高分辨率半導體矩陣的劑量學特性

鄭人川，陳阿龍，陳立新，肖德濤

1.南華大學核科學技術學院，湖南衡陽 421001；2.中山大學腫瘤防治中心/華南腫瘤學國家重點實驗室，廣東廣州 510060

前言

在放射治療中，調強放射治療（Intensity-Modulated Radiation Therapy,IMRT）和容積旋轉放射治療（Volumetric-Modulated Arc Therapy, VMAT）已成為國內外主流的放射治療技術［1-3］。與常規的放療技術相比，IMRT 和VMAT 技術結合高精度的多葉光柵（Multi-Leaf Collimate,MLC）葉片使得高劑量分布區與靶區的適形度更好，然而治療計劃設計和執行過程也更復雜，存在許多不確定性，MLC 葉片到位精度、機架旋轉角度等出現微小偏差可能導致靶區劑量分布的偏差，因此在治療前需要進行嚴格質量控制和劑量驗證［4-5］。目前常用的劑量驗證設備主要包括Mapcheck（Sun Nuclear 公司, 美國）這一類型的半導體矩陣，以及Matrixx（IBA 公司,比利時）這一類型的電離室矩陣。這些類型矩陣探測器之間的間距相對較大，一般在7～10 mm 之間。因此，在部分治療計劃劑量驗證中，由于探測器的數目不夠充分或體積平均效應可能會影響驗證結果的準確性［6-7］。

在本研究中，筆者將針對一款高分辨率半導體探測器矩陣（Super Matrix,瑞多思,中國）進行研究，該矩陣目前正在逐步商用的過程中。由于該矩陣在臨床應用并不多，也未見相關劑量學特性的測試報道，因此本研究比較全面地評估其臨床劑量學特性，期待在臨床研究和臨床應用方面有較好的幫助和啟示。

1 材料與方法

1.1 實驗設備

該矩陣主要由非晶硅半導體探測器組成，矩陣裝置長315 mm、寬470 mm、高24 mm，有效測量面積為28.9 cm×28.9 cm，矩陣共有2 048×2 048 個非晶硅半導體陣列探測器，探測器相互間距為0.14 mm。玻璃體層面就是非晶硅探測器層面，厚度為0.7 mm。矩陣及其結構如圖1所示。不同于常規的電子射野影像系統（Electronic Portal Imaging System, EPID），該矩陣中沒有熒光層。每個半導體探測器包含一個靈敏光電二極管和一個薄膜晶體管（Thin Film Transistor,TFT），當X 射線入射時，在光電二極管的本征層產生電子空穴對，并且在外加電壓作用下儲存在光電二極管本身電容中。在采集圖像信號期間，光電管不斷充電，經過一段時間的采集后，逐行改變TFT 的控制電壓，使儲存光電管的電信號送到數據輸出線，經放大后由計算機轉為數字圖像信號。

圖1 探測器矩陣Super Matrix及其結構Fig.1 Super Matrix and its structure

本研究所有測試均使用直線加速器（Vitalbeam,Varian 公司,美國）6 MV 光子射線進行測量，該加速器配有60對MLC葉片，等中心層面葉片寬度為0.5 cm，最大射野面積40 cm×40 cm，最高劑量率600 MU/min。采用Varian 公司的Eclipse15.5 治療計劃系統（Treatment Planning System, TPS）進行計劃設計，計算方法為AXB 算法，計算網格大小為2.0 mm。此外，采用三維水箱（IBA 公司,瑞典）的測量數據進行離軸比曲線的比對，采用PTW 公司的31014 型（0.125 cm3）指形電離室進行點劑量的比對。使用的固體水材料密度為1.045 g/cm3。

