李小紅，梅杰，龍浩，楊晶

1. 華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬梨園醫(yī)院 腫瘤科，湖北 武漢 430077；2. 華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬協(xié)和醫(yī)院腫瘤中心，湖北 武漢 430022；3. 中南民族大學 電子信息工程學院，湖北 武漢 430074

引言

半導體劑量驗證設備因其操作便捷、測量結果重復性好，越來越廣泛地被應用于放射治療的劑量測量工作。近些年，設備廠商研發(fā)了多款小體積的半導體探測器用于小射束的點劑量測量[1-4]，同時基于上千個半導體規(guī)則排布的矩陣探測器在調(diào)強放射治療（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）技術的二維平面劑量驗證方面也表現(xiàn)優(yōu)秀[5-7]。但原理上，半導體受輻照后得到的電信號值會受到溫度、放射線劑量率、射束入射角度等諸多因素影響[8-9]。準確認識各因素對半導體測量結果的影響，對正確使用半導體開展測量工作以及根據(jù)其測量結果正確判斷放療設備狀態(tài)具有重要意義。由于很多晚期腫瘤患者病灶范圍較大，或有多發(fā)轉移的情況，而現(xiàn)有加速器的最大射野面積有限（40 cm×40 cm），因此需要制定多靶點放療計劃來滿足臨床的需求。目前，多靶點放療計劃劑量驗證的相關研究還較少。本研究基于Sun Nuclear公司的一款二維半導體矩陣探測器MapCHECK2，研究其劑量響應特性并介紹其應用于臨床IMRT計劃，尤其是多靶點放療計劃劑量驗證的效果。

1 材料與方法

1.1 直線加速器

本研究采用瑞典醫(yī)科達公司的Precise型直線加速器，X射線為6 MV均整光子束，射束形狀由包含40對葉片的多葉光柵（Multi Leaf Grating，MLC）限定，測試計劃由加速器配置的Monaco 5.11計劃系統(tǒng)設計。

1.2 二維半導體矩陣

MapCHECK2二維半導體矩陣，包含1527個有效探測0.8 mm× 0.8 mm范圍內(nèi)的半導體探測器（圖1），每一行/列探測器間均交錯排布使探測器間橫/縱向間隔為5 mm，對角線方向間隔為7.07 mm，構成26 cm× 32 cm的陣列整體探測面積。探測平面上下分別覆蓋有1.2 cm和1.8 cm厚的PMMA材料作為建成和背向散射材料，等效于2 cm和2.8 cm厚度的水。MapCHECK2配套有專門的軟件SNC Patient（Version 8.2，Sun Nuclear）用于劑量對比分析。

圖1 MapCHECK2二維半導體矩陣

1.3 矩陣校準

1.3.1 陣列校準

在加速器機架和準直器均設置為0°的情況下，通過調(diào)節(jié)治療床位置，使加速器光野十字準線對齊矩陣表面的X和Y軸標記線，源軸距設置為100 cm，此時MapCHECK2探測平面中心處于直線加速器等中心處，如圖1a所示（后文中稱為標準測量位置）。采用6 MV均整光子束，射野大小37 cm×37 cm，單次跳數(shù)200 MU，劑量率400 MU/min，進行5次照射的校準流程。射野中心軸線依次對準圖1b中的C點（+Y方向朝向機架方向），C點（矩陣順時針旋轉90°），C點（矩陣繼續(xù)順時針旋轉90°），D點，E點。使用SNC Patient軟件記錄測量結果。

1.3.2 絕對劑量校準

在標準測量位置，將3 cm厚固體水覆蓋于MapCHECK2上。采用6 MV均整光子束，射野大小10 cm×10 cm，跳數(shù)100 MU，劑量率400 MU/min，使用SNC Patient軟件記錄測量結果，同時將預先用電離室SNC600c（Model 1047，Sun Nuclear公司）在同等條件下的測量結果輸入軟件，完成絕對劑量校準。

1.4 矩陣性能測試

以下矩陣性能測試項目在無特殊說明情況下，均是將MapCHECK2放于標準測量位置，并在其上表面覆蓋3 cm厚固體水。點劑量測量取矩陣中心區(qū)域5 mm范圍內(nèi)的5個探測器的測量平均值。面劑量分析采用γ分析方法[10-11]對比矩陣實測與計劃系統(tǒng)計算的劑量分布，在絕對劑量分析模式下設置10%的低劑量閾值，采用3%/2 mm和2%/2 mm的劑量差異/距離吻合標準分別計算γ通過率。

