二维半导体矩阵的性能及在多靶点放疗计划剂量验证中的应用研究

李小红，梅杰，龙浩，杨晶

1. 华中科技大学同济医学院附属梨园医院 肿瘤科，湖北 武汉 430077；2. 华中科技大学同济医学院附属协和医院肿瘤中心，湖北 武汉 430022；3. 中南民族大学 电子信息工程学院，湖北 武汉 430074

引言

半导体剂量验证设备因其操作便捷、测量结果重复性好，越来越广泛地被应用于放射治疗的剂量测量工作。近些年，设备厂商研发了多款小体积的半导体探测器用于小射束的点剂量测量[1-4]，同时基于上千个半导体规则排布的矩阵探测器在调强放射治疗（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）技术的二维平面剂量验证方面也表现优秀[5-7]。但原理上，半导体受辐照后得到的电信号值会受到温度、放射线剂量率、射束入射角度等诸多因素影响[8-9]。准确认识各因素对半导体测量结果的影响，对正确使用半导体开展测量工作以及根据其测量结果正确判断放疗设备状态具有重要意义。由于很多晚期肿瘤患者病灶范围较大，或有多发转移的情况，而现有加速器的最大射野面积有限（40 cm×40 cm），因此需要制定多靶点放疗计划来满足临床的需求。目前，多靶点放疗计划剂量验证的相关研究还较少。本研究基于Sun Nuclear公司的一款二维半导体矩阵探测器MapCHECK2，研究其剂量响应特性并介绍其应用于临床IMRT计划，尤其是多靶点放疗计划剂量验证的效果。

1 材料与方法

1.1 直线加速器

本研究采用瑞典医科达公司的Precise型直线加速器，X射线为6 MV均整光子束，射束形状由包含40对叶片的多叶光栅（Multi Leaf Grating，MLC）限定，测试计划由加速器配置的Monaco 5.11计划系统设计。

1.2 二维半导体矩阵

MapCHECK2二维半导体矩阵，包含1527个有效探测0.8 mm× 0.8 mm范围内的半导体探测器（图1），每一行/列探测器间均交错排布使探测器间横/纵向间隔为5 mm，对角线方向间隔为7.07 mm，构成26 cm× 32 cm的阵列整体探测面积。探测平面上下分别覆盖有1.2 cm和1.8 cm厚的PMMA材料作为建成和背向散射材料，等效于2 cm和2.8 cm厚度的水。MapCHECK2配套有专门的软件SNC Patient（Version 8.2，Sun Nuclear）用于剂量对比分析。

图1 MapCHECK2二维半导体矩阵

1.3 矩阵校准

1.3.1 阵列校准

在加速器机架和准直器均设置为0°的情况下，通过调节治疗床位置，使加速器光野十字准线对齐矩阵表面的X和Y轴标记线，源轴距设置为100 cm，此时MapCHECK2探测平面中心处于直线加速器等中心处，如图1a所示（后文中称为标准测量位置）。采用6 MV均整光子束，射野大小37 cm×37 cm，单次跳数200 MU，剂量率400 MU/min，进行5次照射的校准流程。射野中心轴线依次对准图1b中的C点（+Y方向朝向机架方向），C点（矩阵顺时针旋转90°），C点（矩阵继续顺时针旋转90°），D点，E点。使用SNC Patient软件记录测量结果。

1.3.2 绝对剂量校准

在标准测量位置，将3 cm厚固体水覆盖于MapCHECK2上。采用6 MV均整光子束，射野大小10 cm×10 cm，跳数100 MU，剂量率400 MU/min，使用SNC Patient软件记录测量结果，同时将预先用电离室SNC600c（Model 1047，Sun Nuclear公司）在同等条件下的测量结果输入软件，完成绝对剂量校准。

