高分辨率半导体矩阵的剂量学特性

郑人川，陈阿龙，陈立新，肖德涛

1.南华大学核科学技术学院，湖南衡阳 421001；2.中山大学肿瘤防治中心/华南肿瘤学国家重点实验室，广东广州 510060

前言

在放射治疗中，调强放射治疗（Intensity-Modulated Radiation Therapy,IMRT）和容积旋转放射治疗（Volumetric-Modulated Arc Therapy, VMAT）已成为国内外主流的放射治疗技术［1-3］。与常规的放疗技术相比，IMRT 和VMAT 技术结合高精度的多叶光栅（Multi-Leaf Collimate,MLC）叶片使得高剂量分布区与靶区的适形度更好，然而治疗计划设计和执行过程也更复杂，存在许多不确定性，MLC 叶片到位精度、机架旋转角度等出现微小偏差可能导致靶区剂量分布的偏差，因此在治疗前需要进行严格质量控制和剂量验证［4-5］。目前常用的剂量验证设备主要包括Mapcheck（Sun Nuclear 公司, 美国）这一类型的半导体矩阵，以及Matrixx（IBA 公司,比利时）这一类型的电离室矩阵。这些类型矩阵探测器之间的间距相对较大，一般在7～10 mm 之间。因此，在部分治疗计划剂量验证中，由于探测器的数目不够充分或体积平均效应可能会影响验证结果的准确性［6-7］。

在本研究中，笔者将针对一款高分辨率半导体探测器矩阵（Super Matrix,瑞多思,中国）进行研究，该矩阵目前正在逐步商用的过程中。由于该矩阵在临床应用并不多，也未见相关剂量学特性的测试报道，因此本研究比较全面地评估其临床剂量学特性，期待在临床研究和临床应用方面有较好的帮助和启示。

1 材料与方法

1.1 实验设备

该矩阵主要由非晶硅半导体探测器组成，矩阵装置长315 mm、宽470 mm、高24 mm，有效测量面积为28.9 cm×28.9 cm，矩阵共有2 048×2 048 个非晶硅半导体阵列探测器，探测器相互间距为0.14 mm。玻璃体层面就是非晶硅探测器层面，厚度为0.7 mm。矩阵及其结构如图1所示。不同于常规的电子射野影像系统（Electronic Portal Imaging System, EPID），该矩阵中没有荧光层。每个半导体探测器包含一个灵敏光电二极管和一个薄膜晶体管（Thin Film Transistor,TFT），当X 射线入射时，在光电二极管的本征层产生电子空穴对，并且在外加电压作用下储存在光电二极管本身电容中。在采集图像信号期间，光电管不断充电，经过一段时间的采集后，逐行改变TFT 的控制电压，使储存光电管的电信号送到数据输出线，经放大后由计算机转为数字图像信号。

图1 探测器矩阵Super Matrix及其结构Fig.1 Super Matrix and its structure

本研究所有测试均使用直线加速器（Vitalbeam,Varian 公司,美国）6 MV 光子射线进行测量，该加速器配有60对MLC叶片，等中心层面叶片宽度为0.5 cm，最大射野面积40 cm×40 cm，最高剂量率600 MU/min。采用Varian 公司的Eclipse15.5 治疗计划系统（Treatment Planning System, TPS）进行计划设计，计算方法为AXB 算法，计算网格大小为2.0 mm。此外，采用三维水箱（IBA 公司,瑞典）的测量数据进行离轴比曲线的比对，采用PTW 公司的31014 型（0.125 cm3）指形电离室进行点剂量的比对。使用的固体水材料密度为1.045 g/cm3。

1.2 一致性校准

为了修正矩阵各探测器单元之间的差异带来的本底和灵敏度偏差，需要先对其进行一致性校准。主要是通过泛野图像（Flood-Field, FF）来进行校准［8-10］。具体方法为：将探测器放置在加速器等中心，设置射野大小30 cm×30 cm 以覆盖矩阵的有效探测区域。在加速器没有出束的条件下采集本底图像（Dark-Field, DF）；在加速器出束的条件下采集泛野图像，由此校准每个腔室的灵敏度。校准公式为：

其中x,y是像素点坐标，DF(x,y) 是本底图像；FF(x,y)是泛野图像，Iraw(x,y)为探测器直接采集的影像灰度值，I(x,y)为经过校正后的影像灰度值。

在矩阵表面添加一定厚度的固体水材料，以便探测器获得不同的测量深度，包含矩阵表面厚度在内，分别在0.5、5.0、7.5、10.0 以及12.0 cm 共5 个深度进行一致性校准。

1.3 离轴比曲线

在上述5个不同深度下进行一致性校准后，在源皮距（Source to Surface Distance,SSD）为100 cm 的条件下，对应测量10 cm 水深下20 cm 方野的离轴比（Offset-Axis Ratio, OAR）曲线，共获得5 组OAR 曲线，并与相同条件下三维水箱电离室测量结果进行比对。

