水溫與室溫差對醫(yī)用電子直線加速器輸出劑量刻度的影響

黃雙燕 李麗琴

（1.重慶市渝北區(qū)人民醫(yī)院腫瘤科，重慶 401120；2.珠海市人民醫(yī)院放療科，廣東 珠海 519000）

0 引言

對醫(yī)用電子直線加速器，輸出劑量刻度就是將機(jī)器設(shè)定的MU 數(shù)與特定條件下給予特定點(diǎn)的吸收劑量聯(lián)系起來，通常在水下中心軸深度（一般為最大深度）處，距離輻射源SSD+（一般SSD 為100cm），射野尺寸為10cm×10cm條件下使該點(diǎn)的劑量率為1.0cGy/MU。國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）發(fā)布的TRS277 號（1987，1997）報(bào)告被廣泛應(yīng)用于醫(yī)用電子直線加速器輸出劑量刻度，其校準(zhǔn)過程中須根據(jù)現(xiàn)場電離室空腔氣溫和氣壓對電離室吸收劑量做空氣密度修正（相對劑量儀計(jì)量院校準(zhǔn)時(shí)空氣密度）。通常情況下，先將校準(zhǔn)小水箱中的水放置于治療室內(nèi)24h 以上達(dá)到溫度平衡后（此時(shí)水溫和室溫差一般小于3℃），用小水箱電離室插孔氣溫和氣壓來修正吸收劑量。該研究旨在探究利用小水箱和指形電離室校準(zhǔn)醫(yī)用電子直線加速器射束時(shí)，小水箱中的水未提前放置于治療室，未達(dá)溫度平衡，其水溫與室溫差3℃～10℃時(shí)，小水箱電離室插孔氣溫和水溫是否與空腔空氣溫度還基本一致，用水溫氣壓來修正吸收劑量是否可行，溫差越大其偏差是否也越大，并以水溫與室溫一致時(shí)，氣溫或水溫氣壓修正的吸收劑量為基準(zhǔn)。

1 材料與方法

1.1 材料

醫(yī)科達(dá)Infinity 醫(yī)用電子直線加速器；美國PTW UNIDOSE Webline 靜電計(jì)、TW31010 電離室（漏電0.01%，重復(fù)性0.03%，示值非線性-0.05%，校準(zhǔn)時(shí)間2020 年7月）；溫度計(jì)為玻璃棒水銀溫度計(jì)（精度0.1 ℃，校準(zhǔn)時(shí)間2020 年5 月）；氣壓表為寧波市鄞州姜山玻璃儀器儀表廠DYM3-1 型高原用空盒氣壓表（精度0.2 kPa，校準(zhǔn)時(shí)間2020年5 月）；尺寸為30 cm×30 cm×30 cm，4 個(gè)支點(diǎn)可調(diào)的二維水箱。

1.2 方法

IAEA TRS 277 基于空氣比釋動(dòng)能校準(zhǔn)方法，水下深度為處吸收劑量，計(jì)算公式如公式（1）所示。

D=·K·N·（1-）·K·K·P·P·S（1）

式中：為未經(jīng)溫度、氣壓修正的劑量儀讀數(shù)；K為溫度氣壓修正系數(shù)（根據(jù)空腔空氣溫度氣壓對劑量儀讀數(shù)行空氣密度修正）；N為空氣比釋動(dòng)能校準(zhǔn)因子；為次級電子軔致輻射能量占總能量的份額，約為0.003；K為校準(zhǔn)電離室時(shí)，電離室室壁及平衡帽對校準(zhǔn)輻射的吸收和散射的修正；K為電離室室壁及平衡帽材料對校準(zhǔn)輻射空氣等效不充分而引起的修正；P為擾動(dòng)修正因子是輻射質(zhì)的函數(shù)，同時(shí)與室壁有關(guān)；P為電離室中心電極影響；S為校準(zhǔn)深度處水對空氣的平均阻止本領(lǐng)比。

K計(jì)算公式如公式（2）所示。

式中：為電離室在國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)氣壓；為電離室在國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)溫度；為測量現(xiàn)場大氣壓；為測量現(xiàn)場電離室空腔空氣溫度。

該劑量儀實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)時(shí)=20℃，=101.325kPa，由K計(jì)算公式可以推導(dǎo)出電離室空腔空氣溫度每變化3℃或氣壓每變化1kPa，空腔空氣密度修正系數(shù)K變化約為1%，該研究使用的氣壓表分辨率為0.2kPa，引起的K最大偏差約為0.2%。

加速器輸出劑量刻度測量條件如下：機(jī)架和準(zhǔn)直器角度為0°，源皮距（SSD）為100 cm，射野尺寸為10 cm×10 cm，將校準(zhǔn)小水箱水溫通過添加冷水或熱水調(diào)整至室溫，水面位于5.2 cm 處，6MV X 射線能量出束100MU，記錄靜電計(jì)讀數(shù)、水溫或室溫或氣溫和氣壓；按式（2）計(jì)算K系數(shù)，然后按公式（1）計(jì)算水下5 cm 處的吸收劑量D，D除以PDD5 獲得水下最大點(diǎn)處的吸收劑量，通過調(diào)整加速器機(jī)器參數(shù)將其最大點(diǎn)處的吸收劑量標(biāo)定為100 cGy，即劑量率為1.0 cGy/MU。