1.4.1 劑量重復性

射野大小10 cm×10 cm，單次跳數(shù)100 MU，劑量率400 MU/min，每天照射測量10次，連續(xù)測量5 d。

1.4.2 劑量線性

射野大小10 cm×10 cm，劑量率400 MU/min，單次跳數(shù)為5～500 MU（5、10、20、30、40、50、100、200、300、400和500 MU），每個跳數(shù)下重復3次測量取平均值。

1.4.3 劑量率響應

射野大小10 cm×10 cm，單次跳數(shù)100 MU，劑量率分別為75、150、300、600 MU/min，每個劑量率下重復3次測量取平均值。

1.4.4 對稱性測試

采用沿矩陣探測平面中心軸翻轉測試來檢測矩陣響應的對稱性[12]。單次跳數(shù)100 MU，劑量率400 MU/min，射野大小分別為10 cm×25 cm、20 cm×25 cm進行照射。然后將矩陣沿中心軸水平翻轉180°，同條件照射。對比分析矩陣翻轉前后兩次實測與計劃系統(tǒng)計算的面劑量分布。

1.4.5 角度響應

射野大小10 cm×10 cm，單次跳數(shù)100 MU，劑量率400 MU/min，旋轉機架分別在 0°、30°、60°、80°、140°、180°、220°、280°、300°、330°照射矩陣，對比分析各照射角度下矩陣實測與計劃系統(tǒng)計算的面劑量分布。

1.4.6 臨床IMRT計劃劑量驗證

選取40例臨床IMRT計劃進行劑量驗證，包括頭頸部、胸部、腹部以及多靶點腫瘤計劃各10例。在計劃系統(tǒng)中將臨床計劃各射束照射角度歸零，基于每個射束以2 mm計算網(wǎng)格高精度計算劑量分布生成各單射束的質(zhì)量保證（Quality Assurance，QA）計劃，利用SNC Patient軟件，對比分析各射束實測與計算劑量分布并計算γ通過率。臨床計劃劑量驗證通過率取單射束QA計劃γ通過率的平均值。

2 測試結果

2.1 劑量重復性

圖2為連續(xù)5 d 、10次/d的劑量重復性測試結果。同一天內(nèi)劑量差別不超過0.07%，標準差最大為0.042 cGy。5 d內(nèi)劑量差別不超過為0.18%，標準差為0.058 cGy。

圖2 MapCHECK2的劑量重復性

2.2 劑量線性

圖3為矩陣絕對劑量測量值與加速器出束跳數(shù)的對應關系。采用線性擬合測量數(shù)據(jù)，其中確定系數(shù)R2=1。

圖3 MapCHECK2的劑量線性

2.3 劑量率響應

圖4為矩陣的劑量率響應測試結果。在75～600 MU/min的劑量率范圍內(nèi)探測值偏差不超過1.6%，標準差為0.58 cGy。

圖4 MapCHECK2的劑量率響應

2.4 對稱性測試

矩陣對稱性測試的結果如表1所示。矩陣沿探測平面中心軸水平翻轉180°前后面劑量對比γ通過率最大差異為0.21%。

表1 MapCHECK2的對稱性測試γ通過率（%）

2.5 角度響應

矩陣對射束入射角度的響應測試結果如表2所示。在與垂直入射偏轉 80°范圍內(nèi)（機架角 0°～80°和 280°～0°），面劑量分布對比在3%/2 mm標準下的γ通過率大于96.4%。在與垂直入射偏轉60°范圍內(nèi)（機架角0°～60°和300°～0°），面劑量分布對比在2%/2 mm標準下的γ通過率大于92.4%。

表2 MapCHECK2的角度響應性測試γ通過率（%）

2.6 臨床IMRT計劃劑量驗證

臨床IMRT計劃劑量驗證結果如表3所示。計算3%/2 mm和2%/2 mm分析標準下的平均γ通過率分別為98.3%±0.3%/98.5%±0.4% 和96.5%±0.6%/96.7%±0.8%。

