膠片劑量?jī)x與半導(dǎo)體探測(cè)器在小野劑量數(shù)據(jù)測(cè)量中的比較分析

高 翔, 余燕娟, 石麗婉

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

1 引 言

隨著放療設(shè)備的不斷更新,放療技術(shù)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(yīng)用越來越廣泛。這種大劑量、小照射野的放射治療方式對(duì)于定位準(zhǔn)確度和靶區(qū)內(nèi)、外劑量的控制有十分嚴(yán)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),計(jì)劃系統(tǒng)的建模數(shù)據(jù)是整個(gè)放療準(zhǔn)確的基礎(chǔ),這直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,其中計(jì)算模型的建立依賴精確的數(shù)據(jù)測(cè)量。對(duì)于小照射野(≤3.0 cm×3.0 cm)的測(cè)量,當(dāng)側(cè)向電子平衡不能建立時(shí),測(cè)量照射野的中心軸劑量探頭大小應(yīng)該盡可能小于照射野半徑。蒙特卡羅在水中模擬側(cè)向散射的結(jié)果表明:對(duì)于6 MV的光子,側(cè)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(cè)量中,電離室選擇和水箱擺位的準(zhǔn)確與否對(duì)測(cè)量結(jié)果影響極大。

本文通過使用半導(dǎo)體探頭和膠片劑量?jī)x,分別在IBA三維水箱和固體水中測(cè)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(cè)量方式在數(shù)據(jù)測(cè)量中的差異,期望能夠?yàn)楹笃诮?zhǔn)確的小照射野計(jì)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(nèi)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(dǎo)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?jī)x在數(shù)據(jù)讀取之前需要進(jìn)行刻度,本次測(cè)量的刻度采用的是在標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)中測(cè)量的膠片數(shù)據(jù)放置讀取,值得強(qiáng)調(diào)的是刻度的膠片與實(shí)驗(yàn)使用的膠片間隔時(shí)間不能太長(zhǎng),膠片盡量用同一批次。膠片劑量讀取時(shí),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(cè)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(shè)置機(jī)器出束 100 MU,射野大小分別設(shè)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(cè)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(cè)量,需要對(duì)固體水體模進(jìn)行校正[4～6]。固體水體模的測(cè)量深度dm與水中的測(cè)量深度dw之間的關(guān)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(jī)架角與準(zhǔn)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(jìn)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(biāo)記EBT3膠片方向,膠片的長(zhǎng)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(cè)量數(shù)據(jù)利用式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)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(zhǎng)2 mm,測(cè)量深度為水下5 cm。膠片夾放在固體水5 cm(根據(jù)式(1)轉(zhuǎn)換)處,100 MU垂直照射。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 PDD曲線

圖1為膠片劑量?jī)x與半導(dǎo)體探頭測(cè)得6 MV光子線的PDD數(shù)據(jù)。半導(dǎo)體探頭具有小的測(cè)量體積,體積平均效應(yīng)不明顯,該類型探測(cè)器敏感度較低,對(duì)低吸收劑量的區(qū)域能量響應(yīng)不足[7];而膠片劑量?jī)x具有能量相關(guān)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(duì)比詳細(xì)蒙卡模擬數(shù)據(jù)[8],半導(dǎo)體探頭測(cè)量的數(shù)據(jù)更靠近理論值,這一點(diǎn)同樣在文獻(xiàn)[9]中得到了驗(yàn)證。表1列出了6 MV光子線條件下,膠片劑量?jī)x與半導(dǎo)體探頭在不同照射野時(shí)測(cè)得的PDD曲線數(shù)據(jù)。

表1 膠片劑量?jī)x與半導(dǎo)體探頭在不同照射野時(shí)測(cè)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?jī)x與半導(dǎo)體探頭測(cè)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(zhǔn)因子Scp

以VARIAN TPS計(jì)劃系統(tǒng)建模時(shí)的數(shù)據(jù)作為參考,用IBA RAZOR探頭測(cè)得數(shù)據(jù)、膠片劑量?jī)x測(cè)得數(shù)據(jù)和TPS計(jì)算所得數(shù)據(jù)分別結(jié)算Scp,計(jì)算公式為:

Scp=(Dth-Dm)/Dth

(2)

式中:Dth為理論值;Dm為測(cè)量或計(jì)算值。

不同射野下6 MV光子線總散射校準(zhǔn)因子Scp見圖2。

圖2中在射野寬度為6 cm和7 cm時(shí)出現(xiàn)異常點(diǎn),異常點(diǎn)出現(xiàn)的原因可能是由于膠片劑量?jī)x讀取的非線性或機(jī)器的不穩(wěn)定性,詳細(xì)的原因在進(jìn)一步排查中。

