胶片剂量仪与半导体探测器在小野剂量数据测量中的比较分析

高 翔, 余燕娟, 石丽婉

(1. 厦门大学 附属第一医院 放疗科,福建 厦门 361001;2. 漳州职业技术学院, 福建 漳州 363000)

1 引 言

随着放疗设备的不断更新,放疗技术也是日新月异。以体部立体定向放射治疗(stereotactic body radiation therapy, SBRT)与头部立体定向放射治疗(stereotactic radiosurgery, SRS)为主的的精确放疗逐渐得到医生和病人的青睐,应用越来越广泛。这种大剂量、小照射野的放射治疗方式对于定位准确度和靶区内、外剂量的控制有十分严格的要求。精确放疗要求射线束剂量尽可能多的投照在肿瘤靶区上,而周围正常组织受到的剂量尽可能的小,这就要求靶区与周边正常组织或危及器官形成比较高的剂量跌落梯度[1]。

要想实现这一目标,计划系统的建模数据是整个放疗准确的基础,这直接影响到计算结果的准确性,其中计算模型的建立依赖精确的数据测量。对于小照射野(≤3.0 cm×3.0 cm)的测量,当侧向电子平衡不能建立时,测量照射野的中心轴剂量探头大小应该尽可能小于照射野半径。蒙特卡罗在水中模拟侧向散射的结果表明:对于6 MV的光子,侧向电子平衡能够建立的最小照射野半径为1.0～1.3 cm;10 MV的光子线射野半径约为1.7 cm[2,3]。因此,在小照射野的建模数据测量中,电离室选择和水箱摆位的准确与否对测量结果影响极大。

本文通过使用半导体探头和胶片剂量仪,分别在IBA三维水箱和固体水中测量瓦里安直线加速器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的照射野物理数据。比较分析两种测量方式在数据测量中的差异,期望能够为后期建立准确的小照射野计算模型提供数据支持。

2 材料与方法

2.1 医用直线加速器

瓦里安23EX直线加速器,6 MV光子,内置120片多叶光栅(multi leaf collimator, MLC)。

2.2 水模与探头

采用IBA公司48 cm×48 cm×41 cm的Blue Phantom 2水箱与固体水(规格30 cm×30 cm×1 cm,多片叠加),0.01 cm3(RAZOR,IBA公司)半导体探头(隐形参考电离室),GAFCHROMIC EBT3胶片,Film QATMPro胶片分析软件与Epson Expression 10000XL扫描仪(日本Epson公司)。

胶片剂量仪在数据读取之前需要进行刻度,本次测量的刻度采用的是在标准照射野(10 cm×10 cm),分别用50 MU(MU为monitor units的缩写, 1 MU=1 cGy),100 MU,200 MU,300 MU照射刻度,然后将实验中测量的胶片数据放置读取,值得强调的是刻度的胶片与实验使用的胶片间隔时间不能太长,胶片尽量用同一批次。胶片剂量读取时,所选感兴趣区域(region of interest,ROI)范围不能超过显影区,读取平均值。

2.3 测量方法

(1)射野中散射因子Scp

Scp是在电离室位于水下5 cm处,源到表面距离(SSD)100 cm,设置机器出束 100 MU,射野大小分别设置为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的条件下测量,并归一到 10.0 cm×10.0 cm照射野后获得。如果在固体水中测量,需要对固体水体模进行校正[4～6]。固体水体模的测量深度dm与水中的测量深度dw之间的关系为:

(1)

式中:ρm是固体水体模的密度;Zm和Zw分别为固体水体模和水的平均原子序数;Am和Aw分别为固体水体模和水的平均原子量。

(2)百分深度剂量(percentage depth dose, PDD)曲线

在机架角与准直器均为0°条件下,用2种方式获得PDD数据:第1种方式,在SSD=100 cm的情况下,用Blue Phantom 2水箱扫描水深从水下30 cm到水上0.5 cm的输出剂量,采用step by step模式,步进1 mm;第2种方式,将30 cm×30 cm固体水模体放置于治疗床上,标记EBT3胶片方向,胶片的长轴为束流照射方向,将胶片放置于固体水模体中垂直于床面,胶片方向与束流照射方向平行照射,固体水中测量数据利用式(1)进行转换。

(3)离轴比(OAR)曲线

条件参照PDD曲线,水箱采用step by step模式,步长2 mm,测量深度为水下5 cm。胶片夹放在固体水5 cm(根据式(1)转换)处,100 MU垂直照射。

3 测试结果分析

3.1 PDD曲线

图1为胶片剂量仪与半导体探头测得6 MV光子线的PDD数据。半导体探头具有小的测量体积,体积平均效应不明显,该类型探测器敏感度较低,对低吸收剂量的区域能量响应不足[7];而胶片剂量仪具有能量相关性,由图1可以看出,水下10 cm以后,2条曲线的偏差变大(最大7%)。对比详细蒙卡模拟数据[8],半导体探头测量的数据更靠近理论值,这一点同样在文献[9]中得到了验证。表1列出了6 MV光子线条件下,胶片剂量仪与半导体探头在不同照射野时测得的PDD曲线数据。

