脑转移瘤是成人最常见的颅内肿瘤，20% ~ 40%的肿瘤患者会发生脑转移^[1-2]。立体定向放射治疗(stereotatic radiotherapy，SRT)是脑转移瘤(brain metastases，BM)患者的标准治疗方案，相较于全脑放疗(whole brain radiotherapy，WBRT)，拥有更高的肿瘤局部控制率^[3]。SRT具有照射野小、单次剂量高、治疗次数少和剂量跌落迅速等特点^[4]。HyperArc(HA)是美国瓦里安公司推出的一种非共面多弧SRT技术，能自动优化准直器角度^[5]，确定等中心位置，减少碰撞风险。相比共面的SRT计划，HA计划有更好的靶区适形性和剂量跌落，对正常组织的保护更好，且计划复杂度也较低^[5-6]。

由于HA计划包含不同强度的复杂射野与陡峭的剂量梯度，微小的偏差就可能导致治疗时脱靶，因此需要对HA计划进行严格的质量控制。此外，MPPG9.a报告提到，当使用多叶光栅系统(multi-leaf collimators, MLC)进行SRT计划设计时，需要在治疗前进行绝对剂量验证^[7]。TG-218号报告提供了多种方式，包括使用电离室测量某个点的绝对剂量，使用矩阵探测器或电子射野影像装置(electronic portal imaging device, EPID)测量某平面的剂量分布等^[8]。Wong等^[9]报道了使用CIRS Head and Neck模体和胶片可以分别对HA计划进行点剂量验证和平面剂量验证。魏夏平等^[10]报道了EPID和Octavius 4D系统，在2 mm/2%的标准下可以对脑转移瘤HA计划进行平面剂量验证。TG-218号报告^[8]指出，SRT计划的点剂量验证的容忍偏差和干预偏差分别为2%和3%；平面剂量验证的γ通过率标准应比2 mm/3%更严格，但并未给出具体的γ分析标准。有研究表明，StereoPhan(SP)模体和SRS MapCHECK(SMC)半导体矩阵能够用于SRT计划剂量验证^[11-15]，其中刘凌湘等^[11-12]探究了SP模体和SMC半导体矩阵在SRT计划验证中的适用性，并与其他剂量验证工具如ArcCHECK、PD等进行了对比，提出1 mm/2% 的γ分析标准更有利于发现治疗计划中潜在的误差。Popple等^[16]也报道了在1 mm/3%的分析标准下，使用SMC和胶片在验证同一批HA计划时，分别有94.4%和91.1%的计划通过率> 95%，且两者在射野中心的平均剂量差异为-1.2%，处于置信区间内，因此认为SMC与胶片可以几乎等效地进行HA计划平面剂量验证。

目前，鲜有研究使用SP模体对HA计划进行点剂量验证，并且Popple等^[16]使用SMC对HA计划进行平面剂量验证时采用的γ分析标准分别为1 mm/3%，均不如刘凌湘等^[11-12]所使用的1 mm/2% 严格。因此，本研究拟探讨SP模体在HA计划点剂量验证中的适用性以及SMC半导体矩阵在更严格的1 mm/2%γ分析标准下对HA计划进行平面剂量验证的适用性。

材料与方法

1.设备与软件：治疗机器为美国瓦里安TrueBeam医用电子直线加速器，射线为6 MV无均整(flattening filter free，FFF)光子束，剂量率为1 400 MU/min。本研究采用Varian Eclipse 15.6治疗计划系统(treatment planning system，TPS)设计所有患者的HA计划与验证计划。

SP模体和SMC半导体矩阵是由美国SunNuclear公司生产的用于剂量验证的模体。SP模体由部分中空的圆筒型模体、多种正方体插块以及支撑架组成。圆筒型模体高152 mm，能够在支撑架上360°旋转，材料为聚甲基丙烯酸甲酯(poly methylmethacrylate，PMMA)。正方体插件包括电离室插块、胶片插块和通用垫块等，均为边长为85 mm的立方体。电离室选用德国PTW31010，灵敏体积为0.125 cm³。SMC半导体矩阵需要与SP模体配合使用，其包含1 013个探测灵敏体积为0.007 mm³的传感器，传感器交错分布于上下两块印制电路板，电路板面对面对齐设计，使上下两层传感器的灵敏区处于同一平面，传感器间的横向及纵向间隔均为1.75 mm，对角线方向间隔2.47 mm，整体探测面积为77 mm × 77 mm。探测平面上下的建成和背向散射材料为PMMA，厚度均为22 mm(水等效厚度27.5 mm)^[11-12]。SNC Patient软件为SMC半导体矩阵配备的软件，具有γ分析功能。

2.患者数据：选取2021—2022年在北京协和医院接受HA放疗的16例BM患者为研究对象，女9例，男7例，年龄29 ~ 72岁，中位年龄为54岁，BM数量为1 ~ 6个，单个患者的全部BM最小体积为0.85 cm³，最大体积为130.76 cm³，中位体积为5.75 cm³，平均体积为17.58 cm³(表 1)。

