非均整与传统均整X线射束的电离电荷复合率研究

北京协和医院 放疗科，北京 100730

引言

随着技术手段的不断发展，放射治疗完成了从常规治疗模式到精准放疗模式的转变[1]。调强放疗、大分割放疗等技术，由于其放射生物学优势[2]，在临床中的使用逐渐增多。为了提升治疗精准度，患者单次治疗时间加长，患者在分次内的运动造成的剂量学偏差更加值得关注[3]。在临床实践中，由于高剂量率射束可以显著降低治疗时间，很多直线加速器开始配备高剂量率的无均整器（FFF）X射线束[4]。FFF射束由于剂量率高，能缩短治疗时间，因此在器官运动管理中具有明显的优势。为满足现代放疗的精准度需求，FFF射束的应用越来越广泛[5]。

在进行加速器调试中校准绝对剂量、基础数据曲线收集时都会使用到电离室[6]。电离室的响应主要有四个修正因子：温度、气压、极性因子、电离电荷符合率（pion）[7-9]。其中pion中的常规重组部分是依赖于剂量率的，随着剂量率的提高，pion值也随之提高[10]。根据TG-51报告[11]，当pion＜1.05时，可以通过“双电压”法测量出来。但从该报告问世以来，加速器技术变化较大，随着加速器剂量率的提高，特别是FFF射束的广泛应用，使得很多临床常用射束的pion的值高于1.05。对于高剂量率FFF射束的pion值的测量采用“双电压”法是否合适的问题，一些研究学者认为其测量结果与常规平坦射束一样可信[10,12-15]，而有一些研究学者则提出了质疑[16-17]，提出需要针对不同偏置电压分别讨论其适用性。本文主要针对上述问题进行讨论，对于现代高剂量率加速器，利用“Jaffé-plot”方法验证“双电压”法测量pion值中合适的偏置电压对，以及不同的能量、测量工具是否会对pion的值产生影响，本研究对pion的测量起到参考作用。

1 材料与方法

本研究所使用的加速器为Elekta公司的VersaHD加速器中的6 MV、10 MV、6 MV-FFF 和10 MV-FFF四档能量的光子线。使用的是IBA公司的FC65-G电离室，有效测量体积为0.65 cm3；CC13电离室，有效测量体积为0.13 cm3；CC01电离室，有效测量体积为0.01 cm3以及PTW公司的Roos（34001型）平行板电离室。使用了三种静电计，分别为IBA公司的 Dose2双通道参考级静电计、PTW 公司的Uni-dose静电计参考级静电计以及Standard-imaging公司的CDX-2000B静电计。

1.1 “双电压”法

对于测量pion值的方法，TG-51[11]建议采用“双电压”法，如公式(1)。

公式(1)是一种线性假设，对于pion＜1.05的脉冲或脉冲扫描光束，即电离电荷效应较少的情况下是准确的。但已知电离电荷效应的真实关系是非线性的，因此在使用时，特别是在高剂量率FFF模式等高剂量率模式下，可能在使用中造成差异[18]。因此，本文利用“Jaffé-plot”方法对高剂量率模式下的“双电压”法进行确认。

1.2 “Jaffé-plot”方法

Kry等[12]引入了一种称为“Jaffé-plot”的方法，Berg等引入了Jaffé-Zanstra理论对其进行数学计算，这是“Jaffé-plot”方法的理论基础[19-20]。他们认为，测量所用不同偏压和电荷量之间的关系是，偏压的导数（1/V）和电荷读数的倒数（1/Q）是线性的，他们认为这是用于测量pion的更好方法。

1.3 实验设置

实验的第一部分是使用“Jaffé-plot”方法验证TG-51“双电压”法在高剂量率FF和FFF射束中测量的有效性，并找到适合进行pion测量的偏置电压，测量条件如表1所示。

