三種探頭測量加速器小野輸出因子的數據分析

殷旭君 張秋杭 侯東梅 黨雅芳 尹碩宇 馬媛媛 李晶晶 陳俊政 徐建堃*

隨著放射治療技術的不斷發展與進步，調強放射治療(intensity modulated radiotherapy，IMRT)、立體定向放射治療(stereotactic radiotherapy，SRT)以及立體定向體部放射治療(stereotactic body radiotherapy，SBRT)等技術所占比重越來越大，這些技術在常規醫用直線加速器中通過調節多葉準直器(multi leaf collimator，MLC)或者附加不同限光筒(Cone)形成不同小照射野，然后控制照射時間達到精確調節腫瘤內射線強度的目的。這些小照射野的劑量學特性與常規照射野相比有很大不同，存在側向電子不平衡，部分源遮擋效應等[1-2]。不同廠家生產的測量探頭由于材料、密度及靈敏體積存在差異，使得小野數據測量結果各有不同，對小野數據測量的精度和準確度提出了更高的要求[3-4]。輸出因子(output factor，OF)是醫用直線加速器基礎數據采集的重要部分，直接影響劑量計算的準確性。本研究以IBA CC13空氣電離室作為大野輸出因子的參考，分別分析Razor Chamber空氣電離室、Razor Diode半導體探頭和60019 micro Diamond寶石探頭測量的小野輸出因子數據，并根據現有文獻資料引入輸出因子的校準因子對測量數據修正。

1 設備與方法

1.1 測量設備

采用Elekta Synergy雙能醫用直線加速器(瑞典醫科達公司)，Agility 160片MLC，光子線能量分別為6 MV和10 MV；IBA BluePhantom2三維水箱，CC13(IBA)空氣電離室(比利時IBA公司)；Razor Chamber(IBA)空氣電離室(比利時IBA公司)；Razor Diode(IBA)半導體探頭(比利時IBA公司)；60019 micro Diamond(PTW)寶石探頭(德國PTW公司)共4種探頭，CC13空氣電離室作為常規射野(≥4 cm×4 cm)測量探頭，后3種探頭作為小野輸出因子測量使用。探頭部分參數見表1。

表1 四種探頭基本參數

1.2 測量條件

加速器機架和小機頭0度，源皮距(source skin distance，SSD)為90 cm，選擇6 MV和10 MV能量的X射線，每次測量100 MU，重復5次取均值。探頭放置在水下10 cm深度，其中CC13和Razor Chamber探頭的固定方向為長軸方向與射線軸方向垂直，Razor Diode探頭和60019 micro Diamond探頭的固定方向為探頭的長軸方向與射線軸方向平行。每次更換探頭后或者更換能量后使用水箱軟件中心軸輸出量(central axis output，CAX)校準功能，確保探頭位置處于射野中心軸上。測量射野為1 cm×1 cm，2 cm×2 cm，3 cm×3 cm，4 cm×4 cm，5 cm×5 cm，10 cm×10 cm，CC13探頭測量最小野到4 cm×4 cm。輸出因子定義為各測量射野10 cm深度的吸收劑量與10 cm×10 cm參考射野同一深度吸收劑量的比值。射野定義為(SAD)源軸距(source axis distance，SAD)=100 cm處50%的等劑量線之間的寬度。

1.3 校準因子

為了解決不同探頭在測量小野輸出因子時遇到的問題，根據Alfonso[20]提出的輸出因子校準因子概念，計算為公式1：

2 結果

2.1 三種探頭校準前后的輸出因子比較

對于6 MV能量，3種探頭的輸出因子最大相對偏差為2.3%，10 MV能量3種探頭的輸出因子最大相對偏差為2.1%。根據國際原子能機構(International Atomic Energy Agency，IAEA)TRS.483報告[6]給出的不同探頭的輸出因子校正因子對數據進行校正，并且根據報告中建議的轉換方法將CC13探頭測量的5 cm×5 cm(或4 cm×4 cm)射野數據作為“中間”射野，也就是將3種探頭的數據再次歸一到CC13探頭測量的5 cm×5 cm射野上，以此將大野輸出因子和小野輸出因子對接。經校正后，3種探頭所測量的數據有很好的一致性，相對偏差為6 MV≤0.3%，10 MV≤0.5%。3種探頭校準前后的輸出因子比較見表2。

