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作  者：王培臣，馮健，焦春營，付國濤

單  位：北京市醫(yī)療器械檢驗(yàn)所?。ū本?01111）

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFC0105407）

 

 

〔摘　要〕該研究依據(jù)國家藥品監(jiān)督管理局醫(yī)療器械技術(shù)審評中心《質(zhì)子/碳離子治療系統(tǒng)技術(shù)審查指導(dǎo)原則》，對輕離子束放射治療計(jì)劃系統(tǒng)（RTPS）劑量計(jì)算準(zhǔn)確性的審評要求進(jìn)行了回顧，結(jié)合碳離子束試驗(yàn)實(shí)際驗(yàn)證案例，對試驗(yàn)布置、驗(yàn)證模體和測量儀器設(shè)備進(jìn)行了描述，對輕離子束 RTPS 劑量計(jì)算準(zhǔn)確性驗(yàn)證過程中可能遇到的問題進(jìn)行了分析和討論，并給出了解決以上問題的合理化建議，以便《質(zhì)子/碳離子治療系統(tǒng)技術(shù)審查指導(dǎo)原則》中的相關(guān)要求能夠順利實(shí)施；研究的目的在于闡明輕離子束 RTPS 劑量計(jì)算準(zhǔn)確性的驗(yàn)證方法，為規(guī)范驗(yàn)證操作和今后制定標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。

 

〔關(guān)鍵詞〕輕離子束；放射治療計(jì)劃系統(tǒng)；劑量計(jì)算準(zhǔn)確性

 

〔中圖分類號〕TH774

 

〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕A

 

〔文章編號〕1002-2376（2021）09-0036-04

 

隨著我國輕離子束治療設(shè)備的迅猛發(fā)展，對其性能和安全評價(jià)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(jì)劃系統(tǒng)（radiotherapy treatment planning system，RTPS）作為重要的組成部分，其劑量計(jì)算準(zhǔn)確性尤為重要，直接關(guān)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(jiān)督管理局醫(yī)療器械技術(shù)審評中心根據(jù)市場上主要的輕離子束設(shè)備類型——質(zhì)子束和碳離子束治療設(shè)備，發(fā)布了《質(zhì)子/碳離子治療系統(tǒng)技術(shù)審查指導(dǎo)原則》[1]，其對質(zhì)子束和碳離子束的RTPS的劑量計(jì)算準(zhǔn)確性提出了明確的指標(biāo)要求。由于缺乏輕離子束RTPS劑量計(jì)算準(zhǔn)確性驗(yàn)證方法的國際、國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，輕離子束RTPS制造商采用的驗(yàn)證方法不盡相同，公布的劑量計(jì)算準(zhǔn)確性指標(biāo)缺乏可比性，因此，有必要探索并建立統(tǒng)一規(guī)范的驗(yàn)證方法。本研究依據(jù)《質(zhì)子/碳離子治療系統(tǒng)技術(shù)審查指導(dǎo)原則》的要求，參考現(xiàn)有外照射RTPS行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對輕離子束RTPS劑量計(jì)算準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，對驗(yàn)證過程中存在的問題進(jìn)行了討論，并給出了一些試驗(yàn)改善建議。

 

1 輕離子束RTPS劑量計(jì)算準(zhǔn)確性的要求

 

《質(zhì)子/碳離子治療系統(tǒng)技術(shù)審查指導(dǎo)原則》對輕離子束RTPS劑量計(jì)算準(zhǔn)確性規(guī)定了3種復(fù)雜度試驗(yàn)，即簡單復(fù)雜度試驗(yàn)、中等復(fù)雜度試驗(yàn)和高等復(fù)雜度試驗(yàn)。在每種復(fù)雜度下，將《質(zhì)子/碳離子治療系統(tǒng)技術(shù)審查指導(dǎo)原則》給出的劑量分布分為4個(gè)劑量驗(yàn)證區(qū)，即第一、二、三、四區(qū)。第一區(qū)測量點(diǎn)位于布拉格峰值內(nèi)，且劑量梯度小于10%/mm，為高劑量低梯度區(qū)，如擴(kuò)展布拉格峰（spread out Bragg peak，SOBP）區(qū)；第二區(qū)測量點(diǎn)位于劑量梯度大于10%/mm 的所在區(qū)，為劑量高梯度區(qū)，如半影區(qū)、SOBP遠(yuǎn)近側(cè)的降落區(qū)及幾何野邊界內(nèi)的高梯度區(qū)；第三區(qū)測量點(diǎn)位于布拉格峰之外入射通道的坪區(qū)，與第一區(qū)類似；第四區(qū)測量點(diǎn)位于幾何射野邊界之外或 SOBP 的遠(yuǎn)端及幾何野內(nèi)部未穿過離子束的區(qū)域（圖1）。對于簡單復(fù)雜度和中等復(fù)雜度試驗(yàn)，第一區(qū)和第三區(qū)的劑量計(jì)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(fù)雜度試驗(yàn)，第一區(qū)和第三區(qū)的劑量計(jì)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(fù)雜度試驗(yàn)，第二區(qū)的劑量計(jì)算偏差不超過±10%或吻合距離（distance to agreement，DTA）不超過±2mm ；對于中等復(fù)雜度和高等復(fù)雜度試驗(yàn)，第二區(qū)的劑量計(jì)算偏差不超過±15%或 DTA不超過±3mm。對于簡單復(fù)雜度試驗(yàn)，第四區(qū)的劑量計(jì)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(fù)雜度試驗(yàn)，第四區(qū)的劑量計(jì)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(fù)雜度試驗(yàn)，劑量計(jì)算偏差不超過±7%，偏差絕對值的平均值不超過5%。

