王志鵬， 邢書明， 王 坤， 金孫均， 范富有， 劉福斌

(1.北京交通大學(xué) 機械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044；2.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

由于水吸收劑量是醫(yī)用直線加速器校準的溯源物理量，因此水吸收劑量測量成為日常校準加速器和放射治療質(zhì)量保證的重要環(huán)節(jié)。用水體模測水吸收劑量時，由于水是液態(tài)，擺位等往往非常耗時，對于醫(yī)院很不經(jīng)濟。因此商用的水等效材料(又常被稱為固體水或固體模體，solid phantom)更適合醫(yī)院進行水吸收劑量的測量，以代替水體模進行測量。而在實踐中這些水等效材料在水吸收劑量測量的使用中仍需十分慎重，由于密度、材質(zhì)與水體模的差異,在日常校準加速器中水等效材料仍然不能完全取代水體模。

從上個世紀90年代就開展了水等效材料方面的實驗，1995年Tello等[1]詳細介紹了5種水等效材料的輸出校準，1999年Allahverdi等對環(huán)氧樹脂材料在高能射線下的相對劑量和絕對劑量測量進行了評價[2]。2003年LIU等[3]介紹了水等效材料的輸出校準情況；2005年和2006年Seuntjens，McEwen等[4，5]提供了水等效材料在加速器輸出劑量測量中需要考慮的修正；2010年Hill等[6]在低能X射線下對水等效材料進行了評價；2015年Schoenfeld等[7]通過蒙卡模擬的方法對192Ir近距離治療下水等效材料的使用進行了介紹。隨著我國每百萬人口的加速器裝機量的不斷提高，王建華，傅益謀等[8，9]進行了固體水等效性的研究，以及固體水在日常校準中的注意事項。文獻[10]對醫(yī)用加速器高能光子束水吸收劑量進行了測量，并對其不確定度進行了分析。

商用的水等效材料由于其形狀和尺寸易于控制，廣泛應(yīng)用于二維或三維劑量驗證中。本文通過水等效材料輸出校準實驗，給出水等效材料在相對劑量測量中的使用建議，并提供水等效材料在絕對劑量測量中簡單又必要的修正，以提高醫(yī)用加速器水吸收劑量測量的準確性和醫(yī)院測量該值的高效性。

2 材料與方法

2.1 使用的設(shè)備

實驗使用的加速器型號為Elekta Synergy，能量檔位6 MV和10 MV的X射線。水等效材料分別來自Standard Imaging的BLUE WATER、CIRS的Plastic Water 和IBA的RW3，顏色分別為藍色、米白色和白色,詳細規(guī)格如表1所示。

表1 實驗中使用的水等效材料和水Tab.1 Water equivalent material and water used in the experiment

實驗中使用的水為Milli-Q Advantage A10純水系統(tǒng)自制超純水；水體模為自主研發(fā)三維水體模，該三維水體模主要配合水平射束使用，入射前窗開有15 cm×15 cm(厚度為0.3 cm)的薄窗。實驗采用兩款Farmer型的探測器分別為PTW公司的30013和IBA的FC65-G，采用KEITHLEY 6517B高阻靜電計收集并讀取探測器信號。采用XMM1406測量溫度、氣壓和濕度進行空氣密度修正。由于實驗需要持續(xù)半月左右，為了確保加速器束流條件的一致性，在加速器機頭安裝了Shadow Tree方便固定穿透式電離室和指形電離室TM30012，在進行實驗中的每天早晚各一次測量加速器的輸出劑量，并用TM30012的信號作為加速器輸出劑量的日變化量。

2.2 實驗方法

測量方法主要為對比法，即在水體模中測量參考點的劑量和輻射野輸出因子，然后將水體模依次替換為藍色、米白色和白色水等效材料進行參考點劑量和輻射野輸出因子的測量。測量中采用控制變量法，保持相同的源到模體表面的距離(源表距SSD=1 000 mm)；加速器劑量率設(shè)置為400 MU/min，其中MU為monitor unit即加速器的劑量監(jiān)督單元，醫(yī)用加速器通常將射線最大劑量值點定義為1 MU=0.01 Gy，加速器劑量設(shè)置為100 MU；探測器的測量深度d取5 cm(60Co校準電離室的深度)和10 cm(加速器下校準電離室的深度)。

