陳元華 陸中杰

（浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院放射治療科 杭州 310003）

立體定向放射外科（SRS）通過對病變部位給予單次大劑量照射以達(dá)到外科手術(shù)類似的效果，大量研究肯定了它在治療良性和惡性病變［1-3］以及功能性疾病方面的臨床作用［4-5］。立體定向體部放療（SBRT）則對腫瘤施以很少幾個分次的大劑量照射來提升治療效果，其生物效應(yīng)與SRS類似［6］。相較于低分次劑量的放射治療模式，立體定向放射治療（SRT，包括SRS 和SBRT）在技術(shù)、生物以及臨床上均存在優(yōu)勢［7-11］。隨著直線加速器（LINACs）精度的顯著提高［12］，加上多種圖像引導(dǎo)技術(shù)的臨床應(yīng)用，放射治療的精確度也越來越高［13-14］。目前，基于直線加速器的立體定向放射治療在歐美國家已被廣泛應(yīng)用，在國內(nèi)的接受度也越來越高。

相較于常規(guī)放療（1.8～2.2 Gy/次），SRT 的主要特點是分次劑量很高，治療計劃在實施時存在更大的潛在安全風(fēng)險，每一個SRT 計劃在執(zhí)行之前都必須通過劑量學(xué)驗證［15］。而對于超小靶體積的SRT 計劃，需要執(zhí)行更加嚴(yán)格的質(zhì)控以確保治療安全有效地實施。

絕對點劑量的測量是放療計劃劑量學(xué)驗證的重要項目，但目前針對超小靶體積的點劑量測量卻存在一些困難。第一，點劑量測量的前提是電離室探頭的靈敏體積相對于靶體積要小到足以將其視為一個點。對于靶區(qū)等效球體直徑小于3 cm的病例，不宜再使用標(biāo)準(zhǔn)電離室進(jìn)行測量。第二，微型電離室具備較好的點特性，但其信噪比低、穩(wěn)定性較差，而且國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)實驗室一般也不提供微型電離室的校準(zhǔn)因子。本研究旨在確立一個穩(wěn)定且準(zhǔn)確的超小靶體積點劑量測量方法。

1 設(shè)備與方法

1.1 計劃案例

實際臨床中超小靶體積SRT 在所有SRT 病例中所占比率較小，本研究共包括10 個相關(guān)的計劃案例，每周測量一個，共延續(xù)10 周。將案例按時間先后順序進(jìn)行編號，10 個計劃的計劃靶體積（PTV）參數(shù)如圖1所示。PTV體積最小值為2.03 cm3，中位值為3.86 cm3，平均值為5.45 cm3，最大值為12.10 cm3；PTV 等效球直徑最小值為1.60 cm，中位值為1.95 cm，平均值為2.09 cm，最大值為2.80 cm。所有臨床計劃和驗證計劃均由Eclipse 計劃系統(tǒng)（TPS）設(shè)計。

圖1 所選10個測量案例的PTV體積及其等效球直徑分布Fig.1 Distribution of PTV volumes and their equivalent sphere diameters for the 10 selected cases

1.2 驗證設(shè)備

驗證設(shè)備包括4 個部分，如圖2 所示。圖2（a）為SuperMAXTM參考級獨立雙通道靜電計：可獨立控制量程、偏置電壓和系統(tǒng)因子，測量量程0.001 pA～0.500 μA，0.001 pC～1.000 mC，具備觸摸屏界面和一系列高級測量功能。該靜電計的讀數(shù)可以顯示為電荷量，也可以顯示成吸收劑量。本研究中靜電計讀數(shù)顯示為電荷量，計量院給出的吸收劑量校準(zhǔn)因子為NC。圖2（b）為Exradin A19 典型標(biāo)準(zhǔn)指形電離室：有效電荷收集體積0.620 cm3，探頭長度2.62 cm，包殼外徑0.71 cm，內(nèi)徑0.61 cm，厚度0.05 cm，中心電極長度1.30 cm，直徑0.10 cm。A19 電離室使用方便，劑量測量時的擾動小。圖2（c）為Exradin A16 微型電離室：有效電荷收集體積0.007 cm3，探頭長度0.35 cm，包殼外徑0.34 cm，內(nèi)徑0.24 cm，厚度0.05 cm，中心電極長度0.17 cm，直徑0.03 cm。A16 微型電離室可以測量的最小射野面積可達(dá)0.34 cm×0.34 cm，非常適合超小靶體積SRT計劃的點劑量測量。圖2（d）為立體定向劑量驗證模體：由3塊水等效藍(lán)水模體構(gòu)成，密度1.09 g/cm3，總重4.40 kg，整體尺寸20 cm×20 cm×10 cm。中間的電離室板鉆有一個空腔，把與微型電離室或標(biāo)準(zhǔn)電離室適配的插件插入空腔，可以將電離室探頭準(zhǔn)確置于模體的正中心。該模體精巧輕便，便于搬運(yùn)、擺位和精確測量。