 

圖 1　劑量驗(yàn)證分區(qū)示意圖

2 驗(yàn)證方法

 

2.1  模體

 

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

 

2.2  儀器設(shè)備

 

（1）三維掃描水箱：具有良好的空間定位準(zhǔn)確性和重復(fù)性，建議定位偏差小于0.2mm。（2）劑量儀：建議穩(wěn)定性小于0.5%。（3）電離室：鑒于目前可達(dá)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φ5mm×2mm；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φ2mm×5mm。

 

2.3  測量方法

 

2.3.1  試驗(yàn)布置

 

試驗(yàn)布置如圖2所示，不同復(fù)雜度模體被固定到三維掃描水箱表面，圖中不同復(fù)雜度模體以中等復(fù)雜度模體示意（在進(jìn)行簡單復(fù)雜度試驗(yàn)時(shí)，將該模體移除；在進(jìn)行高等復(fù)雜度試驗(yàn)時(shí)，用高等復(fù)雜度模體——仿真模體替代）；由輻射頭發(fā)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(fù)雜度模體（源到三維掃描水箱表面的距離固定，為設(shè)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(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)確定測量點(diǎn)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(zhǔn)。使用受檢RTPS軟件分別為簡單復(fù)雜度試驗(yàn)、中等復(fù)雜度試驗(yàn)和高等復(fù)雜度試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)治療計(jì)劃，計(jì)劃使用的照射條件（能量、射野大小、子野數(shù)量、射程調(diào)制范圍、射程移位器、補(bǔ)償器等）按正常臨床使用條件，每個(gè)計(jì)劃預(yù)期產(chǎn)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(yīng)的計(jì)劃劑量，用電離室劑量計(jì)測量與RTPS輸出對應(yīng)位置的點(diǎn)劑量，并進(jìn)行比較。

 

圖 2　RTPS 驗(yàn)證試驗(yàn)布置示意圖

 

2.3.2  輕離子束水吸收劑量的計(jì)算

 

試驗(yàn)中，輕離子束點(diǎn)劑量的計(jì)算方法詳見IAEA 398號報(bào)告[2]，按照下列公式進(jìn)行：

其中，Dw,Q為輻射質(zhì)Q的輕離子束0水吸收劑量；MQ為輻射質(zhì)Q的劑量儀測量讀數(shù)；ND,w,Q0為劑量儀在參考輻射質(zhì)為Q0的射束中水吸收劑量校準(zhǔn)因子；kQ,Q0為輻射質(zhì)Q相對于參考輻射質(zhì)為Q0的電離室響應(yīng)校準(zhǔn)因子。

 

對于以空氣比釋動(dòng)能為校準(zhǔn)因子的情況，ND,w,Q0的計(jì)算方法詳見IAEA 277號報(bào)告[3]，此處不再贅述。

 

2.3.3  RTPS劑量計(jì)算偏差

 

對于第一區(qū)和第三區(qū)，RTPS 劑量計(jì)算偏差按下列公式計(jì)算：

其中，?為相對偏差；DP為RTPS計(jì)算劑量；Dm為實(shí)際測量劑量。

 

對于第二區(qū)，RTPS劑量計(jì)算偏差按公式（2）或DTA計(jì)算。

 

對于第四區(qū)，RTPS劑量計(jì)算偏差按下列公式計(jì)算：

 

其中，Dc為橫向曲線中心點(diǎn)（束軸）實(shí)測劑量。 

 

3 結(jié)果和討論

 

3.1  結(jié)果

 

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

 

由圖3可知，物理劑量曲線在坪區(qū)（即第三區(qū)）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(jìn)入SOBP近端區(qū)（即第二區(qū)），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(dá)最高點(diǎn)后即進(jìn)入SOBP區(qū)（即第一區(qū)），在SOBP區(qū)緩慢下降，生物劑量基本保持不變；隨后物理劑量進(jìn)入SOBP遠(yuǎn)端區(qū)（即第二區(qū)），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(jìn)入SOBP尾區(qū)（即第四區(qū)），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(xiàn)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(qū)的開始段，物理劑量曲線有略微抬升，此種現(xiàn)象主要是由高能碳離子束產(chǎn)生的碎片引起。