3.计划设计及优化：16例BM患者的HA计划处方剂量为25 ~ 40 Gy，分割次数为3 ~ 6次(表 1)。建计划时，依照系统向导，根据BM的分布选择射野，调整治疗中心后，优化准直器角度。由于BM体积一般较小，计划制作时，需要将靶区转化为高精度结构，并将光子优化算法和Acuros外照射射束剂量算法的网格设为1.25 mm。计划优化时，为达到较快的剂量跌落，正常组织目标(normal tissue objective，NTO)采用SRS-NTO，同时设置3个剂量限值环，由靶区外扩2、5和8 mm形成，分别限值处方剂量的90%、70%和50%。

4.验证计划的设计与实施：在建立点剂量验证模型时，需要将电离室及专用插块放入SP模体中，使用荷兰飞利浦公司的Briliance 16排大孔径CT模拟机扫描，层厚为1 mm，并将图像传至TPS。首先在CT图像上勾画出电离室有效体积，之后基于该图像创建原HA计划的验证计划。计划设计时，需要将电离室中心放在靶区的中心，治疗床旋转角度与原计划保持一致。计划执行结束后，记录静电计的读数D_Electrometer。值得注意的是，D_Electrometer并不能直接与TPS计算值比较，因为后者是基于绝对剂量刻度时的模体、探测器、温度和气压等特定条件得到的，而在进行点剂量验证时，上述条件均不相同，所以需要对D_Electrometer进行修正，具体修正公式如下：

$D_{\text {Mea }}=D_{\text {Electrometer }} \times \frac{R e f_{\text {TPS }}}{R e f_{\text {Electronmeter }}}$

(1)

式中，D_Mea为修正过的点剂量；Ref_TPS为TPS中标准条件(加速器机架和准直器均为0°，射野尺寸为10 cm×10 cm，无MLC遮挡，能量为6 MV X射线无均整模式，剂量率为1 400 MU/min，输出100 MU) 下的单野计划中电离室有效体积的平均剂量；Ref_Electrometer为模体根据激光线摆位后，机器在上述标准条件下出束3 ~ 5次，得到的静电计读数平均值。

由于每个患者都需要重新摆位、反复进出机房以及调整治疗床角度，导致点剂量验证时间较长，平均约为20 min，本研究并未进行重复性实验。

在建立平面剂量验证模型时，需要将SMC半导体矩阵与配套插件放入SP模体中，使用荷兰飞利浦公司的Briliance 16排大孔径CT模拟机扫描，层厚为1 mm，并将图像传至TPS，之后基于该图像创建原HA计划的验证计划。计划设计时，可以选取点剂量验证时所选点的层面或靶区较多的层面，同时为保证探测器安全，所有平面剂量验证计划的治疗床角度均设为0°。计划执行前，需要对SMC依据厂商推荐的方法和文献指南进行严格的校准和测试^[14]。计划执行结束后，使用SNC Patient软件对TPS计算得到的平面剂量分布和实测的剂量分布进行γ分析。

5.点剂量和平面剂量偏差的分析方法：点剂量偏差E_Point的计算公式如下：

$E_{\text {point }}=\left|\frac{D_{\text {Mea }}}{D_{\text {TPS }}}-1\right| \times 100$

(2)

式中，D_Mea为使用SP模体与电离室实际测量并经过修正后的点剂量；D_TPS为TPS中电离室有效体积的平均剂量。

平面剂量的偏差采用γ分析方法^[10]，在剂量阈值10%的条件下，使用2 mm/3%、2 mm/2%、1 mm/3% 和1 mm/2%的评价标准，计算基于绝对剂量模式下的全局剂量归一的γ通过率，计算公式如下：

$\Gamma\left(r_{\mathrm{M}}, r_{\mathrm{R}}\right)=\sqrt{\frac{\left(r_{\mathrm{M}}-r_{\mathrm{R}}\right)^2}{\Delta r^2}+\frac{\left[D_{\mathrm{M}}\left(r_{\mathrm{M}}\right)-D_{\mathrm{R}}\left(r_{\mathrm{R}}\right)\right]^2}{\Delta D^2}}$

(3)

式中，D_M(r_M)和D_R(r_R)分别为测量点r_M和参考点r_R处的剂量相对参考分布最大剂量的归一值，Δr和ΔD分别为γ分析的距离和剂量标准。每个测量点r_M对应参考分布上符合要求的所有r_R，都存在一个γ值，其中最小的为该测量点r_M的γ指数，γ指数≤1代表通过，γ指数通过的测量点数目与总测量点数目的百分比值即为γ通过率。

结果

1.点剂量偏差：所有HA验证计划的点剂量偏差平均值为1.33%±0.84%，其中最大的偏差为2.98%，最小的偏差为0.01%(表 2)。

2.平面剂量γ通过率：结果列于表 3。由表 3可知，16例患者的平面剂量γ通过率在2 mm/3%标准下是99.72%±0.46%；2 mm/2%标准下是98.63%±0.91%；1 mm/3%标准下是98.85%±1.79%；1 mm/2%标准下是97.13%±3.19%，最高99.80%，最低87.20%。

