂量验证[5-7]。目前，临床常用的剂量验证设备有MapCHECK二维半导体矩阵[8]、Matrixx二维电离室矩阵[9]、Delta4三维半导体矩阵[10]和ArcCHECK三维半导体矩阵[11]等，并通过γ通过率[12]定量比较计划系统中的剂量分布与验证设备实测的剂量分布。剂量验证过程中，除了加速器和计划系统外，验证设备的性能和系统中的参数(如靶区体积、计算网格和剂量阈值)均会对不同验证设备的γ通过率产生不同程度的影响[13-15]。基于SBRT技术的特性，相比于常规分割技术，SBRT计划靶区外剂量跌落陡峭，参数的变化可能对于γ通过率会产生较大的影响。因此，对于SBRT计划剂量验证时需考虑以上因素对于验证结果的影响，目前少有关于上述参数对于多种验证设备γ通过率影响的相关研究。
本研究选取50例患者的SBRT计划，比较靶区体积、计算网格和剂量阈值等参数对于3种验证设备(SRS MapCHECK、3DMap和ArcCHECK)γ通过率的影响，分析不同验证设备对于以上参数的响应情况，为这3种验证设备的临床SBRT剂量验证应用提供数据支持。
资料与方法1. 患者资料：选取2021年6月—2022年5月四川省肿瘤医院的SBRT患者50例，其中男性35例，女性15例，年龄42~67岁，中位年龄55岁，脑转移8例、肺癌33例、肝癌5例、骨转移4例，所有患者均无放疗禁忌证。计划靶区(PTV)体积2.5~99.0 cm3, 平均体积27.7 cm3，其中体积 < 25.0 cm3的25例(平均体积11.9 cm3)，≥25.0 cm3的25例(平均体积46.1 cm3)，靶区平均长度4.0 cm。
2. 验证系统：本研究选取3种剂量验证设备：ArcCHECK、SRS MapCHECK和3DMap，各验证设备参数见表 1。ArcCHECK是美国SunNuclear公司研发的三维半导体探测器，探测器是ϕ266 mm ×H442.9 mm的圆柱体，有效探测器面积为210 mm × 210 mm，包含1 386个半导体探测器，灵敏体积为0.019 mm3(探头截面积0.64 mm2)，探测器各方向间隔均为10 mm。SRS MapCHECK二维半导体矩阵探测器由美国SunNuclear公司研发，探测器外部尺寸为320 mm × 105 mm的平板，有效探测面积77 mm × 77mm，包含1 013个半导体探测器，灵敏体积为0.007 mm3(0.48 mm × 0.48 mm，高0.03 mm)，探测器间对角线方向间距为2.47 mm，其余方向间距均为1.75 mm，并通过交错分布于上下两块电路板上进一步提高探测分辨率，剂量验证前需要结合StereoPHAN模体和SNC Patient分析软件。3DMap三维非晶硅半导体阵列探测器由RAYDOSE公司研发，探测器外部尺寸为315 mm × 470 mm的平板，有效探测器面积为286 mm × 286 mm，包含419万个半导体探测器，灵敏体积为0.020 mm3，探测器各方向间隔均为0.14 mm，利用旋转模体装置和固定在加速器上的角度检测仪实现半导体矩阵360°跟随加速器机头旋转，可用于三维和二维的剂量验证。
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表 1 3种验证设备参数比较 Table 1 Comparison of the specifications of three dosimetric verification systems |
3. 验证计划与实施：50例SBRT患者计划均在瑞典医科达公司的Monaco 5.11计划系统上完成，采用蒙特卡罗(MC)算法，靶区单次剂量8~15 Gy，照射次数2~5次。计划设计采用射线能量为6 MV X射线非均整器模式(flattening filter free, FFF)的VAMT计划，最大剂量率为1 400MU/min，2~3个弧，并根据靶区位置设置VMAT的弧度。加速器采用瑞典医科达公司的Infinity型直线加速器，配置80对0.5 cm的多叶光栅(MLC)。3种验证设备均使用荷兰飞利浦公司的Brilliance BigBore的16排大孔径CT，扫描后导入到计划系统中并设计验证计划。验证计划均采用实际野测量方法设计3种验证设备的验证计划，计划中的射野信息(VMAT弧度、准直器角度、铅门位置、MLC位置、机器跳数)均与治疗计划一致，并将射野信息移植到验证设备模体中计算模体中的剂量分布。