 

由圖4可知，坪區(qū)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(qū)）劑量變化相對平緩，離軸后進(jìn)入左右半影區(qū)（即第二區(qū)），劑量迅速跌落，隨后進(jìn)入左右野外區(qū)（即第四區(qū)）。

 

圖5與圖4類似，SOBP區(qū)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(qū)）劑量變化相對平緩，離軸后進(jìn)入左右半影區(qū)（即第二區(qū)），劑量迅速跌落，隨后進(jìn)入左右野外區(qū)（即第四區(qū)）。兩者不同的是，SOBP區(qū)生物劑量與物理劑量的比值高于坪區(qū)生物劑量與物理劑量的比值，此種現(xiàn)象主要是由SOBP區(qū)的離子束產(chǎn)生的RBE高于坪區(qū)的RBE引起。

 

圖 3　RTPS深度劑量分布驗(yàn)證

圖 4　RTPS 坪區(qū)橫向劑量分布驗(yàn)證

圖 5　RTPS SOBP區(qū)橫向劑量分布驗(yàn)證

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(jì)算得到的，其中輻射質(zhì)校準(zhǔn)因子 kQ,Q0在IAEA 398號報(bào)告中給出了說明。IAEA 398號對質(zhì)子束輻射質(zhì)有明確的定義，并分別對不同型號電離室、不同的輻射質(zhì)給出了kQ,Q0的數(shù)值。IAEA 398號報(bào)告中無碳離子束輻射質(zhì)的定義，忽略不同能量的碳離子束輻射質(zhì)對kQ,Q0的影響，將其考慮為常數(shù)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(zhì)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(biāo)準(zhǔn)方法可用?；谀壳皽y量技術(shù)的現(xiàn)狀，在進(jìn)行輕離子束水吸收劑量測量時(shí)，我們應(yīng)充分考慮采用的測量方法對測量結(jié)果的影響。

 

3.2.2  驗(yàn)證模體的選擇

 

在驗(yàn)證輕離子束RTPS劑量計(jì)算準(zhǔn)確性的過程中，除了使用水模體外，為了試驗(yàn)方便，在RTPS開發(fā)驗(yàn)證和臨床驗(yàn)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(yàn)證模體中劑量計(jì)算的準(zhǔn)確性。由于目前缺乏輕離子束模體對空氣的組織本領(lǐng)比Sp,air或模體對水的組織本領(lǐng)比Sp,water公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，模體中劑量計(jì)算的不確定性難于估計(jì)，因此，基于目前的測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，建議水在水模體中進(jìn)行驗(yàn)證。

 

3.2.3  RTPS劑量計(jì)算驗(yàn)證方式

 

受技術(shù)水平的限制，我們目前還沒有像行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY 0775-2010[4]中規(guī)定的采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)比對的方式對輕離子束RTPS劑量計(jì)算準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，只能與輕離子束治療設(shè)備一起采用實(shí)測的方式驗(yàn)證。由于每種輕離子束治療設(shè)備的束流特性、配送方式等不同，為了保證整個(gè)輕離子束治療設(shè)備安全、有效，我們建議RTPS劑量計(jì)算驗(yàn)證與所有配套使用的設(shè)備一起進(jìn)行，不建議將RTPS僅在一種或幾種型號上進(jìn)行驗(yàn)證的結(jié)果作為適用于所有輕離子束治療設(shè)備的評價(jià)依據(jù)。

 

3.2.4  劑量驗(yàn)證分區(qū)

 

輕離子束RTPS劑量計(jì)算準(zhǔn)確性驗(yàn)證是基于《質(zhì)子/碳離子治療系統(tǒng)技術(shù)審查指導(dǎo)原則》進(jìn)行分區(qū)驗(yàn)證的（圖1），在《質(zhì)子/碳離子治療系統(tǒng)技術(shù)審查指導(dǎo)原則》中，第一、二區(qū)是以劑量梯度10%/mm來分區(qū)的，這樣的分區(qū)在驗(yàn)證過程中存在兩個(gè)問題：（1）無論是深度劑量曲線還是橫向