1.2 一致性校準

為了修正矩陣各探測器單元之間的差異帶來的本底和靈敏度偏差，需要先對其進行一致性校準。主要是通過泛野圖像（Flood-Field, FF）來進行校準［8-10］。具體方法為：將探測器放置在加速器等中心，設置射野大小30 cm×30 cm 以覆蓋矩陣的有效探測區域。在加速器沒有出束的條件下采集本底圖像（Dark-Field, DF）；在加速器出束的條件下采集泛野圖像，由此校準每個腔室的靈敏度。校準公式為：

其中x,y是像素點坐標，DF(x,y) 是本底圖像；FF(x,y)是泛野圖像，Iraw(x,y)為探測器直接采集的影像灰度值，I(x,y)為經過校正后的影像灰度值。

在矩陣表面添加一定厚度的固體水材料，以便探測器獲得不同的測量深度，包含矩陣表面厚度在內，分別在0.5、5.0、7.5、10.0 以及12.0 cm 共5 個深度進行一致性校準。

1.3 離軸比曲線

在上述5個不同深度下進行一致性校準后，在源皮距（Source to Surface Distance,SSD）為100 cm 的條件下，對應測量10 cm 水深下20 cm 方野的離軸比（Offset-Axis Ratio, OAR）曲線，共獲得5 組OAR 曲線，并與相同條件下三維水箱電離室測量結果進行比對。

1.4 表面等效厚度

研究矩陣中探測器表面的等效厚度。設置10 cm方野，在6 MV光子線垂直照射條件下，出束100 MU，保持SSD 不變，在矩陣表面依次添加0.5、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 和1.5 cm 的固體水。每組重復測量3 次取平均值。通過對比數據找到探測器表面的等效厚度。實驗前測量加速器輸出量的變化，其平均偏差小于0.3%，確定加速器出束是穩定的。

1.5 穩定性和線性

設置10 cm 方野，每次出束100 MU，每隔10 min測量1 次共10 次用于觀察短期穩定性；每個月測量1次共6 次用于觀察中長期的穩定性。設置跳數分別為10、20、50、100、200、400、600 MU，用于測量探測器的線性。每次測量時通過電離室修正輸出量偏差。

1.6 射野大小依賴性

在等中心條件下，表面添加1 cm 固體水（有效深度為1.5 cm），在3～25 cm 方野范圍內，用矩陣測量射野輸出因子。測量時保證足夠的背向散射。采用0.125 cc指形電離室在相同條件下測量并與之比較。

1.7 劑量率響應

設置10 cm 方野，射線垂直照射。矩陣平板放在5.0 cm 固體水上，表面添加1 cm 固體水，矩陣放置于加速器等中心，劑量率分別為40、60、100、200、300、400、500、600 MU/min，100 MU 劑量出束，用0.125 cc指形電離室在相同條件下測量并與之比較。

1.8 組合野和MLC計劃劑量驗證

采用Shaper軟件（Varian 公司,美國）設計兩組測試例：（1）一組由3、5、10、15、20、25 cm 的方野形成的組合野，每個方野接受的機器跳數為100 MU；（2）參考TG119號報告［11］，設計一組條形野，在14 cm×21 cm射野內以靜態調強方式（Step and Shoot,SS）運動，每個條形野寬度為3.0 cm，照射跳數為100 MU。使用Super Matrix 和臨床使用的Mapcheck 半導體矩陣對上述兩個測試例進行驗證。采用γ 通過率分別比較兩個矩陣測量的劑量分布與TPS計算的劑量分布，并采用3%/3 mm 和2%/2 mm 的劑量偏差和位置誤差（Distance-to-Distance,DTA）標準進行比較，以全局歸一方式計算劑量差異。

2 結果

2.1 OAR曲線

采用不同深度進行校準后，使用矩陣測量射野OAR 曲線，并與三維水箱的掃描結果比對，如圖2所示。從結果來看，在10 cm 深度處校準矩陣時，OAR曲線與三維水箱結果相對更加吻合，在射野區域內（中心點80%范圍內），其最大誤差在2%以內，采用其他深度進行刻度時，矩陣與三維水箱掃描結果的偏差會相對增加。

