轻离子束放射治疗计划系统剂量计算准确性的验证方法

王培臣，冯健，焦春营，付国涛

北京市医疗器械检验所 （北京 101111）

随着我国轻离子束治疗设备的迅猛发展，对其性能和安全评价工作的必要性和需求越来越突显其重要性。轻离子束放射治疗计划系统（radiotherapy treatment planning system，RTPS）作为重要的组成部分，其剂量计算准确性尤为重要，直接关系到患者的治疗效果和人身安全。2015年4月1日，国家药品监督管理局医疗器械技术审评中心根据市场上主要的轻离子束设备类型——质子束和碳离子束治疗设备，发布了《质子/碳离子治疗系统技术审查指导原则》[1]，其对质子束和碳离子束的RTPS 的剂量计算准确性提出了明确的指标要求。由于缺乏轻离子束RTPS 剂量计算准确性验证方法的国际、国家和行业标准，轻离子束RTPS 制造商采用的验证方法不尽相同，公布的剂量计算准确性指标缺乏可比性，因此，有必要探索并建立统一规范的验证方法。本研究依据《质子/碳离子治疗系统技术审查指导原则》的要求，参考现有外照射RTPS 行业标准，对轻离子束RTPS剂量计算准确性进行了验证，对验证过程中存在的问题进行了讨论，并给出了一些试验改善建议。

1 轻离子束RTPS 剂量计算准确性的要求

《质子/碳离子治疗系统技术审查指导原则》对轻离子束RTPS 剂量计算准确性规定了3种复杂度试验，即简单复杂度试验、中等复杂度试验和高等复杂度试验。在每种复杂度下，将《质子/碳离子治疗系统技术审查指导原则》给出的剂量分布分为4个剂量验证区，即第一、二、三、四区。第一区测量点位于布拉格峰值内，且剂量梯度小于10%/mm，为高剂量低梯度区，如扩展布拉格峰（spread out Bragg peak，SOBP）区；第二区测量点位于剂量梯度大于10%/mm 的所在区，为剂量高梯度区，如半影区、SOBP 远近侧的降落区及几何野边界内的高梯度区；第三区测量点位于布拉格峰之外入射通道的坪区，与第一区类似；第四区测量点位于几何射野边界之外或SOBP 的远端及几何野内部未穿过离子束的区域（图1）。对于简单复杂度和中等复杂度试验，第一区和第三区的剂量计算偏差不超过±5%，偏差绝对值的平均值不超过5%；对于高等复杂度试验，第一区和第三区的剂量计算偏差不超过±6%，偏差绝对值的平均值不超过5%。对于简单复杂度试验，第二区的剂量计算偏差不超过±10%或吻合距离（distance to agreement，DTA）不超过±2 mm；对于中等复杂度和高等复杂度试验，第二区的剂量计算偏差不超过±15%或DTA 不超过±3 mm。对于简单复杂度试验，第四区的剂量计算偏差不超过±5%，偏差绝对值的平均值不超过5%；对于中等复杂度试验，第四区的剂量计算偏差不超过±6%，偏差绝对值的平均值不超过5%；对于高等复杂度试验，剂量计算偏差不超过±7%，偏差绝对值的平均值不超过5%。

2 验证方法

2.1 模体

（1）均质水模体：用于简单复杂度试验RTPS 剂量计算的基本算法准确性的检验，在均质水模体中进行测量。（2）均质不规则表面模体：用于中等复杂度试验RTPS 剂量计算的非规则表面修正准确性的检验，使用双楔形或其他不规则表面模体模拟体表，在均质水模体中进行测量。（3）非均质仿真模体：用于高等复杂度试验RTPS 剂量计算的密度修正准确性的检验，使用非均质仿真模体，在均质水模体中进行测量。

2.2 仪器设备

（1）三维扫描水箱：具有良好的空间定位准确性和重复性，建议定位偏差小于0.2 mm。（2）剂量仪：建议稳定性小于0.5%。（3）电离室：鉴于目前可达到的水平，对于平行板电离室（用于中低能轻离子束测量），建议灵敏体积不超过φ5 mm×2 mm；对于指形电离室（用于中高能轻离子束测量），建议灵敏体积不超过φ2 mm×5 mm。