圖2 不同射野下測(cè)得6 MV光子線總散射校準(zhǔn)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(cè)量方式的測(cè)量值,也給出了TPS理論計(jì)算結(jié)果。由表2可見,總散射校準(zhǔn)因子TPS計(jì)算理論值與半導(dǎo)體探頭測(cè)得最大偏差約為-2.7%,與膠片實(shí)測(cè)值偏差約12%。

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

膠片劑量?jī)x在掃描的過程中因?yàn)橥腹饣蛘邤[放位置的不同等原因,會(huì)有5%的誤差值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:機(jī)器TPS建模時(shí)候在考慮小野情況下,由于側(cè)向電子平衡不能滿足,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果有一定偏差。因此,如果機(jī)器TPS沒有小野(≤3.0 cm)建模,在實(shí)際治療過程中,最好不要直接使用TPS計(jì)算結(jié)果。

3.3 離軸比曲線(OAR)

圖3是用膠片劑量?jī)x和半導(dǎo)體探頭測(cè)得的不同小野下的離軸比曲線(off-axis ratio profiles,OAR)。

圖3 膠片劑量?jī)x和半導(dǎo)體探頭測(cè)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(dǎo)體探頭測(cè)得的水下5 cm處6 MV光子線平坦度、對(duì)稱性曲線數(shù)據(jù)。射野越小的情況下,平坦度、對(duì)稱性會(huì)越差。對(duì)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(duì)稱性與半影寬度的測(cè)量準(zhǔn)確性尤為重要。

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

4 結(jié) 語

測(cè)量使用的VRIAN 23EX機(jī)器在數(shù)據(jù)建模的時(shí)候并沒有測(cè)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(guān)于小野的劑量問題都沒有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)作為參考。對(duì)于小的照射野,尤其是3 cm×3 cm及其以下的照射野,側(cè)向電子平衡無法建立,測(cè)量的Scp因子與機(jī)器外推計(jì)算的結(jié)果會(huì)存在較大的差別[10]。對(duì)于PDD的測(cè)量,在深度較淺(小于10 cm)時(shí),膠片劑量?jī)x與半導(dǎo)體探頭探測(cè)器測(cè)得的數(shù)據(jù)基本吻合;但是隨著測(cè)量深度的增加,在深度超過10 cm的時(shí)候,2條測(cè)量的曲線產(chǎn)生較大的偏差,初步的判斷是因?yàn)槟z片感光具有方向性和能量相關(guān)性,不可排除的是測(cè)量深度的增加,對(duì)半導(dǎo)體探頭劑量?jī)x的測(cè)量也會(huì)有影響。因此,詳細(xì)的數(shù)據(jù)及其結(jié)果需要做進(jìn)一步的測(cè)量。

綜上,膠片劑量?jī)x不適合做百分深度劑量的測(cè)量,而且膠片數(shù)據(jù)處理太過繁瑣,耗時(shí)較長(zhǎng)。同樣,不同的測(cè)量方法測(cè)得的PDD曲線的不同,會(huì)影響到后面總散射校準(zhǔn)因子Scp的計(jì)算。膠片劑量?jī)x相比于半導(dǎo)體探頭具有更高的空間分辨率,邊界的分辨會(huì)更加的明顯,因此可以得到比較準(zhǔn)確的測(cè)量半影的寬度[11]。這是因?yàn)榘雽?dǎo)體探頭雖然體積很小,但是仍然有一定的體積,對(duì)于邊界的測(cè)量會(huì)受電離室本身體積的影響。

加速器輸出劑量的測(cè)量除了對(duì)使用的測(cè)量方法、擺位精確度有比較高的要求之外,探測(cè)器探頭的選擇也會(huì)很大程度上影響到測(cè)量的結(jié)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(cè)量的電離室,包括:硅半導(dǎo)體、金剛石探測(cè)器、液體電離室、有機(jī)閃爍體探測(cè)器等。不同的探測(cè)器有不同的特性,在測(cè)量數(shù)據(jù)方面各有所長(zhǎng),需要對(duì)照選擇。使用電離室探測(cè)器時(shí),需要注意,電離室體積最好不要超過0.01 cm3,否則會(huì)影響到測(cè)量的結(jié)果;半導(dǎo)體探頭有比較高的靈敏度,不受體積大小的影響,但是半導(dǎo)體受輻射損傷明顯,穩(wěn)定性不如電離室探測(cè)器。

蒙特卡羅模擬在加速器劑量測(cè)量方面有著很大的理論指導(dǎo)作用[14,15],尤其是對(duì)于電子平衡不能建立的小照射野測(cè)量。比較常用的蒙特卡羅軟件有:MCNP,Geant4,EGS等,由加拿大國(guó)家研究委員會(huì)等幾個(gè)研究所在EGS平臺(tái)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(jī)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(chǔ)上,著重進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理以及蒙卡模擬試驗(yàn)驗(yàn)證,期望能夠?yàn)楹笃诮?zhǔn)確的小照射野計(jì)算模型提供數(shù)據(jù)支持。