1.4 矩阵性能测试

以下矩阵性能测试项目在无特殊说明情况下，均是将MapCHECK2放于标准测量位置，并在其上表面覆盖3 cm厚固体水。点剂量测量取矩阵中心区域5 mm范围内的5个探测器的测量平均值。面剂量分析采用γ分析方法[10-11]对比矩阵实测与计划系统计算的剂量分布，在绝对剂量分析模式下设置10%的低剂量阈值，采用3%/2 mm和2%/2 mm的剂量差异/距离吻合标准分别计算γ通过率。

1.4.1 剂量重复性

射野大小10 cm×10 cm，单次跳数100 MU，剂量率400 MU/min，每天照射测量10次，连续测量5 d。

1.4.2 剂量线性

射野大小10 cm×10 cm，剂量率400 MU/min，单次跳数为5～500 MU（5、10、20、30、40、50、100、200、300、400和500 MU），每个跳数下重复3次测量取平均值。

1.4.3 剂量率响应

射野大小10 cm×10 cm，单次跳数100 MU，剂量率分别为75、150、300、600 MU/min，每个剂量率下重复3次测量取平均值。

1.4.4 对称性测试

采用沿矩阵探测平面中心轴翻转测试来检测矩阵响应的对称性[12]。单次跳数100 MU，剂量率400 MU/min，射野大小分别为10 cm×25 cm、20 cm×25 cm进行照射。然后将矩阵沿中心轴水平翻转180°，同条件照射。对比分析矩阵翻转前后两次实测与计划系统计算的面剂量分布。

1.4.5 角度响应

射野大小10 cm×10 cm，单次跳数100 MU，剂量率400 MU/min，旋转机架分别在 0°、30°、60°、80°、140°、180°、220°、280°、300°、330°照射矩阵，对比分析各照射角度下矩阵实测与计划系统计算的面剂量分布。

1.4.6 临床IMRT计划剂量验证

选取40例临床IMRT计划进行剂量验证，包括头颈部、胸部、腹部以及多靶点肿瘤计划各10例。在计划系统中将临床计划各射束照射角度归零，基于每个射束以2 mm计算网格高精度计算剂量分布生成各单射束的质量保证（Quality Assurance，QA）计划，利用SNC Patient软件，对比分析各射束实测与计算剂量分布并计算γ通过率。临床计划剂量验证通过率取单射束QA计划γ通过率的平均值。

2 测试结果

2.1 剂量重复性

图2为连续5 d 、10次/d的剂量重复性测试结果。同一天内剂量差别不超过0.07%，标准差最大为0.042 cGy。5 d内剂量差别不超过为0.18%，标准差为0.058 cGy。

图2 MapCHECK2的剂量重复性

2.2 剂量线性

图3为矩阵绝对剂量测量值与加速器出束跳数的对应关系。采用线性拟合测量数据，其中确定系数R2=1。

图3 MapCHECK2的剂量线性

2.3 剂量率响应

图4为矩阵的剂量率响应测试结果。在75～600 MU/min的剂量率范围内探测值偏差不超过1.6%，标准差为0.58 cGy。

图4 MapCHECK2的剂量率响应

2.4 对称性测试

矩阵对称性测试的结果如表1所示。矩阵沿探测平面中心轴水平翻转180°前后面剂量对比γ通过率最大差异为0.21%。

表1 MapCHECK2的对称性测试γ通过率（%）

2.5 角度响应

矩阵对射束入射角度的响应测试结果如表2所示。在与垂直入射偏转 80°范围内（机架角 0°～80°和 280°～0°），面剂量分布对比在3%/2 mm标准下的γ通过率大于96.4%。在与垂直入射偏转60°范围内（机架角0°～60°和300°～0°），面剂量分布对比在2%/2 mm标准下的γ通过率大于92.4%。

表2 MapCHECK2的角度响应性测试γ通过率（%）

2.6 临床IMRT计划剂量验证

临床IMRT计划剂量验证结果如表3所示。计算3%/2 mm和2%/2 mm分析标准下的平均γ通过率分别为98.3%±0.3%/98.5%±0.4% 和96.5%±0.6%/96.7%±0.8%。

