輕離子束放射治療計劃系統劑量計算準確性的驗證方法

王培臣，馮健，焦春營，付國濤

北京市醫療器械檢驗所 （北京 101111）

隨著我國輕離子束治療設備的迅猛發展，對其性能和安全評價工作的必要性和需求越來越突顯其重要性。輕離子束放射治療計劃系統（radiotherapy treatment planning system，RTPS）作為重要的組成部分，其劑量計算準確性尤為重要，直接關系到患者的治療效果和人身安全。2015年4月1日，國家藥品監督管理局醫療器械技術審評中心根據市場上主要的輕離子束設備類型——質子束和碳離子束治療設備，發布了《質子/碳離子治療系統技術審查指導原則》[1]，其對質子束和碳離子束的RTPS 的劑量計算準確性提出了明確的指標要求。由于缺乏輕離子束RTPS 劑量計算準確性驗證方法的國際、國家和行業標準，輕離子束RTPS 制造商采用的驗證方法不盡相同，公布的劑量計算準確性指標缺乏可比性，因此，有必要探索并建立統一規范的驗證方法。本研究依據《質子/碳離子治療系統技術審查指導原則》的要求，參考現有外照射RTPS 行業標準，對輕離子束RTPS劑量計算準確性進行了驗證，對驗證過程中存在的問題進行了討論，并給出了一些試驗改善建議。

1 輕離子束RTPS 劑量計算準確性的要求

《質子/碳離子治療系統技術審查指導原則》對輕離子束RTPS 劑量計算準確性規定了3種復雜度試驗，即簡單復雜度試驗、中等復雜度試驗和高等復雜度試驗。在每種復雜度下，將《質子/碳離子治療系統技術審查指導原則》給出的劑量分布分為4個劑量驗證區，即第一、二、三、四區。第一區測量點位于布拉格峰值內，且劑量梯度小于10%/mm，為高劑量低梯度區，如擴展布拉格峰（spread out Bragg peak，SOBP）區；第二區測量點位于劑量梯度大于10%/mm 的所在區，為劑量高梯度區，如半影區、SOBP 遠近側的降落區及幾何野邊界內的高梯度區；第三區測量點位于布拉格峰之外入射通道的坪區，與第一區類似；第四區測量點位于幾何射野邊界之外或SOBP 的遠端及幾何野內部未穿過離子束的區域（圖1）。對于簡單復雜度和中等復雜度試驗，第一區和第三區的劑量計算偏差不超過±5%，偏差絕對值的平均值不超過5%；對于高等復雜度試驗，第一區和第三區的劑量計算偏差不超過±6%，偏差絕對值的平均值不超過5%。對于簡單復雜度試驗，第二區的劑量計算偏差不超過±10%或吻合距離（distance to agreement，DTA）不超過±2 mm；對于中等復雜度和高等復雜度試驗，第二區的劑量計算偏差不超過±15%或DTA 不超過±3 mm。對于簡單復雜度試驗，第四區的劑量計算偏差不超過±5%，偏差絕對值的平均值不超過5%；對于中等復雜度試驗，第四區的劑量計算偏差不超過±6%，偏差絕對值的平均值不超過5%；對于高等復雜度試驗，劑量計算偏差不超過±7%，偏差絕對值的平均值不超過5%。

2 驗證方法

2.1 模體

（1）均質水模體：用于簡單復雜度試驗RTPS 劑量計算的基本算法準確性的檢驗，在均質水模體中進行測量。（2）均質不規則表面模體：用于中等復雜度試驗RTPS 劑量計算的非規則表面修正準確性的檢驗，使用雙楔形或其他不規則表面模體模擬體表，在均質水模體中進行測量。（3）非均質仿真模體：用于高等復雜度試驗RTPS 劑量計算的密度修正準確性的檢驗，使用非均質仿真模體，在均質水模體中進行測量。

2.2 儀器設備

（1）三維掃描水箱：具有良好的空間定位準確性和重復性，建議定位偏差小于0.2 mm。（2）劑量儀：建議穩定性小于0.5%。（3）電離室：鑒于目前可達到的水平，對于平行板電離室（用于中低能輕離子束測量），建議靈敏體積不超過φ5 mm×2 mm；對于指形電離室（用于中高能輕離子束測量），建議靈敏體積不超過φ2 mm×5 mm。

