調強放射治療計劃的劑量學驗證

張玉海，高楊

解放軍第309醫院放療科，北京，100091

調強放射治療（IMRT）是在各輻射野與靶區外形一致的條件下，將每一個輻射野分割成多個細小的子野，使輻射野內的劑量強度按一定要求進行調節，最大限度地將束流集中到靶區，而使周圍的危及器官或組織少受或免受不必要的照射。IMRT是利用MLC的運動來實現的，每一個輻射野內通過MLC的運動會產生一定數量的子野，而每一個子野的形狀、跳數各不相同，它們之間存在著復雜的關系，所有這些子野合成以后的劑量分布是無法去想象和預見的，這一點與輻射野均勻的三維適形放療完全不同[1]。因此，臨床上為了保證調強射野輸出劑量的準確性，必須對IMRT計劃進行精心的設計與準確的劑量學驗證。目前，以模體內劑量實測為基礎的驗證，仍然是當前最為常用的個體化IMRT計劃的劑量學驗證技術[2]，其中點劑量驗證和平面劑量驗證結合使用可以較為全面地驗證IMRT的劑量分布。自2009年8月到2009年12月，共有30多名患者在我科接受了IMRT治療，按要求IMRT治療實施之前，均需要對治療計劃進行劑量學驗證，現將我科的IMRT計劃驗證方法總結報告如下。

1 材料與方法

1.1 設備和儀器

德國PTW公司生產的2D-729二維電離室矩陣，在27 cm×27 cm有效測量范圍內均勻分布有729個電離室，每個電離室中心間隔10 mm。PTW UNIDOS E型劑量儀與30013型電離室（有效測量體積0.6cc）相匹配。測量使用Varian ClinacIX直線加速器的6MV X射線，劑量率為400MU/min。該加速器內置60對多葉準直器，中間40對葉片在等中心的投影寬度為0.5 mm，形成20 cm×20 cm的射野范圍；外圍20對葉片在等中心的投影寬度為1 mm，可形成的最大射野范圍是40 cm×40 cm。另外，使用Varian公司的Eclipse8.0治療計劃系統和ARIA放療網絡。

1.2 調強計劃設計

用熱塑膜固定病人，并作好定位標記，進行CT模擬定位。將CT掃描圖像傳到治療計劃系統進行靶區和危及器官的勾畫。設定靶區處方量及危及器官限量，用Eclipse進行逆向IMRT計劃設計。計劃產生后，放療醫師和放療物理師通過各層面的劑量分布圖及劑量體積直方圖（DVH）評估計劃。

1.3 模體計劃設計

完成病人的IMRT計劃后，因為無法直接在病人身體中進行劑量測量，因此必須把該計劃移植到驗證模體上，在模體上進行絕對劑量和相對劑量的測量，從而起到間接驗證治療劑量的作用。測量選用RW3固體水作為驗證模體，其密度為1.045 g/cm3，與水的等效性好。

1.3.1 用于絕對劑量驗證的模體計劃設計

將2 cm厚帶測量孔的固體水置于中間，下面放9塊 1 cm厚的固體水，上面加10塊1 cm厚的固體水，形成尺寸為40 cm×40 cm×21 cm的模體。然后把30013型指形電離室插入測量孔中，仿照患者在CT模擬機下以2.5 mm層厚掃描，在計劃系統上進行影像重建，勾畫模體外輪廓和電離室探頭輪廓，設定電離室探頭中心為坐標原點。此模體即作為所有治療計劃進行絕對劑量驗證的模體。

利用Eclipse的創建驗證計劃功能，調用待驗證的IMRT治療計劃，并將該計劃的MLC葉片位置文件以及機架角度、準直器角度、射野跳數等相關治療數據完全拷貝到模體上，其等中心點自動位于坐標原點處（即電離室中心位置），然后重新計算模體的劑量分布。由于電離室有一定體積，因此等中心測量點的絕對劑量取電離室探頭體積劑量的平均值。

1.3.2 用于平面劑量驗證的模體計劃設計

在電離室矩陣上下各加4 cm和5 cm厚的固體水，根據矩陣側面的“+”線確定其有效測量中心，并做好標記。將夾著矩陣的固體水在CT模擬機下以2.5 mm層厚掃描，同樣在計劃系統上進行影像重建，勾畫模體外輪廓，確定坐標原點。此模體作為所有治療計劃進行平面劑量驗證的驗證模體。

