岳海振，王美嬌，劉卓倫，姚凱寧，弓健，王若曦，杜乙，張藝寶，吳昊

北京大學腫瘤醫(yī)院暨北京市腫瘤防治研究所 放療科 惡性腫瘤發(fā)病機制及轉(zhuǎn)化研究教育部重點實驗室，北京 100142

引言

基于非均整模式（Flattening Filter-Free，F(xiàn)FF）的立體定向放射治療（Stereotactic Radiotherapy，SBRT）和立體定向放射外科治療（Stereotactic Radiosurgery，SRS）[1-3]技術(shù)具有輻射野內(nèi)劑量跌落快，正常組織輻射損傷小，靶區(qū)適形度較好等優(yōu)勢。SBRT/SRS技術(shù)治療精度依賴于治療計劃系統(tǒng)優(yōu)化、計算算法精度和機械到位精度，而小尺寸輻射野基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的測量精確性決定了優(yōu)化計算算法的精度，進而影響精確放療技術(shù)成敗。目前，小尺寸輻射野沒有明確的定義，小于3 cm×3 cm的輻射野不符合北美醫(yī)學物理學家協(xié)會（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）的TG-51和國際原子能機構(gòu)（International Atomic Energy Agency，IAEA）的TRS-398等傳統(tǒng)輻射野劑量協(xié)議要求，需要特別關(guān)注吸收劑量測量工具、測量方法以及劑量學驗證。側(cè)向帶電粒子不平衡、探測器體積效應、源遮擋效應等因素，導致小尺寸輻射野基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的測量誤差較大[4]。本課題旨在研究三維水箱不同掃描方式對小尺寸輻射野基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測量精度的影響，并以蒙特卡羅模擬結(jié)果為參考，確定優(yōu)選的掃描參數(shù)設(shè)置，為FFF模式小尺寸輻射野的臨床數(shù)據(jù)測量提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 測量工具

本研究使用德國培德維（PTW）公司MP3型三維水箱和配套的測量系統(tǒng)，采用PTW 公司空間分辨率較高的硅半導體（60016）探測器作為小尺寸輻射野基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測量的科學測量工具。PTW60016為硅二極管P型半導體探測器，有效測量層面距離探測器頂端為2.42 mm，靈敏體積為1 mm2× 30 μm，標準測量電壓為0。參考探測器為PTW31010指型電離室，靈敏體積為0.125 mm3，標準測量電壓為＋400 V。

本研究選用Varian公司TrueBeam型號加速器6 MV非均整模式（6 FFF）能量在開野條件下進行測量，測量數(shù)據(jù)包括百分深度劑量（Percentile Depth Dose，PDD）、射野離軸比（Field Off Axis Ratio，OAR）等，在靜電計推薦設(shè)置參數(shù)條件下（測量通道和參考通道均設(shè)置為中量程），對比不同探測器和掃描方式（采樣時間和采樣步長）對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的影響。

1.2 測量方法

本研究選取1 cm×1 cm～4 cm×4 cm等四個小尺寸輻射野為測量對象，測量條件為源皮距（Source-Skin Distance，SSD）100 cm，劑量率為400 MU/min，OAR數(shù)據(jù)選取臨床絕對劑量測量標準深度10 cm處進行研究。

綜合考慮試驗目的和試驗效率，對于采樣時間的研究，設(shè)置為0.2、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5 s，PDD和OAR的采樣步長分別設(shè)置為1.0 mm和0.5 mm；對于采樣步長的研究，設(shè)置為0.5、1.0、2.0、3.0、5.0 mm，單個點的采樣時間設(shè)置為0.5 s。

本研究數(shù)據(jù)測量探測器PTW60016垂直水面放置，為增強參考探測器測量信號，將其放置在XY鉛門之間，并確保在射野范圍內(nèi)。由于原始數(shù)據(jù)測量結(jié)果中心軸位置和實際輻射野中心有不同程度的偏差，導致左右側(cè)半影區(qū)寬度各有差異，本研究采用對稱化處理后的OAR數(shù)據(jù)進行對比分析。

