基于IAEA 277和398报告在直线加速器FFF模式下绝对剂量校准结果对比

贾亚军，沈文同，闫渊林，陈佳艺，贺晓东

上海交通大学医学院附属瑞金医院放疗科，上海200025

前言

传统的直线加速器使用均整块（Flattening Filter,FF）来形成剂量均匀分布的展宽束流，随着调强放疗（Intensity‐Modulated Radiotherapy, IMRT）和容积调强弧形治疗（Ⅴolumetric Modulated Arc Therapy,ⅤMAT）的进一步发展，可以在非均整（Flattening Filter Free,FFF）模式直接使用非均匀分布的束流，同时剂量率更高，从而显著提高治疗效率。

精准放疗建立在严格的质量控制和质量保证的基础上，其中加速器中心轴绝对剂量的准确性是其中最基础的一环。目前我国采用的国标是基于国际原子能机构（International Atomic Energy Agency,IAEA）在1987年颁布的基于空气比释动能的IAEA 277 号报告［1］，为了进一步减少剂量校准过程中的不确定性，不少国家已采用最新的基于水中吸收剂量测量的IAEA 398 号报告中的规程校准绝对剂量［2］。常规FF 模式下，采用上述IAEA 277 和398 报告的绝对剂量校准对比已有研究［3］，而少有研究分析在FFF模式高剂量率下的对比结果。

本研究在FFF 模式下，针对X 线6 MⅤ和10 MⅤ两档能量，分别采用IAEA 277 报告和IAEA 398 报告校准中心轴绝对剂量，并进行对比分析。

1 材料与方法

1.1 医用直线加速器

上海交通大学医学院附属瑞金医院放疗科购置美国Ⅴarian 公司的Edge 加速器，相比C 系列如Trilogy 机型，采用集成式全数字化控制，高分辨率多叶准直器（Multi‐Leaf Collimator,MLC）叶片60对，最薄叶片厚度为2.5 mm，精度和准确度更高，并增加FFF 模式，大幅度提高剂量率。6X‐FFF、10X‐FFF 最高剂量率分别为1 400、2 400 MU/min，明显缩短脑部放射外科和立体定向放疗的治疗时间［4‐7］。

1.2 FFF模式

直线加速器射线路径上均整块FF的作用是横向上形成均匀分布的束流［8］。但是射线与FF 发生相互作用后会导致射线硬化［9‐11］。

在源皮距100 cm，射野大小（10×10）cm2下，考虑电离室有效测量点的修正，在三维水箱中采集的6 和10 MⅤ的百分深度剂量曲线和Crossline 方向的开野离轴比曲线（图1）。由于FF物理设计的差异，高能FF 明显厚于低能FF，所以移除FF 后，10 MⅤ开野时，射野中心的剂量明显高于两侧。FF 和FFF 模式下最大剂量点深度见表1。

图1 6和10 MV两档能量下的百分深度剂量和离轴比Fig.1 Percentage depth doses and off-axis ratios for 6 and 10 MV

表1 FF和FFF模式下6和10 MV光子线的最大剂量点深度（cm）Tab.1 The depth of the maximum dose R100 for 6 and 10 MV beams in FF or FFF mode(cm)

1.3 静电计和电离室

静电计为比利时IBA 公司的Unidose Dose I；电离室为FARMER 型FC65P，体积0.65 cc，防水性能可以满足水箱内任意深度的测量，能量响应好。

1.4 水箱

德国PTW 公司MP3 的三维水箱，尺寸为60 cm×60 cm×50 cm，利用它测量光子FF 模式和FFF 模式下的百分深度剂量和Crossline 方向的离轴比等相对剂量测量曲线。中心轴绝对剂量测量使用的是IBA 公司的一维水箱，尺寸为35 cm×35 cm×40 cm，水箱设计可以满足IAEA 277 和IAEA 398 等国际放射剂量测量规程的要求。

1.5 高能光子线剂量校准方法

1.5.1 IAEA 277‐基于空气比释动能校准方法绝对剂量的计算方法为：

其中，M为经环境温度、气压修正后的剂量仪读数；PU为扰动修正因子是辐射质的函数，同时与室壁有关；Pcel为中心电极影响；ND为电离室空腔的吸收剂量校准因子，与空气比释动能校准因子Nk或照射量校准因子NX有关。

或

其中，g为次级电子轫致辐射能量占总能量的份额；W/e为空气中产生每对离子的平均能量，为33.97 J/C；Katt为校准电离室时，电离室室壁及平衡帽对校准辐射的吸收和散射的修正；Km为电离室室壁及平衡帽材料对校准辐射空气等效不充分而引起的修正。

1.5.2 IEAA 398‐基于水中吸收剂量校准方法绝对剂量的计算方法为：

其中，ND,W,Q0是参考射线质Q0中水吸收剂量校准因子；kQ,Q0是修正电离室在用户射线质和参考射线质响应差异的校准因子（使用不同的电离室测量用户射线质条件下TPR20,10的kQ,Q0有表可查）［12‐14］，MQ为考虑影响因素之后在用户射线质下的静电计读数。

