殷旭君 張秋杭 侯東梅 黨雅芳 尹碩宇 馬媛媛 李晶晶 陳俊政 徐建堃*

隨著放射治療技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，調(diào)強(qiáng)放射治療(intensity modulated radiotherapy，IMRT)、立體定向放射治療(stereotactic radiotherapy，SRT)以及立體定向體部放射治療(stereotactic body radiotherapy，SBRT)等技術(shù)所占比重越來(lái)越大，這些技術(shù)在常規(guī)醫(yī)用直線加速器中通過(guò)調(diào)節(jié)多葉準(zhǔn)直器(multi leaf collimator，MLC)或者附加不同限光筒(Cone)形成不同小照射野，然后控制照射時(shí)間達(dá)到精確調(diào)節(jié)腫瘤內(nèi)射線強(qiáng)度的目的。這些小照射野的劑量學(xué)特性與常規(guī)照射野相比有很大不同，存在側(cè)向電子不平衡，部分源遮擋效應(yīng)等[1-2]。不同廠家生產(chǎn)的測(cè)量探頭由于材料、密度及靈敏體積存在差異，使得小野數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果各有不同，對(duì)小野數(shù)據(jù)測(cè)量的精度和準(zhǔn)確度提出了更高的要求[3-4]。輸出因子(output factor，OF)是醫(yī)用直線加速器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集的重要部分，直接影響劑量計(jì)算的準(zhǔn)確性。本研究以IBA CC13空氣電離室作為大野輸出因子的參考，分別分析Razor Chamber空氣電離室、Razor Diode半導(dǎo)體探頭和60019 micro Diamond寶石探頭測(cè)量的小野輸出因子數(shù)據(jù)，并根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料引入輸出因子的校準(zhǔn)因子對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)修正。

1 設(shè)備與方法

1.1 測(cè)量設(shè)備

采用Elekta Synergy雙能醫(yī)用直線加速器(瑞典醫(yī)科達(dá)公司)，Agility 160片MLC，光子線能量分別為6 MV和10 MV；IBA BluePhantom2三維水箱，CC13(IBA)空氣電離室(比利時(shí)IBA公司)；Razor Chamber(IBA)空氣電離室(比利時(shí)IBA公司)；Razor Diode(IBA)半導(dǎo)體探頭(比利時(shí)IBA公司)；60019 micro Diamond(PTW)寶石探頭(德國(guó)PTW公司)共4種探頭，CC13空氣電離室作為常規(guī)射野(≥4 cm×4 cm)測(cè)量探頭，后3種探頭作為小野輸出因子測(cè)量使用。探頭部分參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 四種探頭基本參數(shù)

1.2 測(cè)量條件

加速器機(jī)架和小機(jī)頭0度，源皮距(source skin distance，SSD)為90 cm，選擇6 MV和10 MV能量的X射線，每次測(cè)量100 MU，重復(fù)5次取均值。探頭放置在水下10 cm深度，其中CC13和Razor Chamber探頭的固定方向?yàn)殚L(zhǎng)軸方向與射線軸方向垂直，Razor Diode探頭和60019 micro Diamond探頭的固定方向?yàn)樘筋^的長(zhǎng)軸方向與射線軸方向平行。每次更換探頭后或者更換能量后使用水箱軟件中心軸輸出量(central axis output，CAX)校準(zhǔn)功能，確保探頭位置處于射野中心軸上。測(cè)量射野為1 cm×1 cm，2 cm×2 cm，3 cm×3 cm，4 cm×4 cm，5 cm×5 cm，10 cm×10 cm，CC13探頭測(cè)量最小野到4 cm×4 cm。輸出因子定義為各測(cè)量射野10 cm深度的吸收劑量與10 cm×10 cm參考射野同一深度吸收劑量的比值。射野定義為(SAD)源軸距(source axis distance，SAD)=100 cm處50%的等劑量線之間的寬度。

1.3 校準(zhǔn)因子

為了解決不同探頭在測(cè)量小野輸出因子時(shí)遇到的問(wèn)題，根據(jù)Alfonso[20]提出的輸出因子校準(zhǔn)因子概念，計(jì)算為公式1：

2 結(jié)果

2.1 三種探頭校準(zhǔn)前后的輸出因子比較

對(duì)于6 MV能量，3種探頭的輸出因子最大相對(duì)偏差為2.3%，10 MV能量3種探頭的輸出因子最大相對(duì)偏差為2.1%。根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(International Atomic Energy Agency，IAEA)TRS.483報(bào)告[6]給出的不同探頭的輸出因子校正因子對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，并且根據(jù)報(bào)告中建議的轉(zhuǎn)換方法將CC13探頭測(cè)量的5 cm×5 cm(或4 cm×4 cm)射野數(shù)據(jù)作為“中間”射野，也就是將3種探頭的數(shù)據(jù)再次歸一到CC13探頭測(cè)量的5 cm×5 cm射野上，以此將大野輸出因子和小野輸出因子對(duì)接。經(jīng)校正后，3種探頭所測(cè)量的數(shù)據(jù)有很好的一致性，相對(duì)偏差為6 MV≤0.3%，10 MV≤0.5%。3種探頭校準(zhǔn)前后的輸出因子比較見(jiàn)表2。