1.3 蒙特卡羅模擬

蒙卡模擬部分采用加拿大國家實驗室開發(fā)的EGSnrc程序?qū)arian公司TrueBeam 型號加速器機頭各部件（靶、初級準直器、均整器、監(jiān)測電離室、次級準直器等）進行建模與計算，其中BEAMnrc[5]程序用于模型建立，DOSXYZnrc[6]程序用于各個輻射野PDD和OAR等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計算。軔致輻射產(chǎn)生光子的最低能量（AP）和光子輸運終止能量（PCUT）設(shè)置為0.01 MeV，電子輸運終止能量（ECUT）和碰撞產(chǎn)生電子的最低能量（AE）均為0.7 MeV。6 FFF能量蒙特卡羅模型采用Source 19入射源，入射電子能量為6.1 MeV，高斯強度分布的半高全寬（Full Width at Half Maximum，F(xiàn)WHM）為0.06 cm，劑量計算結(jié)果的不確定度小于0.2%。模型建立、訓練與應用參考研究者已公開發(fā)表的研究成果[7-8]，該模型精度較高，可以用于進行醫(yī)用直線加速器的臨床劑量學和算法的驗證研究。

1.4 數(shù)據(jù)處理和評估方式

采用Gamma 1D分析1 mm位置偏差、1%劑量偏差的評估策略，對PDD、OAR測量數(shù)據(jù)與蒙卡模擬結(jié)果的進行對比分析。射線質(zhì)按照IEC60976標準計算得到，計算公式為D20/D10，不同射野的半影區(qū)寬度由研究[9]推薦方法得到。本研究中所有圖像數(shù)據(jù)采用Sigmaplot 10.0完成，統(tǒng)計分析軟件采用SPSS 21。

2 結(jié)果

2.1 采樣步長

對于6FFF能量射線質(zhì)，本研究按照IEC 60976標準進行分析，1 cm×1 cm～4 cm×4 cm等四個小尺寸輻射野不同采樣時間射線質(zhì)的平均值±標準差分別為0.496±0.004、0.505±0.002、0.510±0.001、0.512±0.004； 不 同 采 樣 步長 的 射 線 質(zhì) 為 0.498±0.003、0.504±0.002、0.510±0.002、0.512±0.002；而蒙特卡羅模擬結(jié)果為 0.500、0.505、0.510、0.512。結(jié)果表明射線質(zhì)對采樣時間和步長不敏感，與模擬結(jié)果偏差較小。因為在較大深度處（100 mm和200 mm），采樣步長和采樣時間對測量結(jié)果影響較小，其精度與蒙卡模擬結(jié)果偏差非常小。

不同采樣步長的PDD測量數(shù)據(jù)與蒙特卡羅模擬結(jié)果對比及Gamma通過率如圖1所示，圖1中僅顯示為0～50 mm的建成區(qū)和Dmax附近的數(shù)據(jù)。PDD測量數(shù)據(jù)在0～3 mm區(qū)域約4個采樣點位置差別較蒙特卡羅模擬結(jié)果較大，放在討論部分進行分析。

圖1 骨測量模式

由圖1可知，隨著采樣步長的增加，各輻射野γ值波動較大，尤其對于建成區(qū)數(shù)據(jù)。對于2.0 mm以上的采樣步長無法準確描述建成區(qū)及Dmax附近細節(jié)，本研究不予推薦。相對于1.0 mm，采樣步長為0.5 mm時對于4～300 mm深度處γ值的平均值±標準差差異較小，顯示提高采樣步長的方式對于測量精度并無明顯改善，詳見表1。另外，對于建成區(qū)的PDD數(shù)據(jù)，0.5 mm的γ值較大，表明測量結(jié)果與蒙卡模擬結(jié)果偏差較大。