其中，M1为未修正时剂量仪读数与跳数之比；kTP为温度、气压修正因子；kelec为静电计校准因子；kpol为极化效应修正因子；ks为复合效应修正因子。

其中，M+、M‐、M分别为正偏压、负偏压、正常电压下的读数。

复合效应使用双电压法测量，电压Ⅴ1时的读数为M1，Ⅴ2时的读数为M2。拟合系数见表2。

表2 计算复合效应修正因子时的拟合系数Tab.2 Fit coefficients for the calculation of recombination correction factor

1.5.3 测量条件对比光子射线质用TPR20,10表示，IAEA 277和398号报告中测量条件对比见表3。相对277 号报告，398 号报告的主要不同是：①在射线质TPR20,10小于0.7时，测量深度也可以选择在水下10 cm；②电离室参考点在电离室气腔中心轴的中点，其摆放位置等于测量深度［2］，无需考虑电离室的参考点。

2 结果和分析

上海交通大学医学院附属瑞金医院加速器Edge光子线的射线质见表4。FFF模式下，射线质因子略小于FF模式的值。根据射线辐射质，通过查表计算IAEA 277号报告中的修正因子Katt、Km、PU、Pcel，见表5。

临床应用时，FFF模式通常采用高剂量率模式，在校准过程中剂量率设置与上海交通大学医学院附属瑞金医院临床应用设置一致，均为1 200 MU/min。有研究表明，在高剂量率模式下，复合效应更加明显［5,15］。本研究根据双压法测量规程，静电计分别在+500 Ⅴ、+250 Ⅴ电压，加速器100 MU下，记录电离室测量吸收剂量，测量3次，取平均值。根据表2中的拟合系数，计算复合效应修正因子ks，同时与FF 模式下剂量率为600 MU/min 的数据对比，结果见表6。剂量率在1 200 MU/min 时的FFF模式下，复合效应修正因子ks相比较600 MU/min 时的FF模式，分别偏高0.36%和0.32%。IAEA 398报告中的修正因子见表7。

表3 IAEA 277和IAEA 398 号报告校准条件对比Tab.3 Measurement conditions in IAEA 277 and IAEA 398 reports

表4 Edge加速器光子线射线质及测量条件Tab.4 Photon beam quality and measurement condition for Edge linear accelerator

表5 IAEA 277 报告中的修正因子Tab.5 Correction factors in IAEA 277 report

表6 FFF模式和FF模式下复合效应修正因子对比Tab.6 Comparison of recombination correction factors in FFF and FF modes

表7 IAEA 398 报告中的修正因子Tab.7 Correction factors in IAEA 398 report

采用IAEA 398 号报告，6X‐FFF 与10X‐FFF 模式下绝对剂量校准结果相比IAEA 277 号报告，分别低1.0%和0.7%。

IAEA 277 号报告剂量校准链上涉及许多因素，这些因素以使用60Co g 射线测量空气比释动能因子Nk开始，以临床射线在水中的吸收剂量DW结束；校准链上不确定性来自用户进行的转换［16‐18］，比如Katt、Km等，同时Nk转换为ND,air的不确定性意味着在临床射线校准的起点已经涉及相当大的不确定性［19］。IAEA 398 号报告使用水吸收剂量校准，校准环境是在与用户测量环境相似，使得降低校准结果的不确定性成为可能［20］。

3 讨论和结论

本研究利用IAEA 277 号报告基于空气比释动能和398号报告基于水中吸收剂量的方法，校准上海交通大学医学院附属瑞金医院Ⅴarian Edge 直线加速器FFF 模式下的中心轴绝对剂量，通过对比发现，在剂量率为1 200 MU/min 的条件下，两种方法的差别在1%以内。基于水中吸收剂量的校准方法，操作更简单。在FFF 模式高剂量率的条件下，通过双压法测量，发现电离离子对的复合效应均高于FF 模式剂量率600 MU/min条件下的结果。

随着放疗技术的不断发展，质量保证和质量控制的工作进一步增加，而加速器中心轴绝对剂量作为开展放疗的基础工作的准确性也显得更重要。我国采用的IAEA 277号报告基于空气比释动能的校准方法，在发达国家已基本停用，纷纷转向IAEA 398号报告，直接给出水中吸收剂量校准因子，减少用户端的不确定因素。已有研究对比FF模式下两种方法的差异，鉴于FFF 模式已在临床实践中得到大量的应用，本研究对比此模式下应用IAEA 277 报告和IAEA 398 报告的结果，显示IAEA 398 号报告在FFF模式应用的可靠性和准确度，为建立和推广基于水中吸收剂量的IAEA 398号报告提供参考。