使用SMC半导体矩阵进行平面剂量验证时的结果列于表 4，SNC Patient软件也会给出中心点以及归一点等绝对剂量结果。

讨论

HA是瓦里安推出的一项非共面多弧SRT技术，能够自动确定等中心位置，优化准直器角度，采用1个全弧(治疗床为0°)及3个非共面半弧(治疗床角度为315°、45°和90°)。在计划优化时，HA采用独有的SRS-NTO，识别多个靶区的空间分布，限制17%处方剂量以上的剂量跌落，同时也会使剂量梯度比常规的SRT计划更陡峭^[17]，更需要选择合适的质控工具对计划进行验证，因此，本研究使用SP模体与SMC半导体矩阵对脑转移瘤患者HA计划进行点剂量和平面剂量验证。

点剂量方面，TG-119号报告^[18]推荐将电离室的有效体积放在高剂量、低梯度区域。在SRT计划中，高剂量区域即为靶区；根据TG-218号报告^[8]，低梯度区域的剂量浮动范围应＜5%，以弱化体积平均效应，但由于HA计划剂量跌落极快，很难寻找到满足要求的低梯度区，因此本研究将电离室放置在靶区的中心，并尽可能地将剂量浮动范围控制在10%以内，以满足高剂量、低梯度的要求。从结果来看，所有患者的点剂量验证偏差都在3%以内，且平均偏差＜2%，满足TG-218号报告^[8]的要求。同时，在选择测量点时，应尽量减少左右方向大幅度动床，降低机架与治疗床相撞的风险。HA计划在执行时，患者的头部伸出床外，而传统的固体水由于重量等物理限制，只能摆在治疗床上进行点剂量测量。SP模体得益于其包含支撑架的结构，可以伸出床外进行测量。因此，相较于传统的固体水，SP模体能够更好地模拟真实治疗条件。

平面剂量方面，TG-218号报告只提到SRT计划的γ分析标准应当比常规分割计划所使用的2 mm/3%的标准更严格，但并没有提出明确的指标^[8]。本研究采用了2 mm/3%、2 mm/2%、1 mm/3% 和1 mm/2%的分析标准对HA计划的平面剂量进行验证，平均γ通过率分别为99.72%±0.46%、98.63%±0.91%、98.85%±1.79%、97.13%±3.19%。虽然1 mm/2%标准下的通过率结果比刘凌湘等^[11-12]研究中的97.81%±2.99%稍低些，但其研究同时包含了调强放疗(intensity-modulated radiation therapy, IMRT)和容积调强放疗技术(Volumetric Modulated Arc Therapy, VMAT)两种技术的计划验证，且验证计划的具体信息并未在文章中详细展示，而本研究聚焦于头部SRT计划中的HA非共面计划验证，可以视作刘凌湘等^[11-12]研究的延伸。Popple等^[16]使用SMC与1 mm/3%的γ分析标准验证了HA计划的平面剂量，但其使用的计划能量均为10 MV-FFF，并且执行计划时，并未遵循厂家给出的±45°治疗床转动范围原则，可能会损伤电子元器件。即便其研究中提到，治疗床为90°或270°时，SMC电子元器件部分接受到的中位剂量只有处方剂量的0.65%，但由于TPS在射野外的剂量精度存在很大的不确定性，所以并不能够保证安全。因此，本研究在设计验证计划时，仍将所有照射野的治疗床角度都调整为0°，并在TPS中确认射野仅覆盖探测器区域，倘若射野过大，需要调整移床值来确保电子元器件不受照。

在16例患者中，12号患者的HA计划在1 mm/2% 的标准下的γ通过率只有87.2%，经过仔细审查SNC Patient软件给出的具体γ指数分布，发现主要不通过的点都集中在靶区内，但本单位设计的HA计划，其靶区内平均剂量通常为120%左右，即便存在上述误差，也不会导致靶区欠量。本研究认为该结果的原因有可能是靶区个数较多，空间分布离散，导致计划复杂度升高，未来可以借鉴祝起禛等^[19]的研究，分析射野复杂度指标，如平均射野不规则度、平均调制复杂度分数等和剂量验证结果之间的相关性，进一步寻找γ通过率低的原因。

本研究亦存在一定的局限性：由于每个患者计划验证的时间较长，并未重复测量点剂量和平面剂量，无法深入分析测量结果的不确定度。其次，涉及病例较少，未能进一步探究单发转移与多发转移对于剂量验证结果的影响。

综上所述，StereoPhan模体与SRS Mapcheck半导体矩阵适合用于开展脑转移HyperArc计划的剂量验证工作；在进行点剂量和平面剂量验证时，可以分别采用3%和1 mm/2%的分析标准。

利益冲突  无

作者贡献声明  孟祥银撰写论文；杨波、邱杰修改论文；祝起禛、梁永广、周震参与研究