用Eclipse創建平面劑量驗證計劃的方法與以上方法基本相同，所不同的是平面劑量驗證計劃需要將計劃的機架角度、準直器角度和床角度都設為0°。如果想驗證每個野的劑量分布情況，則需要將每個射野生成一個獨立驗證計劃。這些設置在創建驗證計劃過程中只需要勾選相應的項目即可完成。重新計算各個射野在模體中的劑量分布，并導出各個射野在矩陣測量中心層面的劑量分布文件，作比較分析時用。

1.4 劑量學驗證

在進行劑量學驗證之前，先用PTW30013型0.6 cc電離室對Varian加速器6MV X線進行劑量校準，保證其出束偏差在1%以內。接下來進行絕對劑量驗證和平面劑量驗證。

1.4.1 絕對劑量驗證

完全按照CT掃描的方式把模體(40 cm×40 cm×21 cm)擺放于加速器治療床上，借助激光線將模體測量點調整到等中心位置，注意等中心位置應在第十塊板（2 cm厚）測量孔的中心處，因為模體計劃的測量點放在此處。將PTW30013型指形電離室插入測量孔中，連接PTW UNIDOS E型劑量儀，輸入氣壓、溫度及校準因子修正，依次執行各野照射，記錄最終的測量值。

1.4.2 平面劑量驗證

機架和準直器角度置于0°，PTW二維電離室矩陣放在5cm厚的固體水上方，參考激光線調整電離室矩陣，使其有效測量點位于等中心層面上，然后在上面加4 cm的固體水，考慮到電離室矩陣固有的5 mm測量深度，則SSD＝95.5 cm。連接電纜，調出驗證計劃準備測量。運行MatrixScan軟件，輸入氣壓、溫度值進行校準。對每個射野采集1次數據并保存。計劃有多少個野就采集多少個數據文件。測量完畢后，用Verisoft軟件將每個射野平面劑量分布的測量文件與計劃文件對比分析，得出劑量分布的誤差。

2 結果

表1給出6例IMRT計劃的絕對劑量驗證結果。將測量得到的等中心點劑量與計劃平均劑量相比較得：百分相對誤差=(測量劑量-計劃平均劑量)/計劃平均劑量，所得百分相對誤差在±3%之內，則認為患者的治療計劃可以通過。否則，需要分析誤差過大的原因，再次測量驗證，直至驗證計劃通過方能治療。第3例，第一次誤差大于3%，第二次符合要求。

表1 絕對劑量驗證結果Tab.1 The results of the absolute points dose verification

平面劑量驗證誤差分析采用Gamma分析方法[3-4]，它是Verisoft軟件中自動分析的工具，設置劑量誤差標準和距離誤差標準為3%/3 mm。驗證通過與失敗的標準是，測量點Gamma值≤1通過，Gamma值＞1失敗，通過的測量點數大于90%為照射野劑量分布驗證通過。表2列出了6例患者計劃驗證結果，采用Gamma分析方法比較而獲得的通過率情況。圖1中(a)(b)(c)所示為一患者計算/測量等劑量線分布情況比較及Gamma分析結果。

表2 平面劑量驗證結果Tab.2 The results of the plane dose distribution verification

3 討論

圖1 二維電離室矩陣測量與計劃計算結果比較分析Fig.1 The comparison of the planned and the measured values with 2DArray ion chamber

從以上絕對劑量的驗證結果可以看出，測量值都比計劃值偏小，說明有系統誤差存在，該結論與戴建榮等[5]報道結果一致。究其原因，我們認為IMRT射野中經常會包含一些面積很小的子野，在實際測量中，只有少數子野的射野區域包含測量點，即測得的是該子野的主射線，而對于大多數子野，只測得其邊緣劑量或散射劑量，這部分劑量通常較小，宜采用小靈敏體積的電離室測量[6]，以得到更加精確的結果。另外，我們進行絕對劑量驗證采用患者治療的實際照射角度，因此驗證過程中還存在治療床板和橫梁對劑量的衰減。表1中第3例計劃經過兩次驗證方才通過，第一次驗證結果誤差＞5%，分析發現可能的原因是射線穿過橫梁發生衰減；第二次驗證過程中，移動橫梁位置避免射野穿過橫梁，發現驗證結果偏差明顯減小（＜1%）。可見治療床的衰減對驗證結果的影響還是不容忽視的。綜合以上分析，筆者認為雖然各種原因導致測量結果偏小，但是誤差仍然是在臨床可以接受的范圍內（＜3%），因此以上的測量方法和測量結果是可信的。