为保证本研究结果的准确性，在剂量验证实施前，首先根据国内外各指南和规程对本研究中使用的直线加速器和验证设备进行严格的刻度和质量控制[12, 16-17]。加速器刻度和质量控制包括：输出剂量校准、射野的平坦度和对称性以及机械质量控制(如激光灯位置精度、光距尺度数等)；验证设备刻度和质量控制包括：本底校准、绝对剂量校准和矩阵校准等。对于不达标的项目及时调整，使之达到相关要求。
验证设备得到的测量剂量分布与计划系统中通过算法得到的剂量分布通过γ通过率[5]评估比较，通过率越高说明两者的差异越小。比较靶区体积(< 25 cm3和≥25 cm3)、计算网格(1.0、1.5和2.0 mm)和剂量阈值(5%、10%和15%)对于3种验证设备3 mm/3%、3 mm/2%、3 mm/1%、2 mm/3%和2 mm/2%的γ通过率的影响。其中，比较靶区体积时，3种验证设备均选取10%剂量阈值、2.0 mm计算网格；比较计算网格时，3种验证设备均选取10%剂量阈值；比较剂量阈值时，3种验证设备均选择2.0 mm计算网格。
4. 统计学处理：采用SPSS 23.0对3种验证设备γ通过率数据进行分析，符合正态分布的两两数据之间采用配对t检验分析，数据以x±s表示。P < 0.05为差异有统计学意义。
结果1.靶区体积对3种验证设备γ通过率的影响：表 2为不同靶区体积下3种验证设备的γ通过率。通过表 2可知，对于ArcCHECK验证设备，靶区体积对于γ通过率无影响，差异无统计学意义(P>0.05)；对于SRS MapCHECK验证设备，随着靶区体积的增加，3 mm/1%的γ通过率增加0.2%，差异有统计学意义(t=2.90，P < 0.05)，其他γ通过率的差异均无统计学意义(P>0.05)；对于3DMap验证设备，随着靶区体积的增加，3 mm/3%、3 mm/2%、2 mm/3%和2 mm/2%的γ通过率分别增加2.2%、2.2%、4.4%和4.7%，差异有统计学意义(t=-2.76、-2.17、-4.72、-3.86，P < 0.05)。图 1为SRS MapCHECK和3DMap分别在3 mm/1% 和2 mm/2%下25例患者大靶区体积和小靶区体积的γ通过率的差异。
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表 2 不同靶区体积下3种验证设备的γ通过率(%，x±s) Table 2 The γ passing rates of three verification systems under different target volumes (%, x±s) |
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图 1 SRS MapCHECK和3DMap分别在3 mm/1%和2 mm/2%下25个患者的γ通过率差异 Figure 1 Differences in γ passing rates of SRS MapCHECK (3 mm/1%) and 3DMap (2 mm/2%) of 25 patients under different PTVs |
2. 计算网格对3种验证设备γ通过率的影响：表 3为不同计算网格下的3种验证设备的γ通过率。其中，ArcCHECK和SRS MapCHECK验证设备的γ通过率随着计算网格的减少而增加，3DMap的γ通过率随着计算网格的减少而降低。对于ArcCHECK，计算网格1.0与1.5和2.0 mm相比，3 mm/3%、3 mm/2%、3 mm/1%、2 mm/3%和2 mm/2%的γ通过率分别增加了0.5%、0.9%、1.6%、1.0%、1.5%、1.0%、1.7%、2.4%、1.7%和2.7%，差异有统计学意义(t=-3.81、-6.85、-5.43、-5.58，-5.80、-4.75、-7.30、-8.63、-7.11、-8.26，P < 0.05)；对于SRS MapCHECK，计算网格1.0 mm与1.5 mm和2.0 mm相比，3 mm/3%、3 mm/2%、3 mm/1%、2 mm/3% 和2 mm/2%的γ通过率分别增加了0.7%、1.1%、1.7%、0.9%、1.5%、0.8%、1.4%、2.1%、1.1%和2.0%，差异有统计学意义(t=-6.15、-6.23、-5.98、-5.11，-8.34、-5.63、-7.71、-6.39、-7.59、-10.79，P < 0.05)；对于3DMap，1.0 mm计算网格与1.5 mm相比，3 mm/3%、2 mm/3%和2 mm/2%的γ通过率分别降低了0.2%、0.5%和0.6%，差异有统计学意义(t=2.26、3.36、4.65，P < 0.05)。1.0 mm计算网格与2.0 mm相比，3 mm/2%和3 mm/1% γ通过率分别降低了0.3%和0.5%，差异有统计学意义(t=2.29、2.59，P < 0.05)。
