高 翔, 余燕娟, 石麗婉

(1. 廈門大學 附屬第一醫(yī)院 放療科,福建 廈門 361001;2. 漳州職業(yè)技術學院, 福建 漳州 363000)

1 引 言

隨著放療設備的不斷更新,放療技術也是日新月異。以體部立體定向放射治療(stereotactic body radiation therapy, SBRT)與頭部立體定向放射治療(stereotactic radiosurgery, SRS)為主的的精確放療逐漸得到醫(yī)生和病人的青睞,應用越來越廣泛。這種大劑量、小照射野的放射治療方式對于定位準確度和靶區(qū)內、外劑量的控制有十分嚴格的要求。精確放療要求射線束劑量盡可能多的投照在腫瘤靶區(qū)上,而周圍正常組織受到的劑量盡可能的小,這就要求靶區(qū)與周邊正常組織或危及器官形成比較高的劑量跌落梯度[1]。

要想實現(xiàn)這一目標,計劃系統(tǒng)的建模數(shù)據(jù)是整個放療準確的基礎,這直接影響到計算結果的準確性,其中計算模型的建立依賴精確的數(shù)據(jù)測量。對于小照射野(≤3.0 cm×3.0 cm)的測量,當側向電子平衡不能建立時,測量照射野的中心軸劑量探頭大小應該盡可能小于照射野半徑。蒙特卡羅在水中模擬側向散射的結果表明:對于6 MV的光子,側向電子平衡能夠建立的最小照射野半徑為1.0～1.3 cm;10 MV的光子線射野半徑約為1.7 cm[2,3]。因此,在小照射野的建模數(shù)據(jù)測量中,電離室選擇和水箱擺位的準確與否對測量結果影響極大。

本文通過使用半導體探頭和膠片劑量儀,分別在IBA三維水箱和固體水中測量瓦里安直線加速器6 MV光子0.6 cm×0.6 cm,1.0 cm×1.0 cm,1.6 cm×1.6 cm,2.0 cm×2.0 cm的照射野物理數(shù)據(jù)。比較分析兩種測量方式在數(shù)據(jù)測量中的差異,期望能夠為后期建立準確的小照射野計算模型提供數(shù)據(jù)支持。

2 材料與方法

2.1 醫(yī)用直線加速器

瓦里安23EX直線加速器,6 MV光子,內置120片多葉光柵(multi leaf collimator, MLC)。

2.2 水模與探頭

采用IBA公司48 cm×48 cm×41 cm的Blue Phantom 2水箱與固體水(規(guī)格30 cm×30 cm×1 cm,多片疊加),0.01 cm3(RAZOR,IBA公司)半導體探頭(隱形參考電離室),GAFCHROMIC EBT3膠片,Film QATMPro膠片分析軟件與Epson Expression 10000XL掃描儀(日本Epson公司)。

膠片劑量儀在數(shù)據(jù)讀取之前需要進行刻度,本次測量的刻度采用的是在標準照射野(10 cm×10 cm),分別用50 MU(MU為monitor units的縮寫, 1 MU=1 cGy),100 MU,200 MU,300 MU照射刻度,然后將實驗中測量的膠片數(shù)據(jù)放置讀取,值得強調的是刻度的膠片與實驗使用的膠片間隔時間不能太長,膠片盡量用同一批次。膠片劑量讀取時,所選感興趣區(qū)域(region of interest,ROI)范圍不能超過顯影區(qū),讀取平均值。

2.3 測量方法

(1)射野中散射因子Scp

Scp是在電離室位于水下5 cm處,源到表面距離(SSD)100 cm,設置機器出束 100 MU,射野大小分別設置為0.6 cm×0.6 cm,1.0 cm×1.0 cm,1.6 cm×1.6 cm,2.0 cm×2.0 cm,3.0 cm×3.0 cm～10.0 cm×10.0 cm的條件下測量,并歸一到 10.0 cm×10.0 cm照射野后獲得。如果在固體水中測量,需要對固體水體模進行校正[4～6]。固體水體模的測量深度dm與水中的測量深度dw之間的關系為:

(1)

式中:ρm是固體水體模的密度;Zm和Zw分別為固體水體模和水的平均原子序數(shù);Am和Aw分別為固體水體模和水的平均原子量。

(2)百分深度劑量(percentage depth dose, PDD)曲線

在機架角與準直器均為0°條件下,用2種方式獲得PDD數(shù)據(jù):第1種方式,在SSD=100 cm的情況下,用Blue Phantom 2水箱掃描水深從水下30 cm到水上0.5 cm的輸出劑量,采用step by step模式,步進1 mm;第2種方式,將30 cm×30 cm固體水模體放置于治療床上,標記EBT3膠片方向,膠片的長軸為束流照射方向,將膠片放置于固體水模體中垂直于床面,膠片方向與束流照射方向平行照射,固體水中測量數(shù)據(jù)利用式(1)進行轉換。

(3)離軸比(OAR)曲線

條件參照PDD曲線,水箱采用step by step模式,步長2 mm,測量深度為水下5 cm。膠片夾放在固體水5 cm(根據(jù)式(1)轉換)處,100 MU垂直照射。

3 測試結果分析

3.1 PDD曲線

圖1為膠片劑量儀與半導體探頭測得6 MV光子線的PDD數(shù)據(jù)。半導體探頭具有小的測量體積,體積平均效應不明顯,該類型探測器敏感度較低,對低吸收劑量的區(qū)域能量響應不足[7];而膠片劑量儀具有能量相關性,由圖1可以看出,水下10 cm以后,2條曲線的偏差變大(最大7%)。對比詳細蒙卡模擬數(shù)據(jù)[8],半導體探頭測量的數(shù)據(jù)更靠近理論值,這一點同樣在文獻[9]中得到了驗證。表1列出了6 MV光子線條件下,膠片劑量儀與半導體探頭在不同照射野時測得的PDD曲線數(shù)據(jù)。

表1 膠片劑量儀與半導體探頭在不同照射野時測得的PDD 曲線數(shù)據(jù)(6 MV光子)Tab.1 The PDD data of tissue measured by film dosimeter and diode detector in different irradiation fields(6 MV photon)

圖1 膠片劑量儀與半導體探頭測得6 MV光子線PDD數(shù)據(jù)Fig.1 The PDD data of the 6 MV photons measured by the film dosimeter and the diode detector

3.2 總散射校準因子Scp

以VARIAN TPS計劃系統(tǒng)建模時的數(shù)據(jù)作為參考,用IBA RAZOR探頭測得數(shù)據(jù)、膠片劑量儀測得數(shù)據(jù)和TPS計算所得數(shù)據(jù)分別結算Scp,計算公式為:

Scp=(Dth-Dm)/Dth

(2)

式中:Dth為理論值;Dm為測量或計算值。

不同射野下6 MV光子線總散射校準因子Scp見圖2。

圖2中在射野寬度為6 cm和7 cm時出現(xiàn)異常點,異常點出現(xiàn)的原因可能是由于膠片劑量儀讀取的非線性或機器的不穩(wěn)定性,詳細的原因在進一步排查中。

圖2 不同射野下測得6 MV光子線總散射校準因子ScpFig.2 The total scattering factor (Scp) of 6 MV photon measured in different cases

表2列出了不同照射野情況下,不同測量方式的測量值,也給出了TPS理論計算結果。由表2可見,總散射校準因子TPS計算理論值與半導體探頭測得最大偏差約為-2.7%,與膠片實測值偏差約12%。

表2 不同照射野情況下不同測量方法測得總散射因子ScpTab.2 Scp values of different measurement methods for different radiation fields

膠片劑量儀在掃描的過程中因為透光或者擺放位置的不同等原因,會有5%的誤差值。實驗結果證明:機器TPS建模時候在考慮小野情況下,由于側向電子平衡不能滿足,計算結果與實際檢測結果有一定偏差。因此,如果機器TPS沒有小野(≤3.0 cm)建模,在實際治療過程中,最好不要直接使用TPS計算結果。