表1 胶片剂量仪与半导体探头在不同照射野时测得的PDD 曲线数据(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)

图1 胶片剂量仪与半导体探头测得6 MV光子线PDD数据Fig.1 The PDD data of the 6 MV photons measured by the film dosimeter and the diode detector

3.2 总散射校准因子Scp

以VARIAN TPS计划系统建模时的数据作为参考,用IBA RAZOR探头测得数据、胶片剂量仪测得数据和TPS计算所得数据分别结算Scp,计算公式为:

Scp=(Dth-Dm)/Dth

(2)

式中:Dth为理论值;Dm为测量或计算值。

不同射野下6 MV光子线总散射校准因子Scp见图2。

图2中在射野宽度为6 cm和7 cm时出现异常点,异常点出现的原因可能是由于胶片剂量仪读取的非线性或机器的不稳定性,详细的原因在进一步排查中。

图2 不同射野下测得6 MV光子线总散射校准因子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况下,不同测量方式的测量值,也给出了TPS理论计算结果。由表2可见,总散射校准因子TPS计算理论值与半导体探头测得最大偏差约为-2.7%,与胶片实测值偏差约12%。

表2 不同照射野情况下不同测量方法测得总散射因子ScpTab.2 Scp values of different measurement methods for different radiation fields

胶片剂量仪在扫描的过程中因为透光或者摆放位置的不同等原因,会有5%的误差值。实验结果证明:机器TPS建模时候在考虑小野情况下,由于侧向电子平衡不能满足,计算结果与实际检测结果有一定偏差。因此,如果机器TPS没有小野(≤3.0 cm)建模,在实际治疗过程中,最好不要直接使用TPS计算结果。

3.3 离轴比曲线(OAR)

图3是用胶片剂量仪和半导体探头测得的不同小野下的离轴比曲线(off-axis ratio profiles,OAR)。

图3 胶片剂量仪和半导体探头测得的不同小野数据Fig.3 Data of different fields measured by film dosimeter and diode detector

表3为半导体探头测得的水下5 cm处6 MV光子线平坦度、对称性曲线数据。射野越小的情况下,平坦度、对称性会越差。对于高度适形的精确放疗,要求靶区外的正常组织受量尽可能小;而半影的大小决定了靶区外剂量跌落梯度,因此射野的平坦度、对称性与半影宽度的测量准确性尤为重要。

表3 半导体探头测得小照射野情况下的平坦度、对称性Tab.3 Measurements of flatness and symmetry in the case of small radiation field by diode detector (%)

4 结 语

测量使用的VRIAN 23EX机器在数据建模的时候并没有测量小照射野(≤3 cm×3 cm)的束流参数,因此在后续放射治疗过程中关于小野的剂量问题都没有准确的数据作为参考。对于小的照射野,尤其是3 cm×3 cm及其以下的照射野,侧向电子平衡无法建立,测量的Scp因子与机器外推计算的结果会存在较大的差别[10]。对于PDD的测量,在深度较浅(小于10 cm)时,胶片剂量仪与半导体探头探测器测得的数据基本吻合;但是随着测量深度的增加,在深度超过10 cm的时候,2条测量的曲线产生较大的偏差,初步的判断是因为胶片感光具有方向性和能量相关性,不可排除的是测量深度的增加,对半导体探头剂量仪的测量也会有影响。因此,详细的数据及其结果需要做进一步的测量。

综上,胶片剂量仪不适合做百分深度剂量的测量,而且胶片数据处理太过繁琐,耗时较长。同样,不同的测量方法测得的PDD曲线的不同,会影响到后面总散射校准因子Scp的计算。胶片剂量仪相比于半导体探头具有更高的空间分辨率,边界的分辨会更加的明显,因此可以得到比较准确的测量半影的宽度[11]。这是因为半导体探头虽然体积很小,但是仍然有一定的体积,对于边界的测量会受电离室本身体积的影响。

加速器输出剂量的测量除了对使用的测量方法、摆位精确度有比较高的要求之外,探测器探头的选择也会很大程度上影响到测量的结果[12,13]。在探头的选择上,市面上有几款比较适合小照射野测量的电离室,包括:硅半导体、金刚石探测器、液体电离室、有机闪烁体探测器等。不同的探测器有不同的特性,在测量数据方面各有所长,需要对照选择。使用电离室探测器时,需要注意,电离室体积最好不要超过0.01 cm3,否则会影响到测量的结果;半导体探头有比较高的灵敏度,不受体积大小的影响,但是半导体受辐射损伤明显,稳定性不如电离室探测器。

蒙特卡罗模拟在加速器剂量测量方面有着很大的理论指导作用[14,15],尤其是对于电子平衡不能建立的小照射野测量。比较常用的蒙特卡罗软件有:MCNP,Geant4,EGS等,由加拿大国家研究委员会等几个研究所在EGS平台上完善的Beamnrc和DOSxyznrc软件能够很方便地模拟医用直线加速器机头和输出的剂量。接下来的工作,我们也将在本次研究的基础上,着重进行数据的处理以及蒙卡模拟试验验证,期望能够为后期建立准确的小照射野计算模型提供数据支持。