1.4 表面等效厚度

研究矩阵中探测器表面的等效厚度。设置10 cm方野，在6 MV光子线垂直照射条件下，出束100 MU，保持SSD 不变，在矩阵表面依次添加0.5、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 和1.5 cm 的固体水。每组重复测量3 次取平均值。通过对比数据找到探测器表面的等效厚度。实验前测量加速器输出量的变化，其平均偏差小于0.3%，确定加速器出束是稳定的。

1.5 稳定性和线性

设置10 cm 方野，每次出束100 MU，每隔10 min测量1 次共10 次用于观察短期稳定性；每个月测量1次共6 次用于观察中长期的稳定性。设置跳数分别为10、20、50、100、200、400、600 MU，用于测量探测器的线性。每次测量时通过电离室修正输出量偏差。

1.6 射野大小依赖性

在等中心条件下，表面添加1 cm 固体水（有效深度为1.5 cm），在3～25 cm 方野范围内，用矩阵测量射野输出因子。测量时保证足够的背向散射。采用0.125 cc指形电离室在相同条件下测量并与之比较。

1.7 剂量率响应

设置10 cm 方野，射线垂直照射。矩阵平板放在5.0 cm 固体水上，表面添加1 cm 固体水，矩阵放置于加速器等中心，剂量率分别为40、60、100、200、300、400、500、600 MU/min，100 MU 剂量出束，用0.125 cc指形电离室在相同条件下测量并与之比较。

1.8 组合野和MLC计划剂量验证

采用Shaper软件（Varian 公司,美国）设计两组测试例：（1）一组由3、5、10、15、20、25 cm 的方野形成的组合野，每个方野接受的机器跳数为100 MU；（2）参考TG119号报告［11］，设计一组条形野，在14 cm×21 cm射野内以静态调强方式（Step and Shoot,SS）运动，每个条形野宽度为3.0 cm，照射跳数为100 MU。使用Super Matrix 和临床使用的Mapcheck 半导体矩阵对上述两个测试例进行验证。采用γ 通过率分别比较两个矩阵测量的剂量分布与TPS计算的剂量分布，并采用3%/3 mm 和2%/2 mm 的剂量偏差和位置误差（Distance-to-Distance,DTA）标准进行比较，以全局归一方式计算剂量差异。

2 结果

2.1 OAR曲线

采用不同深度进行校准后，使用矩阵测量射野OAR 曲线，并与三维水箱的扫描结果比对，如图2所示。从结果来看，在10 cm 深度处校准矩阵时，OAR曲线与三维水箱结果相对更加吻合，在射野区域内（中心点80%范围内），其最大误差在2%以内，采用其他深度进行刻度时，矩阵与三维水箱扫描结果的偏差会相对增加。

图2 20 cm方野下Super Matrix与三维水箱扫描的离轴比曲线比对结果Fig.2 Comparison of the off-axis ratio curve measured by Super Matrix and that obtained by three-dimensional watertank on a 20 cm square field

2.2 建成效应

当添加0.5、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.5 cm厚度的固体水，探测器读数分别是最大读数的97.25%、99.60%、99.94%、100%、99.89%、99.67%、98.82%，其中，添加1.0 cm 固体水时读数最大。具体结果如图3所示，由于测量的百分深度剂量曲线显示该能量下最大剂量深度在1.4～1.5 cm 之间，因此可计算出矩阵表面的有效后端大约在0.4～0.5 cm之间。

图3 Super Matrix表面添加固体水后探头的响应Fig.3 Response of the probe after adding solid water to the surface of Super Matrix

2.3 稳定性

稳定性变化曲线如图4和图5所示。其中短期稳定性的标准偏差为0.075%，最大偏差为0.14%；长期稳定性的标准偏差为0.69%，最大偏差为0.92%。

图4 Super Matrix短期稳定性曲线Fig.4 Short-term stability of Super Matrix

图5 Super Matrix长期稳定性曲线Fig.5 Long-term stability of Super Matrix

2.4 剂量线性

对机器跳数与测量值做线性拟合，结果如图6所示，R2=1.000 0，拟合曲线所得理论值与实测值的偏差<0.04%。

图6 剂量线性测量结果Fig.6 Measurement result of dose linearity

2.5 剂量率响应

矩阵与电离室的剂量率响应测量结果如图7所示，两组数据均以600 MU/min 剂量率测量值归一。可见在不同剂量率条件下，矩阵中心探头变化范围为0.62%，与电离室相比，剂量率越小，偏差越大。

2.6 射野大小依赖性

图8显示矩阵测量3～25 cm方野的输出因子结果，按10 cm方野归一。与电离室测量结果比较后可以看出，射野越大，测量结果的偏差越来越大，25 cm方野处的偏差为1.2%左右；而当射野越来越小的时候，矩阵测量结果的偏差也越来越大，3 cm方野时偏差为4.4%左右。整个曲线的形状比电离室测量结果明显陡峭。

图8 Super Matrix和指形电离室的射野输出因子Fig.8 Output factor of Super Matrix and thimble ion-chamber