表1 “双电压”法和“Jaffé-plot”法对比的测量条件

在每种测量条件下，应对收集到的电荷进行三次测量，并记录平均电荷和偏差以降低噪声，并分别通过“双电压”法和“Jaffé-plot”方法计算不同电压下的所有因子。

这项研究的第二部分讨论了pion与剂量率、电离室类型和静电计之间的关系。对于6 MV、10 MV光子束，剂量率选择100～700 MU/min；对于6 MV-FFF光子束，剂量率选择100～1400 MU/min；对于10 MV-FFF光子束，剂量率选择100～2200 MU/min。使用FC65-G室和IBA Dose2静电计，产生10 MV-FFF光子束。测量pion与电离室的关系，采用的电离室包括CC01、CC13、FC65-G和PTW平行板电离室。静电计均选用IBA Dose2，在表2中的设置下收集数据计算得出对于不同静电计的影响。所选择的静电计包括IBA Dose2、PTW Unidose和Standard CDX-2000B静电计，电离室均选择FC65-G，分别在表2的条件下测量得出。

表2 pion与剂量率、电离室、静电计之间的关系的测量条件

这项研究的第三部分讨论关于pion与在水模体中测量深度之间的关系。这部分采用CC13电离室和IBA Dose2静电计，在水下深度不超过30 cm，SSD = 100 cm，射野大小为10 cm×10 cm的情况下，在不同深度收集pion。

1.4 分析对比

实验的第一部分通过对比两种方法的测量结果，分析“双电压”法和“Jaffé-plot”方法计算出结果的偏差，讨论两种方法的可行性。实验的第二部分，分析不同剂量率、电离室类型和静电计造成的pion差异。实验的第三部分，计算不同深度的pion，并对比差异，讨论不同深度对于pion造成的影响。

2 结果

2.1 使用“Jaffé-plot”方法验证“双电压”法的有效性

对于所有电荷测量均观察到良好的重复性。相应地，通过电荷量计算的pion值结果稳定。在相同设置下，所有测量的变化不超过0.3%，所有测量的标准偏差均小于0.3%。表3显示了在不同电压下静电计测量得到的电荷量读数结果。

表3 在不同的偏置电压下收集的电荷（nC）

通过表3，根据上述“双电压”法相同能量下，任意两种偏压得到的电荷量计算pion数值。使用公式(1)，由“双电压”法测量出的pion因子如表4所示。为了验证“双电压”法的有效性，利用“Jaffé-plot”方法绘制了1/Q与1/V曲线。为了确定线性回归效果，通过SPSS v22对数据拟合的R2和标准差进行计算，结果如表5所示，得出的1/Q与1/V之间显示出良好的线性关系。通过将线性拟合结果外推至1/V=0以找到无电荷重组效应情况下的值，结果如图1所示。6 MV能量下，QV=0=18.28 nC；10 MV能量下，QV=0=15.29 nC；6 MV-FFF能量下，QV=0=18.35 nC；10 MV-FFF能量下，QV=0=15.29 nC。再通过公式(2)，计算出pion值。表6显示了通过“Jaffé-plot”方法计算出的pion因子。

表4 利用不同偏置电压得出的值

表5 通过“Jaffé-plot”方法拟合的参数

图1 不同能量的1/Q与1/V拟合线

表6 通过“Jaffé-plot”方法得出的不同能量的值

由于假设“Jaffé-plot”方法是计算pion值的有效方法，但是，“双电压”法在临床上较容易操作，因此通过比较表3和表6找到适合所有能量的偏置电压对。通过上述数据，计算两种方法的偏差，并得到在各个能量下测量偏差均小于＜0.1%的偏压对，详见表7。双电压法与“Jaffé-plot”方法最坏情况下误差在1.3% 以内，通常准确度在0.1%～0.2%以内。

表7 通过“Jaffé-plot”方法验证“双电压”法结果的偏差值（%）

当偏置电压对为 100～300 V、150～300 V、200～300 V、100～400 V、150～400 V、200～400 V、300～400 V，两种方法之间的差异小于0.1%，本研究将所有这些偏置电压对定义为“合适的偏置电压对”，这些偏压对为临床中可用的偏压对。而其他偏压对由于在一个或几个能量下与“Jaffé-plot”方法偏差较大，因此被认为不适合应用于临床测量。之后的讨论，本研究选择100～300 V偏置电压对进行进一步的测量。