3.3 離軸比曲線(OAR)

圖3是用膠片劑量儀和半導體探頭測得的不同小野下的離軸比曲線(off-axis ratio profiles,OAR)。

圖3 膠片劑量儀和半導體探頭測得的不同小野數(shù)據(jù)Fig.3 Data of different fields measured by film dosimeter and diode detector

表3為半導體探頭測得的水下5 cm處6 MV光子線平坦度、對稱性曲線數(shù)據(jù)。射野越小的情況下,平坦度、對稱性會越差。對于高度適形的精確放療,要求靶區(qū)外的正常組織受量盡可能小;而半影的大小決定了靶區(qū)外劑量跌落梯度,因此射野的平坦度、對稱性與半影寬度的測量準確性尤為重要。

表3 半導體探頭測得小照射野情況下的平坦度、對稱性Tab.3 Measurements of flatness and symmetry in the case of small radiation field by diode detector (%)

4 結 語

測量使用的VRIAN 23EX機器在數(shù)據(jù)建模的時候并沒有測量小照射野(≤3 cm×3 cm)的束流參數(shù),因此在后續(xù)放射治療過程中關于小野的劑量問題都沒有準確的數(shù)據(jù)作為參考。對于小的照射野,尤其是3 cm×3 cm及其以下的照射野,側向電子平衡無法建立,測量的Scp因子與機器外推計算的結果會存在較大的差別[10]。對于PDD的測量,在深度較淺(小于10 cm)時,膠片劑量儀與半導體探頭探測器測得的數(shù)據(jù)基本吻合;但是隨著測量深度的增加,在深度超過10 cm的時候,2條測量的曲線產生較大的偏差,初步的判斷是因為膠片感光具有方向性和能量相關性,不可排除的是測量深度的增加,對半導體探頭劑量儀的測量也會有影響。因此,詳細的數(shù)據(jù)及其結果需要做進一步的測量。

綜上,膠片劑量儀不適合做百分深度劑量的測量,而且膠片數(shù)據(jù)處理太過繁瑣,耗時較長。同樣,不同的測量方法測得的PDD曲線的不同,會影響到后面總散射校準因子Scp的計算。膠片劑量儀相比于半導體探頭具有更高的空間分辨率,邊界的分辨會更加的明顯,因此可以得到比較準確的測量半影的寬度[11]。這是因為半導體探頭雖然體積很小,但是仍然有一定的體積,對于邊界的測量會受電離室本身體積的影響。

加速器輸出劑量的測量除了對使用的測量方法、擺位精確度有比較高的要求之外,探測器探頭的選擇也會很大程度上影響到測量的結果[12,13]。在探頭的選擇上,市面上有幾款比較適合小照射野測量的電離室,包括:硅半導體、金剛石探測器、液體電離室、有機閃爍體探測器等。不同的探測器有不同的特性,在測量數(shù)據(jù)方面各有所長,需要對照選擇。使用電離室探測器時,需要注意,電離室體積最好不要超過0.01 cm3,否則會影響到測量的結果;半導體探頭有比較高的靈敏度,不受體積大小的影響,但是半導體受輻射損傷明顯,穩(wěn)定性不如電離室探測器。

蒙特卡羅模擬在加速器劑量測量方面有著很大的理論指導作用[14,15],尤其是對于電子平衡不能建立的小照射野測量。比較常用的蒙特卡羅軟件有:MCNP,Geant4,EGS等,由加拿大國家研究委員會等幾個研究所在EGS平臺上完善的Beamnrc和DOSxyznrc軟件能夠很方便地模擬醫(yī)用直線加速器機頭和輸出的劑量。接下來的工作,我們也將在本次研究的基礎上,著重進行數(shù)據(jù)的處理以及蒙卡模擬試驗驗證,期望能夠為后期建立準確的小照射野計算模型提供數(shù)據(jù)支持。