圖2 點劑量測量設(shè)備：(a)靜電計；(b)A19指形電離室；(c)A16微型電離室；(d)立體定向劑量驗證模體Fig.2 Point dose measuring equipment:(a)superMAX electrometer;(b)A19 farmer chamber;(c)A16 micro chamber;(d)stereotactic dose verification phantom

1.3 驗證準(zhǔn)備

預(yù)先對插有A16 微型電離室及套管（圖1（b））的立體定向模體（圖1（d））實施CT模擬掃描。掃描時“鉛點”貼在模體左、右及上表面的白色十字線交叉點上，用于確定CT影像上的參考等中心。模體CT影像按0.1 cm層厚重建后導(dǎo)入計劃系統(tǒng)，在計劃系統(tǒng)中勾畫出模體外輪廓Body和電離室的靈敏體積Chamber，同時在CT 影像上確定參考等中心點ISO。驗證計劃創(chuàng)建時僅需在TPS中將原計劃CT替換成模體CT影像并完成劑量計算，然后記錄計劃系統(tǒng)計算出的Chamber的平均劑量DTPS。

1.4 交叉校準(zhǔn)

在交叉校準(zhǔn)測量方法用于實際臨床測量前，要確保標(biāo)準(zhǔn)電離室跟微型電離室在它們公共有效測量射野范圍內(nèi)有良好的線性。將微型電離室和標(biāo)準(zhǔn)電離室插入圖1（d）藍(lán)水模體中分別進(jìn)行射野線性和劑量線性測量。射野線性在源皮距（SSD）為100 cm，射野大小分別為1 cm×1 cm、2 cm×2 cm、…、10 cm×10 cm 條件下出束100 MU 進(jìn)行測量。劑量線性在SSD為100 cm，射野大小10 cm×10 cm 條件下，分別出束100 MU、300 MU、500 MU、700 MU、900 MU和1 100 MU進(jìn)行測量。

所有測量均在靜電計開機(jī)預(yù)熱15 min后進(jìn)行，交叉校準(zhǔn)條件為SSD 為100 cm，射野大小10 cm×10 cm，出束100 MU。本底收集并歸零后先出束100 MU，但不記錄數(shù)據(jù)。然后用標(biāo)準(zhǔn)電離室和微型電離室分別進(jìn)行3次測量，記錄數(shù)據(jù)并用3次結(jié)果的平均值來計算交叉校準(zhǔn)因子（Crosscalibration factor，F(xiàn)cc）。Fcc的計算公式如式（1）。

式中：MˉStd是標(biāo)準(zhǔn)電離室讀數(shù)的平均值；Mˉmicro是微型電離室讀數(shù)的平均值。

1.5 絕對點劑量測定及誤差計算

本研究中所有超小腫瘤臨床SRT 計劃的點劑量都用微型電離室來測量。測量完成后記錄靜電計的讀數(shù)Mmicro，然后通過實時交叉校準(zhǔn)因子Fcc將微型電離室的讀數(shù)Mmicro換算成標(biāo)準(zhǔn)電離室的讀數(shù)MStd。最后再通過標(biāo)準(zhǔn)電離室的絕對劑量校準(zhǔn)因子NC計算出模體內(nèi)選定點的絕對吸收劑量DStd，并計算計劃系統(tǒng)給出的理論值DTPS與實際測量值Dstd之間的劑量偏差ED。具體計算公式定義如（2）～（4）式。