2.2 pion值与剂量率、电离室和静电计之间的关系

pion值与剂量率的关系结果如图2所示，不同剂量率之间的pion值没有统计学差异（P＞0.05）。表8显示了pion值与不同电离室之间的关系，不同电离室相同能量之间的测量偏差小于0.5%，处于临床可接受范围。表9显示了pion值与不同的静电计之间的关系，不同静电计，相同能量之间的测量偏差小于0.5%，处于临床可接受范围。

图2 不同剂量率条件下测得的pion值

表8 不同电离室测量获得的pion值

表9 不同静电计测量获得的pion值

2.3 不同深度对于pion造成的影响

pion值与测量深度的关系如图3所示。对于10 MV-FFF能量，不同深度的pion值变化大于2%；对于6 MV-FFF能量，在不同深度的pion值变化大于1%；对于10 MV和6 MV带均整器的射束，pion值的变化小于1%，这在临床上不能忽略。

图3 不同测量深度条件下测得的pion值

3 讨论

由于TG-51[11]发表较早，从1999年问世以来，加速器的剂量率不断增加。因此，有必要重新评估TG-51建议的“双电压”法测量pion因子的有效性。部分研究已经注意到高剂量率射束对于因子的影响[10,12-17]，但并不完整，本文利用临床新型直线加速器以及临床常用的多种电离室、静电计，对pion因子在各种条件下的变化进行全面的讨论。

本研究认为，“Jaffé-plot”方法是比“双电压”法鲁棒性更好的一种测量方法，因为“Jaffé-plot”是通过多个测量结果以绘制1/V和1/Q的函数，而不是通过两个测量点来确定pion的值，是一种更加稳定的方法。由表5可知，“Jaffé-plot”方法的不确定性很小，因此在“双电压”法中引入的主要不确定性认为是该方法使用的线性近似方法（约0.2%）[10]。从表3中还可以发现，FFF光束比传统的带均整器的射束具有更大的偏差，这样的测量结果结果与Kry等[12]的研究相同，并且在他们的研究中已经讨论到FFF射束中更大的不确定度是由于潜在的部分体积效应，即由于FFF射束的变化梯度较大，因此由于摆位等原因造成的微小差异更容易产生测量结果的偏差。但是比起TG-51推荐的“双电压”法，“Jaffé-plot”方法操作起来较为复杂。在这种情况下，本研究希望找到显示出良好一致性的偏置电压对，以使用“双电压”法也可以获得较为准确的结果。在本研究中，对于所有能量和电离室，采用“双电压”法测量的pion值均进行了比较。在偏置电压对100-300 V下，两种方法的pion值偏差均在0.1%内。如果偏置电压对的选择不合适，则这两种方法之间的差异可能会达到1.25%。因此，本研究得出结论，只有选择合适的偏压对，才能在pion值测量中获得较为稳定的结果，100-300 V偏压对是本研究推荐的测量参数。

由不同的剂量率引起的离子重组效果没有统计学差异，本研究认为其原因是Elekta Versa HD调整剂量率的方式是通过更改脉冲数而不是更改每个脉冲的剂量，由于调整剂量率时每个脉冲的剂量没有变化，因此显示pion与剂量率之间没有相关性。因此该加速器的pion值不会随着剂量率的提升有明显变化。

不同能量、不同的电离室和静电计之间的pion值偏差小于1%，尽管差异很小，但本研究仍建议在进行绝对剂量测量之前对于每个电离室和静电计进行pion测量。

对于10 MV-FFF能量，不同深度的pion值变化大于2%；对于6 MV-FFF能量，在不同深度的Pion值变化大于1%；对于10 MV和6 MV带均整器的射束，pion值的变化小于1%，这在临床上不能忽略。而且，观察图3，可以发现pion值的变化趋势类似于百分深度剂量曲线，采取同样的pion值测量百分深度曲线或进行数据采集工作，会导致百分深度曲线的斜率较实际大，造成数据由于测量原因出现一定偏差。因此，本研究建议在设备临床调试和计划系统数据采集建模过程中，将pion值的影响纳入考虑。

4 结论

TG-51推荐的“双电压”法仍然是对高剂量率非均整射束pion值的有效方法，当剂量率、电离室和静电计发生变化时，pion值的变化较小。但由于测量深度的变化，本研究建议在调试和治疗计划系统数据采集程序中对pion值进行评估和考量。