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表 3 不同计算网格下3种验证设备的γ通过率(%，x±s) Table 3 The γ passing rates of three verification systems under different calculation grid sizes (%, x±s) |
3.剂量阈值对3种验证设备γ通过率的影响：表 4为不同剂量阈值下的3种验证设备的γ通过率。3种验证设备的γ通过率均随着剂量阈值的的增加而降低。对于ArcCHECK，剂量阈值5%与10%和15%相比，3 mm/3%、3 mm/2%、2 mm/3%和2 mm/2% 的γ通过率分别增加了0.5%、0.8%、1.2%、1.7%、1.1%、1.4%、2.5%和3.0%，差异有统计学意义(t=5.20、5.68、8.17、9.99，7.36、7.34、9.24、12.76，P < 0.05)；对于SRS MapCHECK，剂量阈值5%与10%和15%相比，3 mm/3%、3 mm/2%、3 mm/1%、2 mm/3%和2 mm/2% 的γ通过率分别增加了0.2%、0.4%、0.6%、0.3%、0.5%、0.4%、0.7%、0.9%、0.6%和1.0%，差异有统计学意义(t=2.42、3.87、4.84、5.20、5.58、3.96、4.97、6.01、5.67、6.87，P < 0.05)；对于3DMap，剂量阈值5%与10%和15%相比，3 mm/3%、3 mm/2%、2 mm/3% 和2 mm/2% 的γ通过率分别增加了0.5%、0.7%、1.0%、1.3%、1.6%、1.7%、2.8%和3.2%，差异有统计学意义(t=2.84、2.20、2.81、3.00，3.25、2.98、4.4、4.21，P < 0.05)。
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表 4 不同剂量阈值下3种验证设备的γ通过率(%，x±s) Table 4 The γ passing rates of three verification systems under different dose thresholds (%, x±s) |
讨论
SBRT技术具有高单次剂量(6~30 Gy)、少分次(1~5次)、靶区体积小、剂量跌落陡峭等特点，剂量传递过程中较小的偏差将会产生较大的影响，治疗前的计划剂量验证过程是整体质量控制中一个关键的组成部分，保证计划剂量分布与剂量传递准确匹配[18]，并且在治疗实施前必须进行剂量验证[4]。SBRT计划验证的通过率除了加速器和计划系统的影响，还与验证设备的性能(稳定性、能量响应、空间分辨率等)有关。Zhang等[19]比较了9例肺癌SBRT计划的Delta4和MatriXX验证设备的γ通过率，对于3 mm/3%和2 mm/2% 的γ通过率分别为99.7%、99.7%、91.9%和91.6%。袁玲等[20]比较了SRS MapCHECK和EDOSE在29例SBRT计划的γ通过率，结果表明，SRS MapCHECK的γ通过率优于EDOSE，其中3 mm/3%和2 mm/3%的γ通过率分别增加了0.14%和0.9%。另外，验证系统参数的设置也会影响计划的γ通过率。Pulliam等[13]比较了剂量阈值5%、10%和15%以及计算网格1.0、1.5和3.0 mm对γ通过率的影响，对于3 mm/3%，计算网格1 mm与1.5和3.0 mm相比，γ通过率分别增加了0.2%和1.1%，剂量阈值5%与10%和15%相比增加了0.4%和0.6%。本研究结果表明，靶区体积、计算网格和剂量阈值等参数均对3种验证设备的SBRT计划γ通过率产生不同程度的影响，并且3种验证设备在3种参数下3 mm/3%、3 mm/2%和2 mm/3% 的γ通过率均>90%。