表2中測(cè)量數(shù)據(jù)和校正后的數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，校正后Razor Diode探頭、Razor Chamber探頭和60019 micro Diamond探頭在測(cè)量小野輸出因子能夠達(dá)到接近真實(shí)值。

2.2 三種探頭輸出因子按4 cm×4 cm歸一后數(shù)據(jù)對(duì)比

60019 micro Diamond探頭相比半導(dǎo)體探頭有更好的角度響應(yīng)和能量響應(yīng)，其寶石材料相對(duì)水的質(zhì)能吸收系數(shù)接近于常量，所以60019 micro Diamond探頭在射野≥4 cm×4 cm時(shí)與CC13探頭的測(cè)量數(shù)據(jù)有很好的一致性。然而60019 micro Diamond探頭材料的密度約為3.53 g/cm3，在小野測(cè)量情況下由于探頭內(nèi)物質(zhì)密度與水的不等效會(huì)有過(guò)反應(yīng)使數(shù)據(jù)高估，同時(shí)由于60019 microDiamond的探頭橫向半徑為1.1 mm，在極小野的情況下也會(huì)有一定的平均容積效應(yīng)[17-19]。

表2 三種探頭校準(zhǔn)前后的輸出因子比較

圖1 三種探頭測(cè)量的輸出因子對(duì)比

圖1所示各探頭2 cm×2 cm以上射野測(cè)得的輸出因子有很好的一致性，相對(duì)偏差6 MV＜0.4%，10 MV＜0.6%。差別主要在1 cm×1 cm射野，Razor Chamber探頭由于平均容積效應(yīng)低估了輸出因子，Razor Diode和60019 micro_Diamond探頭因?yàn)楦呙芏任镔|(zhì)影響高估了輸出因子，但Razor Diode探頭要優(yōu)于60019 micro_Diamond探頭。3種探頭之間最大相對(duì)偏差來(lái)自Razor Chamber和60019 micro_Diamond探頭，6 MV和10 MV分別為2.6%和2.5%。

3 討論

射野輸出因子是放射治療計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算模型建立的重要數(shù)據(jù)之一。Derreumaux等[5]報(bào)道了一起醫(yī)療事故，該事故導(dǎo)致法國(guó)一家醫(yī)院145名患者在接受BrainLab Novalis設(shè)備治療時(shí)受到了200%處方劑量過(guò)量照射。事故原因正是由于物理技術(shù)人員使用不合適的探頭測(cè)量而得到了錯(cuò)誤的小野輸出因子。隨后事故處理工作組對(duì)擁有Novalis產(chǎn)品的15家醫(yī)院的調(diào)查顯示，計(jì)劃系統(tǒng)中小野輸出因子測(cè)量偏差達(dá)到驚人的50%。目前，各級(jí)醫(yī)院配備的測(cè)量探頭種類各異，不同探頭在使用過(guò)程中需要考慮其適用范圍，當(dāng)測(cè)量小野輸出因子時(shí)應(yīng)該根據(jù)所選探頭類型對(duì)其進(jìn)行必要的修正。

小野的定義：射野足夠小，射束中心軸上側(cè)向電子平衡丟失；存在部分源遮擋效應(yīng)；測(cè)量探頭的尺寸超過(guò)了射野大小或與其接近[1]。通常射野≥4 cm×4 cm時(shí)認(rèn)為是常規(guī)射野，當(dāng)射野≤3 cm×3 cm時(shí)認(rèn)為是小野。Charles等[7]通過(guò)計(jì)算認(rèn)為，6 MV光子射線當(dāng)射野≤1.2 cm×1.2 cm時(shí)側(cè)向電子不平衡效應(yīng)最大，射野尺寸偏差1 mm或者探頭位置偏差1 mm時(shí)輸出因子的測(cè)量誤差將＞1%，最多高達(dá)20%。當(dāng)照射野很小時(shí)，由于鉛門和MLC或者Cone等的影響，擋住了絕大部分機(jī)頭內(nèi)部的低能散射線，從而改變了射線能譜的變化使得射束平均能量變高[8]。這也意味著次級(jí)電子的射程變長(zhǎng)，當(dāng)次級(jí)電子的射程接近或者超過(guò)射野大小時(shí)側(cè)向電子平衡將不再存在[1-2，9]。

側(cè)向電子不平衡效應(yīng)和部分源遮擋效應(yīng)使得射線在水中的劑量梯度急劇變大，射線離軸曲線分布不再有劑量平坦區(qū)而呈現(xiàn)出“尖峰”形狀，測(cè)量探頭的尺寸和體積將會(huì)對(duì)測(cè)量造成影響，過(guò)大體積的探頭會(huì)測(cè)量周圍的低劑量區(qū)從而低估小野的測(cè)量值，這種現(xiàn)象被稱為“平均容積效應(yīng)”[4，10-11]。