測量裝置如圖1所示，其中圖1(a)為水等效材料BLUE WATER和Plastic Water 在深度為10 cm時的擺放順序；圖1(b)為加速器室自主研發(fā)三維水體模擺放示意圖探測器安放在深度為 10 cm 處，這里探測器通過壁厚為0.1 cm的防水套插入水體模，防水套在這里起到了防水和定位的作用，由于水體模入射窗口有0.3 cm的有機玻璃板，考慮了有機玻璃板對水的修正，探測器向束流方向前移0.45 mm，這里采用TRS-398報告[11]進行劑量計算，不存在探測器有效測量點前移的差異；圖1(c)為RW3在深度為10 cm時的擺放順序圖；圖1(d)、圖1(e)和圖1(f)分別是該4種材質(zhì)在深度為5 cm下的擺放順序。

圖1 測量裝置示意圖Fig.1 The schematic of measuring device

2.3 水等效材料下校準加速器的修正因子

根據(jù)TRS-398報告中醫(yī)用加速器水吸收劑量校準規(guī)范，先用水體模對加速器10 MV和 6 MV 光子進行校準。分別使用PTW 30013和IBA FC65-G在測量深度d=5 cm和10 cm下各測量6次并進行漏電流檢查，取該6次實驗的平均值作為參考劑量Dr，并采用雙壓法測量電離室的離子復(fù)合效應(yīng)，改變極性電離室的極化效應(yīng)；撤掉水體模，依次更換為藍色、米白色和白色水等效材料，參考水體模測量，依次獲取不同水等效材料下的水吸收劑量Ds,p，同時測量電離室在各個水等效材料下的離子復(fù)合和極化效應(yīng)。由式(1)可求出水等效材料在絕對劑量校準中的修正因子ks,p。

(1)

水等效材料的絕對劑量修正因子是指水與水等效材料在同一測量條件下相同深度處的水吸收劑量之比，其它文獻所述水等效因子[1，3]與此含義接近。ki,day和kj,day為加速器日變化量的修正項，由式(2)計算，其中Mi,am和Mi,pm分別是第i天早上和晚上劑量儀經(jīng)溫度氣壓修正后的值。

(2)

2.4 輸出因子的計算

劑量輸出修正因子Fopt，是醫(yī)用加速器治療計劃系統(tǒng)(TPS)必要的參數(shù)[12]，輻射野越多精度越好，在輸出因子的測量中僅研究了5 cm×5 cm至40 m×40 cm的方形輻射野。由式(3)計算水體模、藍色、米白色和白色水等效材料下各個輻射野的輸出因子。

(3)

式中：Rr，10×10為源表距SSD=100 cm，模體表面為10 cm×10 cm輻射野下的靜電計讀數(shù)；Ropen為其它輻射野下的劑量讀數(shù)。加速器的設(shè)置除輻射野不同外其它均一致。

3 結(jié)果與討論

3.1 加速器輸出劑量的日穩(wěn)定性

研究了醫(yī)用加速器在2018-11-19～2019-05-25期間的穩(wěn)定性，取這段時間內(nèi)的平均值作為參考對象，取每天早上(約8時，加速器開機50 min左右)和晚上(約18時，加速器開機10 h左右)的平均值作為當天數(shù)據(jù)樣本，加速器輸出劑量的日穩(wěn)定性測量結(jié)果如圖2所示，其中圖2(a)和圖2(b)分別為10 MV X射線和6 MV X射線的日穩(wěn)定性。早上和晚上的差異在不考慮空氣密度修正前，晚上相對早上的差異為±1.1%，空氣密度修正后為±0.9%，大多數(shù)約為±0.3%。