最后，用所有10 周Fcc的平均值（），對各周的絕對點劑量（D'std）及其對應(yīng)的劑量誤差（E'D）進(jìn)行重新計算，并與之前的實時測量結(jié)果進(jìn)行比較分析，具體公式如（5）～（7）式。

2 結(jié)果

同一較短測量時段內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)電離室和微型電離室的劑量線性如圖3（a）所示。標(biāo)準(zhǔn)電離室測量值的線性擬合優(yōu)度R2=1，而微型電離室測量值的線性擬合優(yōu)度R2=0.998，二者均具有很好的劑量響應(yīng)線性。圖3（b）顯示的是SSD 為100 cm、機(jī)器跳數(shù)為100 MU條件下，標(biāo)準(zhǔn)電離室和微型電離室的讀數(shù)與方形照射野邊長之間的關(guān)系（數(shù)據(jù)已用各自10 cm×10 cm射野讀數(shù)歸一化）?？梢钥吹剑湟懊娣e減小時標(biāo)準(zhǔn)電離室和微型電離室的讀數(shù)均會隨之下降，當(dāng)方形射野的邊長小于3 cm 時，二者讀數(shù)會顯著下降。當(dāng)射野邊長等于2 cm和1 cm 時，標(biāo)準(zhǔn)電離室（A19）的讀數(shù)分別下降到其10 cm×10 cm 射野條件下讀數(shù)的66.37%和31.31%，而微型電離室（A16）的讀數(shù)分別下降到其10 cm×10 cm 射野讀數(shù)的34.92%和2.95%。圖3（c）顯示的是Fcc與方形照射野邊長之間的關(guān)系。方形射野的邊長在3～10 cm時，F(xiàn)cc穩(wěn)定在0.082 4±0.000 3，而當(dāng)射野邊長小于3 cm 時，F(xiàn)cc急劇增加。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)電離室和微型電離室的(a)劑量線性、(b)射野線性以及(c)標(biāo)準(zhǔn)電離室和微型電離室之間的Fcc線性Fig.3 (a)Dose linearity and(b)field output linearity of the farmer chamber and the micro chamber,and(c)linearity of Fcc between the farmer chamber and the micro chamber

在延續(xù)10 周的較長時段內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)電離室和微型電離室在SSD 為100 cm、射野大小10 cm×10 cm、加速器跳數(shù)為100 MU條件下，3次測量讀數(shù)平均值的時間穩(wěn)定性如圖4（a）所示，圖中數(shù)據(jù)已用平均值進(jìn)行歸一化處理?？梢钥吹诫S著時間的推移，標(biāo)準(zhǔn)電離室讀數(shù)始終在其平均值±1%以內(nèi)；而微型電離室的讀數(shù)有4/10超出其平均值±3%，5/10 超出其平均值±2%。10 周時間內(nèi)按均值歸一化的Fcc如圖4（b）所示，可以看到Fcc有4/10超出其平均值±3%，其偏差主要受微型電離室讀數(shù)波動性的影響。以實時Fcc和計算出的絕對劑量誤差分布如圖4（c）所示，用實時Fcc計算出的絕對點劑量偏差ED均在±3%以內(nèi)，且有8/10不超出±2%。而用計算出的結(jié)果E'D則有2/10 超出±3%，僅5/10在±2%內(nèi)。

圖4 (a)標(biāo)準(zhǔn)電離室和微型電離室的時間穩(wěn)定性；(b)Fcc隨時間的波動性；(c)實時Fcc和Fcc計算出的點劑量誤差分布Fig.4 (a)Temporal stability of the farmer chamber and the micro chamber；(b)Fluctuation of Fccover time;(c)point dose error distribution calculated using real-time Fccand mean Fcc

3 討論

對于體積較大的腫瘤，為了保護(hù)正常組織，一般采用單次劑量1.8～2.2 Gy 的常規(guī)劑量照射［16］。對于體積較小的腫瘤，采用低分次大劑量照射（單次劑量5 Gy 以上），可以在提高腫瘤控制率的同時，增強(qiáng)對腫瘤周圍正常組織的保護(hù)。需要注意的是，針對超小體積的腫瘤，由于受到小野測量的限制［17-19］，大多數(shù)放療中心的計劃系統(tǒng)針對小野的劑量計算模型都不夠準(zhǔn)確。因而，如果開展超小體積腫瘤放療，則放療前的臨床計劃驗證對放療安全和劑量評估都必不可少。