將10cm×10cm×10cm 固定水等中心（電離室測量點(diǎn)）置于激光中心，并讀取靜電計(jì)讀數(shù)并做氣溫氣壓K修正，計(jì)算出系數(shù)將固體水等中心處的劑量率刻度為1.0cGy/MU，使用固體水作為介質(zhì)測量加速器輸出劑量D，其計(jì)算公式如公式（3）所示。

固定水測量加速器輸出劑量穩(wěn)定性，早上九點(diǎn)到下午六點(diǎn)半每半個(gè)小時(shí)測量一次，記錄氣壓、氣溫、靜電計(jì)讀數(shù)，根據(jù)公式（3）計(jì)算加速器輸出劑量D，按國標(biāo)WS674-2020計(jì)算加速器輸出劑量穩(wěn)定性。該研究要求其穩(wěn)定性小于1%。

指形電離室空腔為開放式設(shè)計(jì)，其空腔空氣溫度理論上介于室溫和水溫之間，通常在水溫和室溫處于溫度平衡下認(rèn)為小水箱電離室插孔氣溫和電離室空腔氣溫一致，該研究以水溫與室溫一致時(shí)刻度加速器輸出劑量，并以此作為標(biāo)準(zhǔn)劑量，來探究當(dāng)水溫與室溫相差3 ℃～10 ℃時(shí)，電離室空腔氣溫和插孔氣溫、水溫是否一致。通過添加冷水或熱水將水溫調(diào)整至30 ℃（一般機(jī)房溫度為20 ℃），自然冷卻，在劑量刻度同樣的條件下，每半小時(shí)出束100 MU 并記錄靜電計(jì)讀數(shù)、水溫、室溫和氣壓，并根據(jù)公式（1）和公式（2）計(jì)算加速器輸出劑量D。

1.3 統(tǒng)計(jì)方法

采用SPSS 25.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果以±表示，水溫與室溫差為零、非零下水溫氣壓修正的輸出劑量D行均值檢驗(yàn)，對靜電計(jì)讀數(shù)相對變化與水溫氣壓修正系數(shù)K相對變化做非參數(shù)配對樣本wilcoxon 符號秩檢驗(yàn)；水溫與室溫差Δ與水溫氣壓修正的輸出劑量D做Spearman法雙變量相關(guān)性分析。＜0.05 為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 加速器輸出劑量的穩(wěn)定性

固體水測量加速器輸出劑量D如圖1 所示，其最大值為100.16 cGy，最小值為99.78 cGy，平均值為（100.04+0.09）cGy， 按 國 標(biāo)WS674-2020 計(jì)算加速器輸出劑量穩(wěn)定性為（-0.35%～0.03%），輸出劑量非常穩(wěn)定（國標(biāo)2%）。

2.2 不同水溫下測量加速器輸出劑量

水溫與室溫差為零、非零、平衡下水溫氣壓修正輸出劑量和固體水測量輸出劑量基本一致，其分別為[（99.92±0.01）cGy、（99.90±0.08）cGy；=-1.596，=0.127]、（99.84±0.02）cGy 和（100.04±0.09）cGy。

不同水溫和室溫差下小水箱測量輸出劑量D如圖1 所示，溫差9 ℃與0 ℃下輸出劑量偏差僅為0.23 cGy，加速器輸出劑量穩(wěn)定性為（-0.23%～0.13%）；溫差Δ與輸出劑量D數(shù)據(jù)組間行Spearman 法雙變量相關(guān)性分析結(jié)果為（=-0.177，=0.455），呈現(xiàn)無相關(guān)性。

圖1 固體水DT 和小水箱DW 兩種方式測量的加速器輸出劑量

靜電計(jì)讀數(shù)和水溫氣壓修正系數(shù)分別相對水溫與室溫差為0℃時(shí)的變化如圖2 所示，在水溫和室溫相差比較大，未達(dá)溫度平衡時(shí)，根據(jù)水溫和室內(nèi)氣壓計(jì)算出的電離室空腔空氣密度修正系數(shù)K同樣可以準(zhǔn)確地修正輸出劑量，行非參數(shù)配對樣本wilcoxon 符號秩檢驗(yàn)，兩組數(shù)據(jù)無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（=-1.459，=0.145）。

圖2 靜電計(jì)讀數(shù)M 和水溫氣壓修正系數(shù)相對變化Kt，p

起始水溫為30℃與室溫為21℃下自然冷卻下水溫變化曲線如圖3 所示，從圖3 中可以看出水溫每半個(gè)小時(shí)最大變化不超過2℃，對輸出劑量的影響不超過0.7%。在正常情況下每次測量的時(shí)間不超過5min～10min，水溫變化約為0.3℃，根據(jù)水溫度氣壓修正吸收劑量引起的誤差小于0.1%。