由圖2分析可知，加速器日穩(wěn)定在考慮空氣密度修正后不論10 MV或者6 MV均不超過±1.0%，忽略空氣密度修正后，日穩(wěn)定性在±2.5%以內(nèi)(實驗室內(nèi)環(huán)境溫度年變化約為±2.0 ℃，日變化量約為±1.0 ℃，部分醫(yī)用加速器環(huán)境溫度超過此溫度，日穩(wěn)定性可能高于該值)；加速器輸出劑量的變化是同步的，即6 MV和10 MV同增同減，其它能量也應(yīng)呈現(xiàn)此規(guī)律；在溫度可控相對穩(wěn)定的環(huán)境中，氣壓由冬季至夏季緩慢降低，加速器未考慮空氣密度修正的輸出劑量由冬季至夏季緩慢降低，因此氣壓的測量也應(yīng)是加速器日常校準的必測量。

水等效材料等效性的實驗在5月份進行，取5月份均值作為參考值，并求出加速器5月份每日的相對變化量因子ki,day，用于修正由于加速器日漂移對實驗帶來的差異。

3.2 水等效材料的絕對劑量修正因子

用已知校準因子的PTW 30013和IBA FC65-G分別在BLUE WATER、Plastic Water 和RW3依次測量深度d為10 cm和5 cm處的絕對劑量Ds,p，并用水體模測量絕對劑量，由式(1)求出水等效材料的絕對劑量修正因子，如表2和表3所示，相對不確定度為0.3%。

表2為深度10 cm下用水等效材料做醫(yī)用加速器絕對劑量校準時的修正因子，由表2可知BLUE WATER在絕對劑量校準中引起的差異達2%，Plastic Water 約0.7%，目前中國多數(shù)醫(yī)院廣泛使用的RW3在校準10 MV X射線時超過1%，因此在使用類似水等效材料校準醫(yī)用加速器時需要十分慎重。

由表2和表3知，水等效材料在校準醫(yī)用加速器時，隨著X射線能量越高，引起的差異越大；隨著測量深度的增加，引起的差異越大；對該實驗重復(fù)進行3次，結(jié)果表現(xiàn)為可重復(fù)；因此水等效材料使用者可結(jié)合實驗條件，自行根據(jù)實際校準深度(詳見TRS-389報告)，測量相應(yīng)的修正因子，這些結(jié)果也可作為參考使用，建議每年校準電離室后重復(fù)測量1次。

圖2 加速器輸出劑量的日穩(wěn)定性Fig.2 Daily stability of the accelerator output dose

表2 水等效材料在深度為10 cm下的修正因子Tab.2 Correction factors for water equivalent materials at a depth of 10 cm

表3 水等效材料在深度為5 cm下的修正因子Tab.3 Correction factors for water equivalent materials at a depth of 5 cm

3.3 水等效材料下的輻射野輸出因子

圖3為輻射野輸出因子，其中圖3(a)和圖3(b)為深度10 cm處輸出因子，圖3(c)和圖3(d)為深度5 cm處輸出因子。

由圖3可知，研究中所使用的3種水等效材料的輻射野輸出因子一致性較好，在5 cm×5 cm至15 cm×15 cm之間與水體模測量結(jié)果一致，水等效材料在相對測量時表現(xiàn)較好；在輻射野由30 cm×30 cm增至40 cm×40 cm時，與30 cm×30 cm之前的趨勢略不一致，稍低頭，主要因水等效材料的長和寬均為30 cm。

水體模在15 cm×15 cm之后均高于水等效材料，主要因為水體模前窗處有由外向里開的薄窗(由圖1可知)。

圖3 輻射野輸出因子Fig.3 Output factors of various radiation field

4 結(jié) 論

針對水等效材料在校準加速器時存在的問題，研究了3種水等效材料在絕對劑量測量和相對測量時的水等效性，使用2種典型Farmer探測器進一步說明了水等效材料在劑量測量或劑量驗證中的注意事項。通過以上研究，得出以下結(jié)論：

(1) 加速器校準時，需要關(guān)注環(huán)境溫度和氣壓，在溫度可控的情況下，由于季節(jié)變化引起的氣壓變化又是引起加速器輸出劑量漂移的重要因素；

(2) 水等效材料在絕對劑量測量時，需要首先測量該材料在校準加速器時的修正因子，并且每年測量一次；

(3) 水等效材料在相對劑量測量中具有使用方便、快捷、定位準等優(yōu)勢，并且不受探測器的影響，與水體模測量結(jié)果一致性高。