為了獲得更好的生物效應(yīng)，SRT的單次劑量都在6 Gy 以上。更高的單次劑量伴隨著更高的潛在安全風(fēng)險，所以從這個角度來講，SRT計劃在用于臨床治療之前也必須要完成嚴(yán)格的劑量學(xué)驗證。劑量學(xué)驗證旨在確保實際投照到患者體內(nèi)的真實空間劑量與計劃系統(tǒng)理論計算的空間劑量之間的偏差在規(guī)定的容差范圍之內(nèi)。在臨床實踐中，用單一設(shè)備測量絕對空間劑量難以實現(xiàn)，通常會用一維絕對點劑量配合二維相對面劑量或三維相對體劑量來間接測量。對于SRT 計劃，絕對劑量驗證和相對劑量驗證均應(yīng)進(jìn)行，即使有研究報道指出膠片劑量計可以測量二維絕對面劑量［16，20］，但因其結(jié)果會受到很多因素的影響，仍不宜完全取代絕對點劑量測量。

標(biāo)準(zhǔn)指形電離室是測量絕對點劑量的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，不僅信噪比高、性能穩(wěn)定，而且可以定期送往國家標(biāo)準(zhǔn)劑量實驗室進(jìn)行校準(zhǔn)。由圖3（b）可知，當(dāng)方野邊長大于3 cm 時，標(biāo)準(zhǔn)指形電離室都可以準(zhǔn)確測出模體內(nèi)的劑量。因而，對于等效球體直徑大于3 cm 的腫瘤，仍推薦采用標(biāo)準(zhǔn)指形電離室進(jìn)行絕對劑量測量，因為直接用標(biāo)準(zhǔn)電離室測量操作更加方便。對于等效球體直徑小于3 cm的腫瘤的點劑量測量，標(biāo)準(zhǔn)指形電離室已不再適用，采用微型電離室更為恰當(dāng)。然而，在放療中這類腫瘤病例并不常見，因此，本研究經(jīng)過長期累積僅得到10 例腫瘤等效球體直徑小于3 cm 的樣本。

為解決微型電離室信噪比低、波動性大的問題，本研究提出了實時交叉校準(zhǔn)的絕對劑量測量方法，以期通過實時Fcc將波動性較大的微型電離室讀數(shù)“錨定”到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)電離室讀數(shù)，從而提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。該方法的優(yōu)點是可以消除微型電離室不穩(wěn)定對測量結(jié)果的影響，從而提高劑量測量精確性和穩(wěn)定性，而缺點則是每次測量都需要實時校準(zhǔn)，相對來講，操作更加繁瑣，劑量測定所需的時間相對更長。

測量時模體擺位誤差可能會對測量結(jié)果帶來一定影響，而該影響可通過CBCT圖像引導(dǎo)擺位來消除。本研究中10 個病例在不同時間實施測量，但鑒于所用模體本身及其擺位參考線的精度很高，并且每次測量前均對加速器機(jī)房的激光燈進(jìn)行校準(zhǔn)，所以擺位對測量結(jié)果的影響可以忽略。故此，本研究并沒有每次都進(jìn)行CBCT擺位校正，這種做法也與大多數(shù)放療中心的常規(guī)操作一致。

由于電離室靈敏體積的關(guān)系，尤其是在測量小靶區(qū)的點劑量時，電離室所在截面的靶區(qū)面積大小對測量結(jié)果會有一定的影響。標(biāo)準(zhǔn)電離室靈敏體積的長度為2.62 cm，當(dāng)方野邊長小于3 cm時，其測量結(jié)果已經(jīng)不能反映模體中的真實劑量。實際測量時，電離室所在層面的腫瘤靶區(qū)橫截面至少需要完全覆蓋電離室探頭的靈敏體積，而腫瘤靶區(qū)橫截面的最大值可以用靶區(qū)的等效球體直徑來間接表征，本研究建議等效球體直徑小于3 cm 的所有病例都采用微型電離室實施測量。故此，如圖1所示，本研究中所有病例也都是參照靶區(qū)的等效球體直徑而非體積來選取的。用微型電離室測量時，對最終結(jié)果影響最大的就是電離室本身的穩(wěn)定性。而通過實時交叉校準(zhǔn)消除該因素的影響正是本研究的初衷。