2.3 測量方法

2.3.1 試驗布置

試驗布置如圖2所示，不同復雜度模體被固定到三維掃描水箱表面，圖中不同復雜度模體以中等復雜度模體示意（在進行簡單復雜度試驗時，將該模體移除；在進行高等復雜度試驗時，用高等復雜度模體——仿真模體替代）；由輻射頭發出的輕離子，其輻射束軸垂直于三維掃描水箱表面，并穿過不同復雜度模體（源到三維掃描水箱表面的距離固定，為設備正常臨床使用范圍）；電離室位于三維掃描水箱的測量線上，用三維掃描水箱的機械運動機構驅動確定測量點的三維空間位置，以便于RTPS 劑量分布中的空間位置精確配準。使用受檢RTPS 軟件分別為簡單復雜度試驗、中等復雜度試驗和高等復雜度試驗設計3個治療計劃，計劃使用的照射條件（能量、射野大小、子野數量、射程調制范圍、射程移位器、補償器等）按正常臨床使用條件，每個計劃預期產生的劑量分布（包括深度劑量和橫向劑量分布）要求與圖1相似。RTPS 按照圖2中給出的示意的測量線（虛線）輸出對應的計劃劑量，用電離室劑量計測量與RTPS 輸出對應位置的點劑量，并進行比較。

2.3.2 輕離子束水吸收劑量的計算

試驗中，輕離子束點劑量的計算方法詳見IAEA 398號報告[2]，按照下列公式進行：

其中，Dw,Q為輻射質Q 的輕離子束水吸收劑量；MQ為輻射質Q 的劑量儀測量讀數；ND,w,Q0為劑量儀在參考輻射質為Q0的射束中水吸收劑量校準因子；kQ,Q0為輻射質Q 相對于參考輻射質為Q0的電離室響應校準因子。

對于以空氣比釋動能為校準因子的情況，ND,w,Q0的計算方法詳見IAEA 277號報告[3]，此處不再贅述。

2.3.3 RTPS 劑量計算偏差

對于第一區和第三區，RTPS 劑量計算偏差按下列公式計算：

其中，Δ 為相對偏差；DP為RTPS 計算劑量；Dm為實際測量劑量。

對于第二區，RTPS 劑量計算偏差按公式（2）或DTA計算。

對于第四區，RTPS 劑量計算偏差按下列公式計算：

其中，Dc為橫向曲線中心點（束軸）實測劑量。

3 結果和討論

3.1 結果

圖3～5以碳離子束為例，給出了簡單復雜度情況下RTPS 深度劑量分布、坪區橫向劑量分布和SOBP 區橫向劑量分布劑量驗證實測案例（對于中等復雜度和高等復雜度情況，驗證方法類似，不再贅述）。圖中的畫圈標記點為物理劑量實測點，實線為RTPS 計算的物理劑量曲線，虛線為RTPS 計算的生物劑量曲線，由RTPS 計算的物理劑量乘以相對生物效應（relative biological effectiveness，RBE）函數得到。

由圖3可知，物理劑量曲線在坪區（即第三區）隨深度變化平緩上升，生物劑量曲線與物理劑量曲線變化相似，梯度變化略高；隨后進入SOBP 近端區（即第二區），物理劑量上升梯度變大，生物劑量上升梯度變化更大；物理劑量到達最高點后即進入SOBP 區（即第一區），在SOBP區緩慢下降，生物劑量基本保持不變；隨后物理劑量進入SOBP 遠端區（即第二區），物理劑量迅速跌落，生物劑量以更大的梯度跌落；最后物理劑量進入SOBP 尾區（即第四區），劑量緩慢下降，生物劑量亦緩慢下降，但變化幅度略大于物理劑量。以上現象主要是由碳離子束隨水模深度的增加，能量逐漸降低，RBE 逐漸增加引起。另外，對于高能碳離子束，在坪區的開始段，物理劑量曲線有略微抬升，此種現象主要是由高能碳離子束產生的碎片引起。

由圖4可知，坪區橫向劑量分布無論是物理劑量曲線還是生物劑量曲線，其中部（即第一區）劑量變化相對平緩，離軸后進入左右半影區（即第二區），劑量迅速跌落，隨后進入左右野外區（即第四區）。

圖5與圖4類似，SOBP 區橫向劑量分布無論是物理劑量曲線還是生物劑量曲線，其中部（即第一區）劑量變化相對平緩，離軸后進入左右半影區（即第二區），劑量迅速跌落，隨后進入左右野外區（即第四區）。兩者不同的是，SOBP 區生物劑量與物理劑量的比值高于坪區生物劑量與物理劑量的比值，此種現象主要是由SOBP 區的離子束產生的RBE 高于坪區的RBE 引起。

3.2 討論

3.2.1 水吸收劑量的測量

輕離子束水吸收劑量是通過公式（1）計算得到的，其中輻射質校準因子kQ,Q0在IAEA 398號報告中給出了說明。IAEA 398號對質子束輻射質有明確的定義，并分別對不同型號電離室、不同的輻射質給出了kQ,Q0的數值。IAEA 398號報告中無碳離子束輻射質的定義，忽略不同能量的碳離子束輻射質對kQ,Q0的影響，將其考慮為常數處理，僅給出了不同型號電離室的kQ,Q0，我們尚不清楚這種簡化的處理對碳離子束水吸收劑量測量不確定度的影響。另外，對于除質子和碳離子以外的輕離子束，目前尚無水吸收劑量測量的標準方法可用。基于目前測量技術的現狀，在進行輕離子束水吸收劑量測量時，我們應充分考慮采用的測量方法對測量結果的影響。