2.3 测量方法

2.3.1 试验布置

试验布置如图2所示，不同复杂度模体被固定到三维扫描水箱表面，图中不同复杂度模体以中等复杂度模体示意（在进行简单复杂度试验时，将该模体移除；在进行高等复杂度试验时，用高等复杂度模体——仿真模体替代）；由辐射头发出的轻离子，其辐射束轴垂直于三维扫描水箱表面，并穿过不同复杂度模体（源到三维扫描水箱表面的距离固定，为设备正常临床使用范围）；电离室位于三维扫描水箱的测量线上，用三维扫描水箱的机械运动机构驱动确定测量点的三维空间位置，以便于RTPS 剂量分布中的空间位置精确配准。使用受检RTPS 软件分别为简单复杂度试验、中等复杂度试验和高等复杂度试验设计3个治疗计划，计划使用的照射条件（能量、射野大小、子野数量、射程调制范围、射程移位器、补偿器等）按正常临床使用条件，每个计划预期产生的剂量分布（包括深度剂量和横向剂量分布）要求与图1相似。RTPS 按照图2中给出的示意的测量线（虚线）输出对应的计划剂量，用电离室剂量计测量与RTPS 输出对应位置的点剂量，并进行比较。

2.3.2 轻离子束水吸收剂量的计算

试验中，轻离子束点剂量的计算方法详见IAEA 398号报告[2]，按照下列公式进行：

其中，Dw,Q为辐射质Q 的轻离子束水吸收剂量；MQ为辐射质Q 的剂量仪测量读数；ND,w,Q0为剂量仪在参考辐射质为Q0的射束中水吸收剂量校准因子；kQ,Q0为辐射质Q 相对于参考辐射质为Q0的电离室响应校准因子。

对于以空气比释动能为校准因子的情况，ND,w,Q0的计算方法详见IAEA 277号报告[3]，此处不再赘述。

2.3.3 RTPS 剂量计算偏差

对于第一区和第三区，RTPS 剂量计算偏差按下列公式计算：

其中，Δ 为相对偏差；DP为RTPS 计算剂量；Dm为实际测量剂量。

对于第二区，RTPS 剂量计算偏差按公式（2）或DTA计算。

对于第四区，RTPS 剂量计算偏差按下列公式计算：

其中，Dc为横向曲线中心点（束轴）实测剂量。

3 结果和讨论

3.1 结果

图3～5以碳离子束为例，给出了简单复杂度情况下RTPS 深度剂量分布、坪区横向剂量分布和SOBP 区横向剂量分布剂量验证实测案例（对于中等复杂度和高等复杂度情况，验证方法类似，不再赘述）。图中的画圈标记点为物理剂量实测点，实线为RTPS 计算的物理剂量曲线，虚线为RTPS 计算的生物剂量曲线，由RTPS 计算的物理剂量乘以相对生物效应（relative biological effectiveness，RBE）函数得到。

由图3可知，物理剂量曲线在坪区（即第三区）随深度变化平缓上升，生物剂量曲线与物理剂量曲线变化相似，梯度变化略高；随后进入SOBP 近端区（即第二区），物理剂量上升梯度变大，生物剂量上升梯度变化更大；物理剂量到达最高点后即进入SOBP 区（即第一区），在SOBP区缓慢下降，生物剂量基本保持不变；随后物理剂量进入SOBP 远端区（即第二区），物理剂量迅速跌落，生物剂量以更大的梯度跌落；最后物理剂量进入SOBP 尾区（即第四区），剂量缓慢下降，生物剂量亦缓慢下降，但变化幅度略大于物理剂量。以上现象主要是由碳离子束随水模深度的增加，能量逐渐降低，RBE 逐渐增加引起。另外，对于高能碳离子束，在坪区的开始段，物理剂量曲线有略微抬升，此种现象主要是由高能碳离子束产生的碎片引起。

由图4可知，坪区横向剂量分布无论是物理剂量曲线还是生物剂量曲线，其中部（即第一区）剂量变化相对平缓，离轴后进入左右半影区（即第二区），剂量迅速跌落，随后进入左右野外区（即第四区）。

图5与图4类似，SOBP 区横向剂量分布无论是物理剂量曲线还是生物剂量曲线，其中部（即第一区）剂量变化相对平缓，离轴后进入左右半影区（即第二区），剂量迅速跌落，随后进入左右野外区（即第四区）。两者不同的是，SOBP 区生物剂量与物理剂量的比值高于坪区生物剂量与物理剂量的比值，此种现象主要是由SOBP 区的离子束产生的RBE 高于坪区的RBE 引起。

3.2 讨论

3.2.1 水吸收剂量的测量

轻离子束水吸收剂量是通过公式（1）计算得到的，其中辐射质校准因子kQ,Q0在IAEA 398号报告中给出了说明。IAEA 398号对质子束辐射质有明确的定义，并分别对不同型号电离室、不同的辐射质给出了kQ,Q0的数值。IAEA 398号报告中无碳离子束辐射质的定义，忽略不同能量的碳离子束辐射质对kQ,Q0的影响，将其考虑为常数处理，仅给出了不同型号电离室的kQ,Q0，我们尚不清楚这种简化的处理对碳离子束水吸收剂量测量不确定度的影响。另外，对于除质子和碳离子以外的轻离子束，目前尚无水吸收剂量测量的标准方法可用。基于目前测量技术的现状，在进行轻离子束水吸收剂量测量时，我们应充分考虑采用的测量方法对测量结果的影响。