圖2 20 cm方野下Super Matrix與三維水箱掃描的離軸比曲線比對結果Fig.2 Comparison of the off-axis ratio curve measured by Super Matrix and that obtained by three-dimensional watertank on a 20 cm square field

2.2 建成效應

當添加0.5、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.5 cm厚度的固體水，探測器讀數分別是最大讀數的97.25%、99.60%、99.94%、100%、99.89%、99.67%、98.82%，其中，添加1.0 cm 固體水時讀數最大。具體結果如圖3所示，由于測量的百分深度劑量曲線顯示該能量下最大劑量深度在1.4～1.5 cm 之間，因此可計算出矩陣表面的有效后端大約在0.4～0.5 cm之間。

圖3 Super Matrix表面添加固體水后探頭的響應Fig.3 Response of the probe after adding solid water to the surface of Super Matrix

2.3 穩定性

穩定性變化曲線如圖4和圖5所示。其中短期穩定性的標準偏差為0.075%，最大偏差為0.14%；長期穩定性的標準偏差為0.69%，最大偏差為0.92%。

圖4 Super Matrix短期穩定性曲線Fig.4 Short-term stability of Super Matrix

圖5 Super Matrix長期穩定性曲線Fig.5 Long-term stability of Super Matrix

2.4 劑量線性

對機器跳數與測量值做線性擬合，結果如圖6所示，R2=1.000 0，擬合曲線所得理論值與實測值的偏差<0.04%。

圖6 劑量線性測量結果Fig.6 Measurement result of dose linearity

2.5 劑量率響應

矩陣與電離室的劑量率響應測量結果如圖7所示，兩組數據均以600 MU/min 劑量率測量值歸一。可見在不同劑量率條件下，矩陣中心探頭變化范圍為0.62%，與電離室相比，劑量率越小，偏差越大。

2.6 射野大小依賴性

圖8顯示矩陣測量3～25 cm方野的輸出因子結果，按10 cm方野歸一。與電離室測量結果比較后可以看出，射野越大，測量結果的偏差越來越大，25 cm方野處的偏差為1.2%左右；而當射野越來越小的時候，矩陣測量結果的偏差也越來越大，3 cm方野時偏差為4.4%左右。整個曲線的形狀比電離室測量結果明顯陡峭。

圖8 Super Matrix和指形電離室的射野輸出因子Fig.8 Output factor of Super Matrix and thimble ion-chamber

2.7 組合野和MLC計劃劑量驗證

在3%/3 mm 標準下，Super Matrix 和Mapcheck測量方野組合野計劃的γ 通過率分別為100.0%、98.8%；在2%/2 mm 標準下分別為99.6%、97.5%。在3%/3 mm 標準下，Super Matrix 和Mapcheck 測量MLC 條形野計劃的γ 通過率分別為99.1%、94.4%；在2%/2 mm 標準下分別為99.4%、94.4%。圖9～12 分別為Super Matrix 和Mapcheck 測量劑量分布分別與TPS計算劑量分布的對比曲線。

圖9 Super Matrix測量與TPS計算的方野組合野計劃劑量分布曲線Fig.9 Profile curve of the dose distribution in combined field plans measured by Super Matrix and calculated by TPS

圖10 Super Matrix測量與TPS計算的條形野計劃劑量分布曲線Fig.10 Profile curve of the dose distribution in strip field plans measured by Super Matrix and calculated by TPS

圖11 Mapcheck測量與TPS計算方野組合野劑量分布曲線Fig.11 Profile curve of the dose distribution in combined field plans measured by Mapcheck and calculated by TPS

圖12 Mapcheck測量與TPS計算條形野劑量分布曲線Fig.12 Profile curve of the dose distribution in strip field plans measured by Mapcheck and calculated by TPS