本研究中比较了靶区体积对于3种验证设备γ通过率的影响，结果与Lang等[21]得到的结论一致，γ通过率随着靶区体积的增加而增加。3种验证设备中，靶区体积的改变对于ArcCHECK和SRS MapCHECK影响很小，而对3DMap的影响较大，其中，靶区体积的改变对ArcCHECK验证设备的γ通过率无影响；对于SRS MapCHECK验证设备，随着靶区体积的增加，3 mm/1%的γ通过率增加0.2%；而靶区体积对于3DMap验证设备的影响最大，随着靶区体积的增加，3 mm/3%、3 mm/2%、2 mm/3%和2 mm/2%的γ通过率分别增加2.2%、2.2%、4.4%和4.7%。3DMap与其他两种验证相比对于靶区体积的改变更敏感，可能跟设备的空间分辨率有关，3DMap、ArcCHECK和SRS MapCHECK探测器间距分别为0.14、10和2.47 mm，3DMap的探测器间距远小于其他验证设备、探测器数量远多于其他验证设备，空间分辨更高；另外，可能跟本研究样本数偏少有关。
美国医学物理学家学会(AAPM)TG101报告[4]建议使用SBRT技术剂量优化时计算网格应 < 3.0 mm，计算网格的大小会对剂量分布、计算精度和计算时间产生影响[22-23]。Chung等[22]研究表明使用1.5和2.0 mm计算网格时的处方剂量相差2.3%，而与4.0 mm相比差异达到5.6%。乌晓礼等[23]研究中使用PTW-VeriSoft调强验证软件得到计划验证通过率随着计算网格的增加而减少，3.0、4.0和5.0 mm计算网格的计划通过率分别为96.7%、94.5%和91.7%，优化时间随着计算网格的增加而减少，3.0、4.0和5.0 mm计算网格的优化时间为237、145和110 s。本研究得到结果，ArcCHECK和SRS MapCHECK验证设备的γ通过率随着计算网格的减少而增加，而3DMap的γ通过率随着计算网格的减少而降低。1.0和1.5 mm计算网格相比，SRS MapCHECK差异最大(平均差异1.2%)，而3DMap差异最小(平均差异-0.4%)。1.0和2.0 mm计算网格相比，ArcCHECK差异最大(平均差异1.9%)，而3DMap差异最小(平均差异-0.4%)。本研究中，ArcCHECK和SRSMapCHECK与3DMap对于计算网格表现出不同的变化趋势，这主要是与验证设备的探测器数量与间距有关，3DMap的探测器数量远多于ArcCHECK和SRSMapCHECK。
本研究还比较了不同剂量阈值对于3种验证设备γ通过率的影响，γ通过率随着剂量阈值的增加而减少，与其他研究结果一致[13]。按照AAPM TG218报告[12]的区域划分标准，剂量分布区域分为高剂量高梯度区、高剂量低梯度区和低剂量低梯度区。SBRT计划与常规分割计划相比，靶区体积较小、靶区内的剂量远高于靶区外以及剂量跌落快等特点，低剂量区的比例将远大于高剂量区[24]。根据γ值和γ通过率的计算公式[12]，低剂量区的γ值低于高剂量区，而当γ值越低，γ通过率则越高。因此，随着剂量阈值的增加，计算γ值的低剂量区域点的数目越少，γ通过率越低。5%和10%剂量阈值相比，ArcCHECK的γ通过率差异最大，而SRS MapCHECK差异最小，其中，ArcCHECK的γ通过率的差异平均值为1.1%、SRS MapCHECK的γ通过率的差异平均值为0.4%、3DMap的γ通过率的差异平均值为0.9%。5%和15%剂量阈值相比，3DMap的γ通过率差异最大，而SRS MapCHECK差异最小，其中ArcCHECK的γ通过率的差异平均值为2.0%、SRS MapCHECK的γ通过率的差异平均值为0.7%、3DMap的γ通过率的差异平均值为2.3%。
虽然本研究使用的γ通过率是当前广泛应用于临床的剂量验证方法，但是近几年越来越多的研究表明，γ通过率不能完全准确预测剂量的误差[25-26]，特别是对于SBRT计划，由于靶区外的统计点远多于靶区内的，使用局部γ通过率可能相对于全局γ通过率更加准确。另外，除γ通过率外还需要评估靶区和危及器官的重建剂量和计划剂量的差异(基于CT图像重建三维剂量方法)用于临床剂量验证，如3DVH系统、Compass系统和基于加速器轨迹日志(LFB)等方法。本研究后期将尝试结合以上方法进一步完善SBRT计划的验证结果。
综上所述，靶区体积、计算网格和剂量阈值等参数均会对3种验证设备SBRT计划验证的γ通过率产生不同程度的影响，在SBRT的计划验证中应综合考虑上述因素。
利益冲突 无
作者贡献声明 吴凡负责论文撰写和实施研究；唐斌负责分析数据；杨凤负责采集数据；吴骏翔负责设计实验
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