表3 临床IMRT计划剂量验证γ通过率（%）

3 讨论与总结

MapCHECK2半导体矩阵探测器作为IMRT计划的面剂量验证设备，其剂量重复性与线性是根本要求。图2结果表明在同一天的多次测量及连续多天测量中，矩阵剂量测量具有良好复现性，同一天剂量差别不超过0.07%，长期剂量差别不超过0.18%。图3结果表明在5～500 MU这一覆盖单次常规IMRT单射束子野跳数范围内，矩阵接受辐照后产生电荷换算的剂量值与辐照剂量具有严格线性（确定系数R2=1）。

同时本文也引入了半导体矩阵的剂量率、对称性和角度响应研究。在Precise型直线加速器75～600 MU/min剂量率范围内，矩阵探测到的剂量值偏差最大为1.6%，其与剂量率基本呈线性关系，探测剂量值受剂量率影响的增益为0.0028 cGy· min /MU。对称性响应测试通过对比分析矩阵沿探测平面中心轴旋转180°前后两次实测与计划系统计算的剂量分布。表1显示在不同的γ分析标准下均有十分接近的通过率，最大偏差0.21%，表明矩阵响应具有高度对称性。射束角度响应测试结果显示，随着入射角度偏离垂直入射矩阵方向，射束面剂量比对的γ通过率呈现明显下降趋势，在与垂直入射偏转60°范围内（机架角0°～60°和300°～0°），面剂量分布对比在2%/2 mm标准下的γ通过率大于92.4%，当入射角度增大到80°，在2%/2 mm标准下的γ通过率降低至90%以下，在3%/2 mm标准下的γ通过率仍大于96.4%，当射束从矩阵背面入射时，在3%/2 mm标准下的γ通过率降低至90%以下。

研究中选取了头颈部、胸部、腹部以及多靶点肿瘤IMRT计划各10例开展基于矩阵的剂量验证测试。考虑到矩阵测量的剂量值具有明显射束角度依赖性[13-14]，本研究不适合采用AAPM TG-218报告中推荐的真实复合（True Composite，TC）剂量验证方法[15]。现有相关研究中采用的垂直复合照射方法可能会掩盖一些剂量传递误差，而且任何单一射束的剂量误差可能会被其他射束的剂量叠加所掩盖[16]。因此本研究采取报告中较推荐的垂直单射束依次照射（Perpendicular Field-by-Field，PFF）方法，该方法也是二维半导体矩阵剂量验证最常用的方法。表3结果显示在3%/2 mm、2%/2 mm分析标准下的平均γ通过率均高于95%的计划阈值，表明矩阵完全可以胜任PFF方法的剂量验证工作。另外，从表3中的结果可以看出，多靶点验证计划的平均γ通过率明显低于其他部位的肿瘤计划。由于多靶点的调强计划较常规计划更加复杂，MapCHECK2半导体矩阵探测器的探头虽然间距较小，但还是存在一定的不连续性，可能正是由于这微小的差异造成多靶点计划的γ通过率相对较低。另外，矩阵测量的有效面积有限，而多靶点放疗计划一般射野范围较大，这可能也是造成γ通过率相对较低的原因之一。相对于TC方法，PFF方法中的逐个射束分析可以防止复合测量中可能发生的剂量冲刷现象，即当一个射束的某些区域的不足剂量可能被来自另一个射束在同一区域的增加剂量所补偿。但PFF方法忽略了机架旋转精度、MLC叶片位置受机架角度的影响和治疗床对射线的衰减作用。基于MLC叶片位置受机架角度的影响考虑，厂商设计了等中心安装固定装置，将矩阵安装在加速器机头实现任意机架角度的照射[17]。同时为了扩展MapCHECK2在TC方法剂量验证工作中的应用，一种水等效模体MapPHAN可用于配合MapCHECK2矩阵开展旋转射束剂量验证工作[18-20]。

综上，MapCHECK2半导体矩阵的性能满足基于6 MV均整光子束临床IMRT计划的PFF方法剂量验证工作需要，配合专门设计的模体能提升其应用于TC方法剂量验证工作的潜力。