放療計劃執(zhí)行所采用的技術(shù)（如IMRT、3DCRT、VMAT）以及測量點相對于射野中心的偏移量會對測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。但本研究主要聚焦于超小靶區(qū)點劑量測量設(shè)備的適用性和測量方法合理性，所以放療計劃執(zhí)行技術(shù)對測量結(jié)果的影響不在本研究的范圍之內(nèi)。另外，該影響并非僅僅作用于微型電離室，常規(guī)靶區(qū)點劑量測量所采用的標(biāo)準(zhǔn)指形電離室也同樣會面對該影響，即不同計劃執(zhí)行技術(shù)下，測量的結(jié)果可能存在差異，但只要測量設(shè)備合適且測量規(guī)程恰當(dāng)，其結(jié)果都是對放療劑量的正確評估，差異來源于放療執(zhí)行技術(shù)而非劑量測量設(shè)備跟測量方法。由于微型電離室的靈敏體積非常小，靶區(qū)劑量的非均勻性以及體積平均效應(yīng)對測量結(jié)果的影響很小，所以，驗證計劃設(shè)計時通常將測量點就設(shè)置在射野中心的位置。即使二者不重合，由于本方法所針對的靶區(qū)的等效球直徑均小于3 cm，靶區(qū)內(nèi)的測量點也不會明顯偏離射野中心太遠(yuǎn)，所以測量點相對于射野中心的偏移量對結(jié)果的影響也可忽略。

如圖3 所示，對于同一個較短的測量時段來看，標(biāo)準(zhǔn)電離室和微型電離室都具有很好的劑量線性，而且在邊長為3～10 cm的方形射野下，二者讀數(shù)的比值穩(wěn)定為一個常數(shù)。當(dāng)射野邊長小于3 cm 時，由于體積平均效應(yīng)、源阻塞效應(yīng)以及失去側(cè)向電子平衡等因素，會導(dǎo)致射野中心軸上的信號減少、射野輸出因子明顯下降。微型電離室測量的是射野中軸上的很小一點，而標(biāo)準(zhǔn)電離室測量的是該點及其外部的較大區(qū)域，所以標(biāo)準(zhǔn)電離室測量數(shù)據(jù)明顯偏大，從而導(dǎo)致Fcc在射野邊長由3 cm降到1 cm時急劇增加。射野邊長小于3 cm時，標(biāo)準(zhǔn)電離室不再適用，所以交叉校準(zhǔn)要在邊長大于3 cm 的射野下進(jìn)行，建議射野邊長10 cm。另外，建議校準(zhǔn)測量點位于等效水模體表面一下5 cm 處，使之與加速器初始絕對劑量標(biāo)定以及月度質(zhì)控時絕對劑量測定點的深度保持一致。電離室的劑量線性和射野線性僅需初次使用交叉校準(zhǔn)方法前進(jìn)行驗證，若無異常，后續(xù)使用中無需重復(fù)執(zhí)行。

從圖4（a）可以看到，標(biāo)準(zhǔn)電離室的長期穩(wěn)定性很好，讀數(shù)波動在±1%以內(nèi)，而微型電離室的波動可高達(dá)5%。微型電離室的波動主要源自漏電流和噪聲，其中的噪聲影響更難以消除，而通過實時Fcc方法可以同時消除二者的影響［21-22］?；趯崟rFcc的測量方法更準(zhǔn)確，更利于患者治療順利進(jìn)行。通過圖4（c）也可以看到，用實時Fcc計算出的點劑量誤差普遍更小、更準(zhǔn)確。用——Fcc計算的點劑量誤差有可能會超出3%容差范圍，且該結(jié)果并不能有效反映真實情況。因此不建議使用某幾次Fcc的平均值甚至是某一次的Fcc值作為常量應(yīng)用到交叉校準(zhǔn)測量方法中，以避免測量結(jié)果超出閾值而導(dǎo)致重新計劃設(shè)計等一系列非必要的重復(fù)工作。