3.2.2 驗證模體的選擇

在驗證輕離子束RTPS 劑量計算準確性的過程中，除了使用水模體外，為了試驗方便，在RTPS 開發驗證和臨床驗證中還常常使用固體水模體或其他模體（仿真模體等），通過測量模體中的吸收劑量來驗證模體中劑量計算的準確性。由于目前缺乏輕離子束模體對空氣的組織本領比Sp,air或模體對水的組織本領比Sp,water公認的標準數據，模體中劑量計算的不確定性難于估計，因此，基于目前的測量技術標準，建議水在水模體中進行驗證。

3.2.3 RTPS 劑量計算驗證方式

受技術水平的限制，我們目前還沒有像行業標準YY 0775-2010[4]中規定的采用標準數據比對的方式對輕離子束RTPS 劑量計算準確性進行驗證，只能與輕離子束治療設備一起采用實測的方式驗證。由于每種輕離子束治療設備的束流特性、配送方式等不同，為了保證整個輕離子束治療設備安全、有效，我們建議RTPS 劑量計算驗證與所有配套使用的設備一起進行，不建議將RTPS 僅在一種或幾種型號上進行驗證的結果作為適用于所有輕離子束治療設備的評價依據。

3.2.4 劑量驗證分區

輕離子束RTPS 劑量計算準確性驗證是基于《質子/碳離子治療系統技術審查指導原則》進行分區驗證的（圖1），在《質子/碳離子治療系統技術審查指導原則》中，第一、二區是以劑量梯度10%/mm 來分區的，這樣的分區在驗證過程中存在兩個問題：（1）無論是深度劑量曲線還是橫向分布曲線，實際輕離子束治療設備的束流特性可能不支持RTPS 產生大于10%/mm 的高劑量梯度分布；（2）即使束流特性可能支持RTPS 產生大于10%/mm 的高劑量梯度分布，但在臨床實際應用中，以生物劑量為RTPS 設計目標，對高RBE 的輕離子束可能產生不了大于10%/mm 的物理劑量分布（見圖3碳離子束RTPS 物理劑量分布）。這兩個問題導致我們在實際進行RTPS 劑量計算準確性驗證操作時，無法按10%/mm 的劑量梯度標準區分劑量驗證的分區，進而導致無法采用各分區適用的劑量計算準確性指標。針對上述實際操作中的問題，我們提出兩點改善建議：（1）脫離實際臨床RTPS 的使用束縛，不考慮生物劑量，人為設計與圖1相似的物理劑量分布，在不同的分區直接進行物理劑量驗證；（2）根據RTPS 使用的RBE 函數，將物理劑量實測結果直接轉化為生物劑量，按照如圖3～5所示RTPS 計算的生物劑量曲線分區，在不同的分區與RTPS 中的生物劑量進行比較驗證。

3.2.5 符合性判據

關于輕離子束RTPS劑量計算準確性符合性判據，《質子/碳離子治療系統技術審查指導原則》針對不同的復雜度試驗和不同的分區給出了明確的限值要求，在實際驗證過程中可能存在兩個問題：（1）出于不同的臨床需求，RTPS的驗證案例遠比《質子/碳離子治療系統技術審查指導原則》中給出的案例復雜，通常情況下，射野內的劑量梯度變化多樣，很難用10%/mm的判據劃分劑量驗證區域（如SOBP遠端劑量跌落區、橫向劑量分布半影區的梯度小于10%/mm等，即使是如圖1所示的SOBP深度劑量分布及橫向劑量分布也常常如此），由此產生無法正確引用符合性判據限值的情況；（2）在比較復雜的驗證案例中，可能存在極少數劑量驗證點超出限值的情況。為了更加客觀地評價RTPS劑量計算準確性，建議結合劑量計算相對偏差和DTA，采用γ通過率的方法進行統計評價。另外，受技術水平的限制，目前商業用途的平行板電離室的靈敏體積能夠達到的最好水平為φ5 mm×1 mm，指形電離室的靈敏體積能夠達到的最好水平為φ1 mm×5 mm，即便如此，也可能會給SOBP遠端劑量跌落區、橫向劑量分布半影區等高劑量梯度區的DTA的測量帶來明顯的不確定性，因此，在進行測量結果評價時應充分考慮對其的影響。

4 小結

隨著我國輕離子束治療設備在臨床上應用的逐漸廣泛，輕離子束RTPS劑量計算準確性的評價已越來越重要，《質子/碳離子治療系統技術審查指導原則》的發布和實施對規范評價工作起到了重要的作用。盡管受輕離子束劑量測量技術水平的限制，加之《質子/碳離子治療系統技術審查指導原則》在實際應用中仍存在很多問題，給驗證工作帶來諸多困難，但通過采取上述合理化建議和措施，可以有效解決驗證工作中的困難和問題。