Scott等[12]發(fā)現(xiàn)，除了平均容積效應(yīng)以外，探頭構(gòu)成材料與水的密度不等效也會(huì)對(duì)小野的測(cè)量數(shù)據(jù)帶來(lái)干擾，這些材料不限于探頭靈敏體積內(nèi)，也包括探頭的封裝材料、中心收集極等。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，半導(dǎo)體探頭在測(cè)量大野數(shù)據(jù)時(shí)因?yàn)楣韬退馁|(zhì)能吸收系數(shù)不一致，對(duì)低能量射線(keV)存在過(guò)反應(yīng)通常會(huì)高估測(cè)量數(shù)據(jù)[13-14]。而在小野情況下大量的低能散射線已經(jīng)被鉛門、MLC或者Cone阻擋掉，所以該效應(yīng)在小野情況下不明顯。半導(dǎo)體主要材料硅的密度約為2.3 g/cm3，多個(gè)研究表明Razor Diode(無(wú)屏蔽材料)這一類探頭在測(cè)量小野數(shù)據(jù)時(shí)因探頭物質(zhì)材料密度與水不等效而造成數(shù)據(jù)的高估[10，12-13，15-16]。Chalkley等[14]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)半導(dǎo)體探頭按照常規(guī)輸出因子計(jì)算方法歸一到10 cm×10 cm射野以后會(huì)低估輸出因子的數(shù)值。這與此次Razor Diode探頭測(cè)量的結(jié)果基本一致，原因就是在測(cè)量10 cm×10 cm射野時(shí)由于半導(dǎo)體對(duì)低能量射線過(guò)反應(yīng)測(cè)量數(shù)值偏大，分母變大分子相應(yīng)則變小。Poppinga等[9]建議，將小野的輸出因子歸一到4 cm×4 cm，有助于縮小誤差，更能體現(xiàn)不同探頭在小野狀態(tài)下的真實(shí)反應(yīng)。

目前，獲得輸出因子校正因子的主要方法有兩種：①基于實(shí)驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，利用認(rèn)為是完全水等效的有機(jī)閃爍體探頭，如FOD(Royal Prince Alfred Hospital，Sydney)和Exradin W1(Standard Imaging)，或者慢感光膠片等進(jìn)行測(cè)量獲得校正因子[9-11，18]；②通過(guò)蒙卡算法模擬計(jì)算獲得校正因子[2，21-24]。IAEA在2017年發(fā)布的TRS.483報(bào)告[6]中將之前學(xué)者已發(fā)表文獻(xiàn)中的校正因子進(jìn)行了歸一和整理，給出了不同放射治療設(shè)備，以及常用測(cè)量探頭的校準(zhǔn)因子建議值。實(shí)際臨床應(yīng)用中可以查表獲得相應(yīng)的校準(zhǔn)因子，但需特別注意這些校準(zhǔn)因子的測(cè)量條件，如射野大小，源皮距等。

在小野輸出因子數(shù)據(jù)采集實(shí)踐中，還有其他一些因素需要特別注意：如探頭的方向，對(duì)于CC13以及Razor Chamber這一類空氣電離室建議采集中探頭長(zhǎng)軸方向與射束中心軸垂直，以避免線纜或探頭其他部件進(jìn)入照射野，引起不必要的測(cè)量誤差[16]。半導(dǎo)體探頭和寶石探頭則應(yīng)該使探頭長(zhǎng)軸方向與射束中心軸平行。在放置探頭時(shí)應(yīng)該使探頭位置處于照射野中心。如果三維水箱無(wú)相應(yīng)的自動(dòng)校準(zhǔn)功能，可以在測(cè)量深度上掃描X方向和Y方向兩條離軸曲線，根據(jù)水箱軟件給出的中心偏差手動(dòng)調(diào)整探頭位置。不同的探頭在測(cè)量之前需要一定預(yù)照射，在探頭充分預(yù)熱后再開(kāi)始測(cè)量。此外，測(cè)量小野輸出因子必須至少有兩種探頭，交叉對(duì)比數(shù)據(jù)以獲得更高的可信度。一般情況下建議選用CC13這類空氣電離室作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量探頭，并測(cè)量最小野到4 cm×4 cm，并將5 cm×5 cm(或4 cm×4 cm)作為“中間”射野與小野探頭測(cè)量得到的輸出因子做歸一對(duì)接，從而得到完整的射野輸出因子數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

通過(guò)臨床實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，本研究比較了Razor Chamber探頭、Razor Diode探頭和60019 micro Diamond探頭在測(cè)量小野輸出因子時(shí)的不同表現(xiàn)，并分析了不同探頭之間測(cè)量偏差的來(lái)源。平均容積效應(yīng)和探頭內(nèi)密度的不同是造成測(cè)量相對(duì)偏差的主要因素。對(duì)于Razor Diode半導(dǎo)體探頭，選擇常規(guī)10 cm×10 cm參考野進(jìn)行歸一會(huì)放大半導(dǎo)體能量過(guò)反應(yīng)這一因素帶來(lái)的誤差。各小野輸出因子在經(jīng)過(guò)IAEA TRS.483報(bào)告[6]推薦的校準(zhǔn)因子修正后取得了較好的一致性。