表1 不同采樣步長的PDD/OAR測量數(shù)據(jù)和蒙卡模擬結(jié)果γ（±s）

表1 不同采樣步長的PDD/OAR測量數(shù)據(jù)和蒙卡模擬結(jié)果γ（±s）

0.5 mm 1.0 mm 2.0 mm 3.0 mm 5.0 mm PDD (Depth=4～300 mm)1 cm×1 cm 0.184±0.161 0.188±0.161 0.186±0.169 0.250±0.197 0.185±0.177 2 cm×2 cm 0.234±0.352 0.142±0.144 0.190±0.408 0.295±0.379 0.155±0.303 3 cm×3 cm 0.229±0.414 0.251±0.173 0.175±0.133 0.381±0.339 0.173±0.133 4 cm×4 cm 0.241±0.255 0.219±0.235 0.247±0.210 0.492±0.378 0.155±0.143 OAR 1 cm×1 cm 1.047±1.130 0.435±1.175 0.300±0.461 0.623±0.707 0.684+0.228 2 cm×2 cm 0.941±1.152 0.769±1.116 0.248±0.468 0.478±0.879 0.673±0.514 3 cm×3 cm 0.741±0.677 0.677±0.842 1.022±1.100 0.395±0.741 0.523±0.348 4 cm×4 cm 0.262±0.463 0.584±0.676 0.723±1.070 0.692±0.781 0.704±0.578

不同采樣步長對1 cm×1 cm～4 cm×4 cm等四個小尺寸輻射野深度為10 cm的OAR數(shù)據(jù)與蒙特卡羅模擬結(jié)果及γ值的對比如圖2所示。由圖可知，測量數(shù)據(jù)在半影區(qū)γ值均大于1，顯示測量誤差較大。對不同輻射野OAR數(shù)據(jù)按照Varian標準計算得到的半影區(qū)大小如圖2所示，各輻射野的半影區(qū)寬度隨采樣步長增加而增加，測量結(jié)果的半影大小均小于蒙卡模擬結(jié)果。

圖2 各輻射野OAR測量數(shù)據(jù)與蒙卡模擬結(jié)果對比

2.2 采樣時間

不同采樣時間的PDD測量數(shù)據(jù)與蒙特卡羅模擬結(jié)果對比及Gamma通過率如圖3所示，圖中僅顯示為0～50 mm的建成區(qū)和Dmax附近的數(shù)據(jù)。

圖3 不同采樣時間PDD數(shù)據(jù)及其與蒙卡模擬結(jié)果Gamma通過率對比

由圖3可知，隨著采樣時間的增加，各輻射野γ值波動較小，尤其對于建成區(qū)數(shù)據(jù)。對于0.2 s的測量數(shù)據(jù)，水面波動對測量結(jié)果影響較大，本研究不予推薦。各組數(shù)據(jù)相對于蒙卡模擬結(jié)果的γ值的平均值±標準差如表2所示，采樣時間的增加并未有效提高PDD測量數(shù)據(jù)的精度，兩者沒有直接的相關(guān)性。

表2 不同采樣時間的PDD/OAR測量數(shù)據(jù)和蒙卡模擬結(jié)果γ（±s）

表2 不同采樣時間的PDD/OAR測量數(shù)據(jù)和蒙卡模擬結(jié)果γ（±s）

0.2 s 0.5 s 0.8 s 1.0 s 1.2 s 1.5 s PDD (Depth=4～300 mm)1 cm×1 cm 0.336±0.217 0.182±0.156 0.191±0.200 0.187±0.217 0.240±0.238 0.140±0.128 2 cm×2 cm 0.174±0.147 0.142±0.144 0.166±0.139 0.163±0.126 0.218±0.128 0.150±0.130 3 cm×3 cm 0.226±0.215 0.227±0.125 0.175±0.106 0.226±0.113 0.150±0.117 0.170±0.144 4 cm×4 cm 0.448±0.399 0.271±0.236 0257±0.221 0.190±0.135 0.180±0.115 0.216±0.179 OAR 1 cm×1 cm 0.382±0.860 0.364±0.873 0.380±0.853 0.366±0.857 0.367±0.850 0376±0.862 2 cm×2 cm 0.388±0.728 0.351±0.701 0369±0.675 0.347±0.706 0.343±0.709 0.340±0.701 3 cm×3 cm 0.486±0.752 0.462±0.740 0.489±0.714 0.483±0.720 0.482±0.712 0.471±0.720 4 cm×4 cm 0.488±0.616 0.482±0.620 0.500±0.639 0.582±0.650 0.498±0.658 0.508±0.675

