二维半导体阵列用于调强放疗合成平面剂量验证测量的特性与应用的研究

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研究背景与目的:调强放射治疗(intensity modulated radiation therapy,IMRT)的目的是使肿瘤靶区得到尽可能高的剂量,同时尽量降低周围正常组织和危及重要器官受量,从而得到最佳的肿瘤治疗效果。由于这种治疗技术具有很高的靶区剂量适形度,为了保证治疗的有效性,实施IMRT必须有完善质量控制和保证措施。目前IMRT临床应用的剂量验证方法主要为对治疗计划的执行效果进行体模测量,验证重要的感兴趣点和平面的剂量分布。2-D半导体阵列是常用的IMRT治疗验证工具之一,由于其角度响应与结构不均匀等因素影响,其应用以单个射野的剂量分布验证和或单一机架角度(Single-Gantry-Angle Composite Distribution,SGAC)的虚拟合成剂量验证。难以模拟和测量和按照射野实际照射角度执行的多角度机架角合成(Multi-Gantry-Angle Composite Distribution,MGAC)剂量的验证。不利于评估计划计算或执行治疗的真实剂量误差的几何位置与大小。本研究主要通过调查一种商业化二维半导体阵列(以下简称2D阵列)的剂量学特性,包括剂量线性、测量重复性、能量依赖性、射野角度响应差异,探讨利用其进行IMRT合成剂量分布验证的测量精度、修正方法和适用范围。   材料与方法:(1)以固体体模和电离室测量等测试和比较2D阵列探头的特性包括阵列探头的剂量线性、能量响应、重复性等特性,探头响应一致性等。   (2)在不同等效水深度下2D阵列测量与电离室测量和经电离室校准后的治疗计划系统(Treatment Plan System,TPS)计算值分别比较,调查其在不同深度条件下的响应差别。使用轴向方向性响应小于5‰的指形电离室校准TPS在常规测量条件下在等效水体模中的剂量计算,再以校准后的TPS剂量计算值为间接标准,检验2D阵列的方向性响应。(3)对27例患者的IMRT计划,分别以扣除和包括90°或270°射野后分别进行SGAC和MGAC两种方式的剂量分布验证,并对比和分析其结果。   结果与分析:(1)所测试的2D半导体阵列探头有良好的剂量线性和重复性,探头的能量依赖性明显,对4MV到15MV光子线测量响应随能量的变化达约10%。(2)该2D阵列探头响应一致性校准在采用厂方推荐的26cm×26cm校准射野时,探头间响应偏差最大约1.5%,采用30cm×30cm校准射野,并在5cm等效水深度下校准后,探头间最大响应差异小于0.7%。(3)0°射野下,2D阵列在2cm和8cm等效水深度的测量值与指型电离室的差别均不超过1%,且这种差别随深度增加,射线能谱差别减少而减少。对于不同射线入射角度时,由于阵列模体为不均匀分层排列,等效深度随角度改变,导致阵列与均匀体模中的电离室测量结果存在较大差别。(4)在二维探测器阵列外附加了3cm厚度的固体水模体后,其中心探头的方向性响应在射野入射角度为90±10°和270°±10°以外的所有角度的差别均小于1%,在90±5°或270°±5°处小于3%;当射线入射角度为90°(270°)探测器阵列由于其自身结构影响,CT扫描难以处理其密度变化等原因,测量误差约20%。(5)以该2D半导体探测器阵列对27例临床IMRT治疗计划进行MGAC验证的γ指数通过率(3mm/3%通过标准)结果为94.81%±3.80%,SGAC验证的通过率结果为94.56%±4.28%,两种方式的合成平面剂量验证结果没有统计学差异但MGAC方式可以提供更多有用的临床剂量学信息。   结论:(1)所测试的2D半导体探测器阵列探头具有良好的剂量学特性,但其探头响应一致性校准应在30cm×30cm平野下进行,探头之间响应差别可以达到小于0.7%水平。(2)在附加适当厚度的模体并选择合适的测量平面后,该半导体阵列可以直接用于IMRT计划的MGAC平面剂量验证。
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