關于絕對劑量驗證測量點位置選擇的基本原則是選擇劑量均勻、梯度較小的點。簡單的判定方法是電離室探頭的（最大劑量- 最小劑量）/ 平均劑量的值小于10%。通常等中心點是作為絕對劑量驗證的首選位置。表1中第1-5例計劃測量點均滿足上述條件，并且測量點均為計劃的等中心點。但是，有些計劃的等中心點在靶區邊緣或在靶區外，比如鼻咽癌IMRT計劃，它的等中心點就不適合作為測量點。為此需要適當調整模體計劃中的等中心位置，使模體中測量點位于高劑量低梯度區域，這樣可減少因測量點處劑量變化太大而導致測量結果不準確。表1中第6例計劃（鼻咽癌）就是因為計劃的等中心點位于靶區外的低劑量區，無法準確測量。筆者通過移動計劃的等中心位置，使測量點位于高劑量低梯度區域，完成絕對劑量的驗證。

二維電離室矩陣是目前較先進的調強驗證系統之一，它可以測量照射野的劑量分布和強度分布，利用它可以極大地簡化驗證工作量，提高驗證的效率。大量研究表明，用二維電離室矩陣進行IMRT計劃驗證是可行的[7-8]。筆者利用PTW729二維電離室矩陣對IMRT計劃的驗證結果顯示，平面劑量分布的計算值和測量值之間具有良好的一致性，Gamma分析的點通過率均在90%以上。值得一提的是，本研究選取最大劑量的10%作為有效測量點的最低劑量限值，其原因有二：一是電離室矩陣在低劑量區域的測量誤差明顯增大；二是低劑量區主要是動態MLC散射劑量形成。對于TPS來講，散射劑量的計算不可能與開放野內的劑量計算一樣精確。

綜上所述，由于IMRT有著腫瘤靶區劑量分布高度適形和高梯度變化的特點，為確保治療劑量能夠精確地定位在腫瘤區域，嚴格的個體化劑量學驗證是治療執行前的一項重要工作[9]。筆者利用已有的設備條件，建立了患者調強放射治療計劃的劑量學驗證方法，并取得了值得信賴的結果。隨著設備條件的改善和經驗的積累，調強計劃的劑量學驗證方法還會得到進一步完善。

[1]胡逸民, 主編.腫瘤放射物理學[M].北京:原子能出版社, 1999,538-548.

[2]馬金利, 蔣國樑.調強適形放射治療劑量學驗證體系的建立[J].中國腫瘤, 2004, 13(8): 485-489.

[3]Low D, Harms W, Mutic S, et al.A technique for the quantitative evaluation of dose distributions[J].Med Phys, 1998,25:656-661.

[4]Depuydt T, Van Esch A, Huyskens D, et al.A quantitative evaluation of IMRT dose distribution: refinement and clinical assessment of the gamma evaluation[J].Radiother oncol, 2002,62:309-319.

[5]戴建榮, 胡逸民, 張紅志, 等．針對患者調強放射治療計劃的劑量學驗證[J]．中華放射腫瘤學雜志, 2004, 13(3): 229-233.

[6]Low DA, Gerber RL, Mutic S, et al.Phantoms for IMRT does distribution measurement verification[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys, 1998, 40:1231-1235.

[7]Jursinic PA, Nelms BE.A 2-D diode array and analysis software for verification of intensity modulated radiation therapy delivery[J].Med Phys, 2003, 30(5):870-879.

[8]Poppe B, Blechschmidt A, Djouguela A, et al.Two-dimensional ionization chamber arrays for IMRT plan verification [J].Med Phys, 2006, 33(4): 1005-1015.

[9]姜瑞瑤.調強放射治療技術及其質量保證[J].醫療衛生裝備，2006, 27(7): 63.