2.7 组合野和MLC计划剂量验证

在3%/3 mm 标准下，Super Matrix 和Mapcheck测量方野组合野计划的γ 通过率分别为100.0%、98.8%；在2%/2 mm 标准下分别为99.6%、97.5%。在3%/3 mm 标准下，Super Matrix 和Mapcheck 测量MLC 条形野计划的γ 通过率分别为99.1%、94.4%；在2%/2 mm 标准下分别为99.4%、94.4%。图9～12 分别为Super Matrix 和Mapcheck 测量剂量分布分别与TPS计算剂量分布的对比曲线。

图9 Super Matrix测量与TPS计算的方野组合野计划剂量分布曲线Fig.9 Profile curve of the dose distribution in combined field plans measured by Super Matrix and calculated by TPS

图10 Super Matrix测量与TPS计算的条形野计划剂量分布曲线Fig.10 Profile curve of the dose distribution in strip field plans measured by Super Matrix and calculated by TPS

图11 Mapcheck测量与TPS计算方野组合野剂量分布曲线Fig.11 Profile curve of the dose distribution in combined field plans measured by Mapcheck and calculated by TPS

图12 Mapcheck测量与TPS计算条形野剂量分布曲线Fig.12 Profile curve of the dose distribution in strip field plans measured by Mapcheck and calculated by TPS

3 讨论

稳定性和剂量学线性是探测器是否满足临床应用的最重要的两个剂量学指标。目前常用的剂量验证设备主要有半导体矩阵（例如Mapcheck,Sunnuclear 公司, 美国）、电离室矩阵（例如Matrixx,IBA 公司,比利时）以及EPID。上述探测器的剂量学特性有不少相关报道［7,12］。从本研究结果来看，所研究的矩阵类似上述探测器，也具有良好的测量稳定性和剂量学线性。满足临床剂量学测量的基本条件。

由于矩阵的各个探测器灵敏度之间存在差异，使用前需要进行一致性校准。该矩阵类似EPID，也是高分辨率的矩阵，因此无法用传统的校准方式逐个探头进行校准。此处借鉴了EPID 的“泛野”校准法。由于不同深度下的“泛野”内，其剂量或多或少存在“隆起”和“凹陷”部分，并非处处均匀，使得图像的校准存在差异。在本研究中，测试了不同深度下的一致性校准对OAR 曲线测量的影响。从结果来看，在10 cm 深度处刻度后，获得结果与三维水箱的测量结果更接近。这与Greer 等［9］对EPID 的研究结果类似。这也提示：对这一类高分辨率探测器进行泛野修正的基础上，需要采用其他的方法，例如相应的数学方法作进一步修正，才能获得更准确的测量结果［13］。

本研究采用剂量学方法测定了6 MV 光子线下探测器表面的等效厚度，研究结果显示在0.4～0.5 cm之间。因此，在使用该矩阵进行射野或计划的剂量测量时，可添加一定厚度的等效水材料，尽量避免在建成区内测量，还可以减少部分电子污染。如果使用了其他能量的光子线，需要重新评估该矩阵的表面等效厚度。

从剂量率响应的研究结果来看，随着剂量率的增加，矩阵的剂量响应呈下降趋势，但总体的偏差小于1%。因此，该矩阵运用于可变剂量率的治疗技术，例如VMAT 剂量验证方面，能够满足临床要求。此外，该剂量学特性也类似EPID的相关特性，但表现相对更好一些。例如Chatelain 等［14］报道的EPID 在100～600 MU/min 剂量率范围内，其探测器的剂量响应随剂量率增加而下降了1.4%。Kavuma 等［15］研究的结果显示，在100～600 MU/min剂量率范围内，不同EPID 的最大灵敏度变化范围大致为1%～1.8%，对于不同射野大小的依赖性来说，从图8可以看出，其偏差趋势是“两头”偏差越来越大。即相对于某固定值，射野越小或越大，其偏差越来越大。这主要是由于非晶硅探测器的低能“过响应”引起：射野越小，低能散射线少，响应低，因此测量结果更加偏小；反之，射野越大，低能射线多，响应越高，测量结果更加偏大［16］。类似EPID 在剂量测量中的临床应用，同样需要采用相应方法对射线依赖性进行修正。例如，采用一定的数学方法，如卷积函数进行修正，就可使得相应的偏差降低到0.5%以内［17］。

Mapcheck 是目前临床剂量验证中最常用的验证设备，以往的研究表明Mapcheck 在IMAT 计划预处理质量保证方面具有优势［18-19］，因此本研究采用Mapcheck 与Super Matrix 进行对比。从测量结果来看，基于Super Matrix 测量的两组测试例的剂量分布与治疗计划系统计算的剂量分布符合性较好，与Mapcheck测量结果对比，两者几乎无差别。当然，这只是针对两组简单的测试例，至于能否运用于临床计划，这有待于对实际病例计划验证的研究。

从剂量学特性的研究结果来看，该矩阵具备了临床应用的基本条件。由于其有超高的空间分辨率，因此有望作为一个独特的工具应用于剂量学的质量保证。但类似于EPID 的剂量学特性，也存在一些明显的缺陷，例如低能“过响应”的特性。在开展更广泛的临床应用前，还需要对相应的修正方法进行更深入的研究，这也是下一步即将开展的研究工作。