分布曲線，實(shí)際輕離子束治療設(shè)備的束流特性可能不支持RTPS產(chǎn)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(chǎn)生大于10%/mm的高劑量梯度分布，但在臨床實(shí)際應(yīng)用中，以生物劑量為RTPS設(shè)計(jì)目標(biāo)，對高RBE的輕離子束可能產(chǎn)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(gè)問題導(dǎo)致我們在實(shí)際進(jìn)行RTPS劑量計(jì)算準(zhǔn)確性驗(yàn)證操作時(shí)，無法按10%/mm的劑量梯度標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分劑量驗(yàn)證的分區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致無法采用各分區(qū)適用的劑量計(jì)算準(zhǔn)確性指標(biāo)。針對上述實(shí)際操作中的問題，我們提出兩點(diǎn)改善建議：（1）脫離實(shí)際臨床RTPS的使用束縛，不考慮生物劑量，人為設(shè)計(jì)與圖1相似的物理劑量分布，在不同的分區(qū)直接進(jìn)行物理劑量驗(yàn)證；（2）根據(jù)RTPS使用的RBE函數(shù)，將物理劑量實(shí)測結(jié)果直接轉(zhuǎn)化為生物劑量，按照如圖3~5所示RTPS計(jì)算的生物劑量曲線分區(qū)，在不同的分區(qū)與RTPS中的生物劑量進(jìn)行比較驗(yàn)證。

 

3.2.5  符合性判據(jù)

 

關(guān)于輕離子束RTPS劑量計(jì)算準(zhǔn)確性符合性判據(jù)，《質(zhì)子/碳離子治療系統(tǒng)技術(shù)審查指導(dǎo)原則》針對不同的復(fù)雜度試驗(yàn)和不同的分區(qū)給出了明確的限值要求，在實(shí)際驗(yàn)證過程中可能存在兩個(gè)問題：（1）出于不同的臨床需求，RTPS的驗(yàn)證案例遠(yuǎn)比《質(zhì)子/碳離子治療系統(tǒng)技術(shù)審查指導(dǎo)原則》中給出的案例復(fù)雜，通常情況下，射野內(nèi)的劑量梯度變化多樣，很難用10%/mm的判據(jù)劃分劑量驗(yàn)證區(qū)域（如SOBP遠(yuǎn)端劑量跌落區(qū)、橫向劑量分布半影區(qū)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(chǎn)生無法正確引用符合性判據(jù)限值的情況；（2）在比較復(fù)雜的驗(yàn)證案例中，可能存在極少數(shù)劑量驗(yàn)證點(diǎn)超出限值的情況。為了更加客觀地評價(jià)RTPS劑量計(jì)算準(zhǔn)確性，建議結(jié)合劑量計(jì)算相對偏差和DTA，采用γ通過率的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評價(jià)。另外，受技術(shù)水平的限制，目前商業(yè)用途的平行板電離室的靈敏體積能夠達(dá)到的最好水平為φ5mm×1mm，指形電離室的靈敏體積能夠達(dá)到的最好水平為φ1mm×5mm，即便如此，也可能會給SOBP遠(yuǎn)端劑量跌落區(qū)、橫向劑量分布半影區(qū)等高劑量梯度區(qū)的DTA的測量帶來明顯的不確定性，因此，在進(jìn)行測量結(jié)果評價(jià)時(shí)應(yīng)充分考慮對其的影響。

 

4 討論

 

隨著我國輕離子束治療設(shè)備在臨床上應(yīng)用的逐漸廣泛，輕離子束RTPS劑量計(jì)算準(zhǔn)確性的評價(jià)已越來越重要，《質(zhì)子/碳離子治療系統(tǒng)技術(shù)審查指導(dǎo)原則》的發(fā)布和實(shí)施對規(guī)范評價(jià)工作起到了重要的作用。盡管受輕離子束劑量測量技術(shù)水平的限制，加之《質(zhì)子/碳離子治療系統(tǒng)技術(shù)審查指導(dǎo)原則》在實(shí)際應(yīng)用中仍存在很多問題，給驗(yàn)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(yàn)證工作中的困難和問題。

 

【參考文獻(xiàn)】

［1］國家藥品監(jiān)督管理局.關(guān)于發(fā)布質(zhì)子/碳離子治療系統(tǒng)技術(shù)審查指導(dǎo)原則的通告（2015年第112號）[EB/OL].[2015-12-13]. https://wenku.baidu.com/view/f7177181cdbff121dd36a32d7375a417876fc106.html.

［2］Absorbed Dose Determination in External Beam Radiotherapy: An International Code of Practice for Dosimetry Based on Standards of Absorbed Dose to Water, Technical Reports Series No. 398 (2000),IAEA.

［3］Absorbed Dose Determination in Photon and Electron Beams: An International Code of Practice, Technical Reports Series No.277 (1997),IAEA.

［4］國家食品藥品監(jiān)督管理局.YY 0775-2010遠(yuǎn)距離放射治療計(jì)劃系統(tǒng) 高能X（γ）射束劑量計(jì)算準(zhǔn)確性要求和試驗(yàn)方法[S/OL].[2012-06-01].