不同采樣時間對1 cm×1 cm～4 cm×4 cm等四個小尺寸輻射野深度為10 cm的OAR數(shù)據(jù)與蒙特卡羅模擬結(jié)果及γ值的對比如圖4所示。四個輻射野不同采樣時間的半影區(qū)寬度的平均值±標準差（單位：mm）分別為2.827±0.018、3.133±0.014、3.245±0.016、3.392±0.039，標準差較小表明數(shù)據(jù)收斂較好，各射野半影區(qū)對采樣時間不敏感，詳見圖4。測量數(shù)據(jù)在射野半影區(qū)值均大于1，顯示在該區(qū)域測量誤差較大。由表2可知，采樣時間的增加并未有效提高OAR測量數(shù)據(jù)的精度，兩者沒有直接的相關(guān)性。原因是在深度10 cm處水面波動對測量結(jié)果影響較小，對于Dmax深度OAR數(shù)據(jù)的測量，建議增大采樣時間。

圖4 各輻射野OAR測量數(shù)據(jù)與蒙卡模擬結(jié)果對比

3 討論

已有研究報道，SBRT和SRS應用于早期小細胞肺癌[10-11]、肝癌、脊索瘤、顱內(nèi)單發(fā)或多發(fā)轉(zhuǎn)移瘤[12-13]等放射治療中，有效提高了患者的生存率和腫瘤的局部控制率，尤其FFF模式下的SBRT[14-16]，治療時間顯著縮小，顯示了較好的靶區(qū)適形度，劑量跌落較快，正常組織受量較低。FFF模式下SBRT和SRS的特點是高劑量率和輻射野尺寸較?。? cm×4 cm以內(nèi)）。相對于傳統(tǒng)的均整模式，由于去除了均整器，劑量率可以達到1400 MU/min（6 FFF）和2400 MU/min（10 FFF），很大程度上提高了劑量傳遞效率[17-18]。FFF模式下的SRS和SBRT的治療精度依賴于治療計劃系統(tǒng)優(yōu)化和計算算法精度，而高劑量率和小尺寸輻射野條件下光子絕對劑量刻度和吸收劑量測量的精確性決定了精確放療技術(shù)成敗。

本研究結(jié)果表明：

（1）不同采樣時間對小尺寸輻射野的PDD和OAR數(shù)據(jù)測量結(jié)果影響較小。由于掃描過程中水箱滑塊、導軌和探測器的移動會引起水面波動，進而導致接近水面位置的測量誤差較大。增加采樣時間可降低水面波動，但較長的采樣時間對測量結(jié)果的影響有限，反而會大大增加測量時間，降低測量效率。通過對比不同采樣時間測量結(jié)果與蒙特卡羅模擬結(jié)果的偏差，本研究建議設(shè)置為0.5 s。

（2）不同采樣步長會對小尺寸輻射野基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測量結(jié)果影響較大。對于PDD數(shù)據(jù)而言，掃描步長較小時可以準確描述建成區(qū)內(nèi)的百分劑量分布情況，更加接近蒙卡模擬結(jié)果。對于OAR數(shù)據(jù)，由于射野半影區(qū)范圍較小（一般在幾個毫米量級），采樣步長過長會丟失相應數(shù)據(jù)，綜合考慮測量精度和效率，常規(guī)條件下對于PDD和OAR數(shù)據(jù)本研究均推薦使用0.5 mm的采樣步長。

（3）PTW60016半導體探測器有效測量點距離探測器端面距離為2.42 mm，當有效測量點上升至水面位置時，實際上探測器已經(jīng)露出水面，測量結(jié)果為空氣與水面交界位置的值，加之水面波動對測量結(jié)果的影響，導致在0～3 mm以內(nèi)的測量值較高，需使用外推計算方法計算。

本研究適用于靜電計標準設(shè)置參數(shù)條件下，PTW60016探測器垂直水面放置的前提下不同掃描參數(shù)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的影響。本研究結(jié)果適用于探測器垂直放置的方式，暫未討論其他可能的放置方式，這將成為后續(xù)研究的重點。本研究進一步的研究方向為對比不同型號體積較小的探測器對小尺寸輻射野基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測量結(jié)果的影響。