3 討論

穩定性和劑量學線性是探測器是否滿足臨床應用的最重要的兩個劑量學指標。目前常用的劑量驗證設備主要有半導體矩陣（例如Mapcheck,Sunnuclear 公司, 美國）、電離室矩陣（例如Matrixx,IBA 公司,比利時）以及EPID。上述探測器的劑量學特性有不少相關報道［7,12］。從本研究結果來看，所研究的矩陣類似上述探測器，也具有良好的測量穩定性和劑量學線性。滿足臨床劑量學測量的基本條件。

由于矩陣的各個探測器靈敏度之間存在差異，使用前需要進行一致性校準。該矩陣類似EPID，也是高分辨率的矩陣，因此無法用傳統的校準方式逐個探頭進行校準。此處借鑒了EPID 的“泛野”校準法。由于不同深度下的“泛野”內，其劑量或多或少存在“隆起”和“凹陷”部分，并非處處均勻，使得圖像的校準存在差異。在本研究中，測試了不同深度下的一致性校準對OAR 曲線測量的影響。從結果來看，在10 cm 深度處刻度后，獲得結果與三維水箱的測量結果更接近。這與Greer 等［9］對EPID 的研究結果類似。這也提示：對這一類高分辨率探測器進行泛野修正的基礎上，需要采用其他的方法，例如相應的數學方法作進一步修正，才能獲得更準確的測量結果［13］。

本研究采用劑量學方法測定了6 MV 光子線下探測器表面的等效厚度，研究結果顯示在0.4～0.5 cm之間。因此，在使用該矩陣進行射野或計劃的劑量測量時，可添加一定厚度的等效水材料，盡量避免在建成區內測量，還可以減少部分電子污染。如果使用了其他能量的光子線，需要重新評估該矩陣的表面等效厚度。

從劑量率響應的研究結果來看，隨著劑量率的增加，矩陣的劑量響應呈下降趨勢，但總體的偏差小于1%。因此，該矩陣運用于可變劑量率的治療技術，例如VMAT 劑量驗證方面，能夠滿足臨床要求。此外，該劑量學特性也類似EPID的相關特性，但表現相對更好一些。例如Chatelain 等［14］報道的EPID 在100～600 MU/min 劑量率范圍內，其探測器的劑量響應隨劑量率增加而下降了1.4%。Kavuma 等［15］研究的結果顯示，在100～600 MU/min劑量率范圍內，不同EPID 的最大靈敏度變化范圍大致為1%～1.8%，對于不同射野大小的依賴性來說，從圖8可以看出，其偏差趨勢是“兩頭”偏差越來越大。即相對于某固定值，射野越小或越大，其偏差越來越大。這主要是由于非晶硅探測器的低能“過響應”引起：射野越小，低能散射線少，響應低，因此測量結果更加偏小；反之，射野越大，低能射線多，響應越高，測量結果更加偏大［16］。類似EPID 在劑量測量中的臨床應用，同樣需要采用相應方法對射線依賴性進行修正。例如，采用一定的數學方法，如卷積函數進行修正，就可使得相應的偏差降低到0.5%以內［17］。

Mapcheck 是目前臨床劑量驗證中最常用的驗證設備，以往的研究表明Mapcheck 在IMAT 計劃預處理質量保證方面具有優勢［18-19］，因此本研究采用Mapcheck 與Super Matrix 進行對比。從測量結果來看，基于Super Matrix 測量的兩組測試例的劑量分布與治療計劃系統計算的劑量分布符合性較好，與Mapcheck測量結果對比，兩者幾乎無差別。當然，這只是針對兩組簡單的測試例，至于能否運用于臨床計劃，這有待于對實際病例計劃驗證的研究。

從劑量學特性的研究結果來看，該矩陣具備了臨床應用的基本條件。由于其有超高的空間分辨率，因此有望作為一個獨特的工具應用于劑量學的質量保證。但類似于EPID 的劑量學特性，也存在一些明顯的缺陷，例如低能“過響應”的特性。在開展更廣泛的臨床應用前，還需要對相應的修正方法進行更深入的研究，這也是下一步即將開展的研究工作。