表3 臨床IMRT計劃劑量驗證γ通過率（%）

3 討論與總結

MapCHECK2半導體矩陣探測器作為IMRT計劃的面劑量驗證設備，其劑量重復性與線性是根本要求。圖2結果表明在同一天的多次測量及連續(xù)多天測量中，矩陣劑量測量具有良好復現(xiàn)性，同一天劑量差別不超過0.07%，長期劑量差別不超過0.18%。圖3結果表明在5～500 MU這一覆蓋單次常規(guī)IMRT單射束子野跳數(shù)范圍內(nèi)，矩陣接受輻照后產(chǎn)生電荷換算的劑量值與輻照劑量具有嚴格線性（確定系數(shù)R2=1）。

同時本文也引入了半導體矩陣的劑量率、對稱性和角度響應研究。在Precise型直線加速器75～600 MU/min劑量率范圍內(nèi)，矩陣探測到的劑量值偏差最大為1.6%，其與劑量率基本呈線性關系，探測劑量值受劑量率影響的增益為0.0028 cGy· min /MU。對稱性響應測試通過對比分析矩陣沿探測平面中心軸旋轉180°前后兩次實測與計劃系統(tǒng)計算的劑量分布。表1顯示在不同的γ分析標準下均有十分接近的通過率，最大偏差0.21%，表明矩陣響應具有高度對稱性。射束角度響應測試結果顯示，隨著入射角度偏離垂直入射矩陣方向，射束面劑量比對的γ通過率呈現(xiàn)明顯下降趨勢，在與垂直入射偏轉60°范圍內(nèi)（機架角0°～60°和300°～0°），面劑量分布對比在2%/2 mm標準下的γ通過率大于92.4%，當入射角度增大到80°，在2%/2 mm標準下的γ通過率降低至90%以下，在3%/2 mm標準下的γ通過率仍大于96.4%，當射束從矩陣背面入射時，在3%/2 mm標準下的γ通過率降低至90%以下。

研究中選取了頭頸部、胸部、腹部以及多靶點腫瘤IMRT計劃各10例開展基于矩陣的劑量驗證測試?？紤]到矩陣測量的劑量值具有明顯射束角度依賴性[13-14]，本研究不適合采用AAPM TG-218報告中推薦的真實復合（True Composite，TC）劑量驗證方法[15]?，F(xiàn)有相關研究中采用的垂直復合照射方法可能會掩蓋一些劑量傳遞誤差，而且任何單一射束的劑量誤差可能會被其他射束的劑量疊加所掩蓋[16]。因此本研究采取報告中較推薦的垂直單射束依次照射（Perpendicular Field-by-Field，PFF）方法，該方法也是二維半導體矩陣劑量驗證最常用的方法。表3結果顯示在3%/2 mm、2%/2 mm分析標準下的平均γ通過率均高于95%的計劃閾值，表明矩陣完全可以勝任PFF方法的劑量驗證工作。另外，從表3中的結果可以看出，多靶點驗證計劃的平均γ通過率明顯低于其他部位的腫瘤計劃。由于多靶點的調(diào)強計劃較常規(guī)計劃更加復雜，MapCHECK2半導體矩陣探測器的探頭雖然間距較小，但還是存在一定的不連續(xù)性，可能正是由于這微小的差異造成多靶點計劃的γ通過率相對較低。另外，矩陣測量的有效面積有限，而多靶點放療計劃一般射野范圍較大，這可能也是造成γ通過率相對較低的原因之一。相對于TC方法，PFF方法中的逐個射束分析可以防止復合測量中可能發(fā)生的劑量沖刷現(xiàn)象，即當一個射束的某些區(qū)域的不足劑量可能被來自另一個射束在同一區(qū)域的增加劑量所補償。但PFF方法忽略了機架旋轉精度、MLC葉片位置受機架角度的影響和治療床對射線的衰減作用。基于MLC葉片位置受機架角度的影響考慮，廠商設計了等中心安裝固定裝置，將矩陣安裝在加速器機頭實現(xiàn)任意機架角度的照射[17]。同時為了擴展MapCHECK2在TC方法劑量驗證工作中的應用，一種水等效模體MapPHAN可用于配合MapCHECK2矩陣開展旋轉射束劑量驗證工作[18-20]。

綜上，MapCHECK2半導體矩陣的性能滿足基于6 MV均整光子束臨床IMRT計劃的PFF方法劑量驗證工作需要，配合專門設計的模體能提升其應用于TC方法劑量驗證工作的潛力。