3 討論

腫瘤放射治療設(shè)備輸出劑量刻度是物理師最重要的工作之一，它是在特定（歸一化）條件之下，中心軸上某一個(gè)特定點(diǎn)的絕對劑量的確定過程。國家《WS674-2020 醫(yī)用電子直線加速器質(zhì)量控制檢測規(guī)范》中要求射束偏差小于3%，WHO 和IAEA 聯(lián)合組織在世界范圍內(nèi)對加速器輸出劑量的準(zhǔn)確性進(jìn)行核查，發(fā)現(xiàn)有15%設(shè)備輸出劑量刻度不準(zhǔn)確。

IAEA TRS 277 醫(yī)用電子直線加速器輸出劑量刻度中，指形電離室空腔為開放式設(shè)計(jì)，其空腔空氣溫度理論上介于室溫和水溫之間，空腔溫度無法測量，以測量水溫或氣溫代替（兩者相差小于3 ℃）。在溫度平衡下，李軍等人在對X 射線和電子束吸收劑量的測量與計(jì)算研究中指出需要平時(shí)將測量用水放置于治療機(jī)房，確保溫度平衡，否則會(huì)影響測量結(jié)果；蔣杜偉等人在治療室的氣溫和氣壓對輸出劑量刻度的影響研究中提出將測量水提前30 min 置于治療室，使用氣溫修正吸收劑量；而胡娟等人在直線加速器輸出劑量標(biāo)定研究中指出測量水需要測量前一天放置于治療室，使用水溫修正吸收劑量。對達(dá)到溫度平衡所需時(shí)間不一致，修正吸收劑量測量溫度也不一致。在日常加速器輸出劑量刻度中，有時(shí)并未提前將水放置于治療室，溫度未達(dá)平衡，此時(shí)如果繼續(xù)使用氣溫或水溫修正吸收劑量是否準(zhǔn)確？該文對此展開了研究，在水溫與室溫差為零時(shí)刻度加速器輸出劑量。

基于傅益謀等人研究用固體水進(jìn)行加速器吸收劑量的日常質(zhì)控校準(zhǔn)得出的固體水與小水箱校準(zhǔn)劑量相對誤差小于0.5%，該研究首先使用固體水對加速器日穩(wěn)定性做了測量，穩(wěn)定性為（-0.35%～0.03%），遠(yuǎn)低于設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)1%，穩(wěn)定性非常好?；诩铀倨髁己玫姆€(wěn)定性，該研究采用通過自然冷卻的方式模擬不同的水溫與室溫差，溫差從-3℃至10℃，吸收劑量溫度氣壓修正中的溫度選擇水溫，不同的水溫、室溫差和標(biāo)準(zhǔn)室溫水溫一致（此時(shí)水溫、室溫和電離室空腔氣溫一致）下吸收劑量基本一致，t 均值檢驗(yàn)無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，表明即使是水溫、室溫差很大的情況（3 ℃～10 ℃）下，水溫和電離室空腔空氣溫度也基本一致。同時(shí)也證實(shí)室溫（氣溫）不能代替空腔氣溫，溫差越大，偏差越大，即使在水介質(zhì)溫度平衡下也應(yīng)使用水溫修正來吸收劑量。該研究還對小水箱自然冷卻情況下的溫度變化數(shù)據(jù)進(jìn)行了非線性擬合，近似為指數(shù)衰減。從圖3 可知，在加速器輸出劑量刻度期間（≤10min）溫度變化引起的最大偏差很小，不到0.5%，可以忽略；水介質(zhì)的溫度平衡所需時(shí)間跟初始溫差和水介質(zhì)體積有關(guān)，溫差越大，體積越大，所需時(shí)間就越久。

圖3 自然冷卻下小水箱水溫T 變化曲線

4 結(jié)論

該文采用小水箱測量吸收劑量刻度加速器輸出劑量時(shí)，在現(xiàn)場使用房間的自來水作為小水箱校準(zhǔn)用水，水介質(zhì)溫度未達(dá)平衡，水溫與室溫相差很大時(shí)（3 ℃～10 ℃），水溫和電離室空腔氣溫基本一致，基于水溫修正吸收劑量刻度加速器輸出劑量精確可行。該研究僅對6 MV 射線束做了研究，并未對其他能量開展研究，且使用的校準(zhǔn)方法為IAEA TRS277，而近期越來越多地開始采用IAEA TRS398 方法行加速器輸出劑量校準(zhǔn)，李磊等人做了基于IAEA TRS398 報(bào)告的直線加速器的劑量校準(zhǔn)，未對基于水溫做劑量修正是否準(zhǔn)確進(jìn)行研究（在水溫、室溫相差很大時(shí)）；后期將繼續(xù)針對不同加速器射束和不同校準(zhǔn)方法進(jìn)行研究。