3.2.2 验证模体的选择

在验证轻离子束RTPS 剂量计算准确性的过程中，除了使用水模体外，为了试验方便，在RTPS 开发验证和临床验证中还常常使用固体水模体或其他模体（仿真模体等），通过测量模体中的吸收剂量来验证模体中剂量计算的准确性。由于目前缺乏轻离子束模体对空气的组织本领比Sp,air或模体对水的组织本领比Sp,water公认的标准数据，模体中剂量计算的不确定性难于估计，因此，基于目前的测量技术标准，建议水在水模体中进行验证。

3.2.3 RTPS 剂量计算验证方式

受技术水平的限制，我们目前还没有像行业标准YY 0775-2010[4]中规定的采用标准数据比对的方式对轻离子束RTPS 剂量计算准确性进行验证，只能与轻离子束治疗设备一起采用实测的方式验证。由于每种轻离子束治疗设备的束流特性、配送方式等不同，为了保证整个轻离子束治疗设备安全、有效，我们建议RTPS 剂量计算验证与所有配套使用的设备一起进行，不建议将RTPS 仅在一种或几种型号上进行验证的结果作为适用于所有轻离子束治疗设备的评价依据。

3.2.4 剂量验证分区

轻离子束RTPS 剂量计算准确性验证是基于《质子/碳离子治疗系统技术审查指导原则》进行分区验证的（图1），在《质子/碳离子治疗系统技术审查指导原则》中，第一、二区是以剂量梯度10%/mm 来分区的，这样的分区在验证过程中存在两个问题：（1）无论是深度剂量曲线还是横向分布曲线，实际轻离子束治疗设备的束流特性可能不支持RTPS 产生大于10%/mm 的高剂量梯度分布；（2）即使束流特性可能支持RTPS 产生大于10%/mm 的高剂量梯度分布，但在临床实际应用中，以生物剂量为RTPS 设计目标，对高RBE 的轻离子束可能产生不了大于10%/mm 的物理剂量分布（见图3碳离子束RTPS 物理剂量分布）。这两个问题导致我们在实际进行RTPS 剂量计算准确性验证操作时，无法按10%/mm 的剂量梯度标准区分剂量验证的分区，进而导致无法采用各分区适用的剂量计算准确性指标。针对上述实际操作中的问题，我们提出两点改善建议：（1）脱离实际临床RTPS 的使用束缚，不考虑生物剂量，人为设计与图1相似的物理剂量分布，在不同的分区直接进行物理剂量验证；（2）根据RTPS 使用的RBE 函数，将物理剂量实测结果直接转化为生物剂量，按照如图3～5所示RTPS 计算的生物剂量曲线分区，在不同的分区与RTPS 中的生物剂量进行比较验证。

3.2.5 符合性判据

关于轻离子束RTPS剂量计算准确性符合性判据，《质子/碳离子治疗系统技术审查指导原则》针对不同的复杂度试验和不同的分区给出了明确的限值要求，在实际验证过程中可能存在两个问题：（1）出于不同的临床需求，RTPS的验证案例远比《质子/碳离子治疗系统技术审查指导原则》中给出的案例复杂，通常情况下，射野内的剂量梯度变化多样，很难用10%/mm的判据划分剂量验证区域（如SOBP远端剂量跌落区、横向剂量分布半影区的梯度小于10%/mm等，即使是如图1所示的SOBP深度剂量分布及横向剂量分布也常常如此），由此产生无法正确引用符合性判据限值的情况；（2）在比较复杂的验证案例中，可能存在极少数剂量验证点超出限值的情况。为了更加客观地评价RTPS剂量计算准确性，建议结合剂量计算相对偏差和DTA，采用γ通过率的方法进行统计评价。另外，受技术水平的限制，目前商业用途的平行板电离室的灵敏体积能够达到的最好水平为φ5 mm×1 mm，指形电离室的灵敏体积能够达到的最好水平为φ1 mm×5 mm，即便如此，也可能会给SOBP远端剂量跌落区、横向剂量分布半影区等高剂量梯度区的DTA的测量带来明显的不确定性，因此，在进行测量结果评价时应充分考虑对其的影响。

4 小结

随着我国轻离子束治疗设备在临床上应用的逐渐广泛，轻离子束RTPS剂量计算准确性的评价已越来越重要，《质子/碳离子治疗系统技术审查指导原则》的发布和实施对规范评价工作起到了重要的作用。尽管受轻离子束剂量测量技术水平的限制，加之《质子/碳离子治疗系统技术审查指导原则》在实际应用中仍存在很多问题，给验证工作带来诸多困难，但通过采取上述合理化建议和措施，可以有效解决验证工作中的困难和问题。