表2中測量數據和校正后的數據對比顯示，校正后Razor Diode探頭、Razor Chamber探頭和60019 micro Diamond探頭在測量小野輸出因子能夠達到接近真實值。

2.2 三種探頭輸出因子按4 cm×4 cm歸一后數據對比

60019 micro Diamond探頭相比半導體探頭有更好的角度響應和能量響應，其寶石材料相對水的質能吸收系數接近于常量，所以60019 micro Diamond探頭在射野≥4 cm×4 cm時與CC13探頭的測量數據有很好的一致性。然而60019 micro Diamond探頭材料的密度約為3.53 g/cm3，在小野測量情況下由于探頭內物質密度與水的不等效會有過反應使數據高估，同時由于60019 microDiamond的探頭橫向半徑為1.1 mm，在極小野的情況下也會有一定的平均容積效應[17-19]。

表2 三種探頭校準前后的輸出因子比較

圖1 三種探頭測量的輸出因子對比

圖1所示各探頭2 cm×2 cm以上射野測得的輸出因子有很好的一致性，相對偏差6 MV＜0.4%，10 MV＜0.6%。差別主要在1 cm×1 cm射野，Razor Chamber探頭由于平均容積效應低估了輸出因子，Razor Diode和60019 micro_Diamond探頭因為高密度物質影響高估了輸出因子，但Razor Diode探頭要優于60019 micro_Diamond探頭。3種探頭之間最大相對偏差來自Razor Chamber和60019 micro_Diamond探頭，6 MV和10 MV分別為2.6%和2.5%。

3 討論

射野輸出因子是放射治療計劃系統計算模型建立的重要數據之一。Derreumaux等[5]報道了一起醫療事故，該事故導致法國一家醫院145名患者在接受BrainLab Novalis設備治療時受到了200%處方劑量過量照射。事故原因正是由于物理技術人員使用不合適的探頭測量而得到了錯誤的小野輸出因子。隨后事故處理工作組對擁有Novalis產品的15家醫院的調查顯示，計劃系統中小野輸出因子測量偏差達到驚人的50%。目前，各級醫院配備的測量探頭種類各異，不同探頭在使用過程中需要考慮其適用范圍，當測量小野輸出因子時應該根據所選探頭類型對其進行必要的修正。

小野的定義：射野足夠小，射束中心軸上側向電子平衡丟失；存在部分源遮擋效應；測量探頭的尺寸超過了射野大小或與其接近[1]。通常射野≥4 cm×4 cm時認為是常規射野，當射野≤3 cm×3 cm時認為是小野。Charles等[7]通過計算認為，6 MV光子射線當射野≤1.2 cm×1.2 cm時側向電子不平衡效應最大，射野尺寸偏差1 mm或者探頭位置偏差1 mm時輸出因子的測量誤差將＞1%，最多高達20%。當照射野很小時，由于鉛門和MLC或者Cone等的影響，擋住了絕大部分機頭內部的低能散射線，從而改變了射線能譜的變化使得射束平均能量變高[8]。這也意味著次級電子的射程變長，當次級電子的射程接近或者超過射野大小時側向電子平衡將不再存在[1-2，9]。

側向電子不平衡效應和部分源遮擋效應使得射線在水中的劑量梯度急劇變大，射線離軸曲線分布不再有劑量平坦區而呈現出“尖峰”形狀，測量探頭的尺寸和體積將會對測量造成影響，過大體積的探頭會測量周圍的低劑量區從而低估小野的測量值，這種現象被稱為“平均容積效應”[4，10-11]。

Scott等[12]發現，除了平均容積效應以外，探頭構成材料與水的密度不等效也會對小野的測量數據帶來干擾，這些材料不限于探頭靈敏體積內，也包括探頭的封裝材料、中心收集極等。根據以往經驗，半導體探頭在測量大野數據時因為硅和水的質能吸收系數不一致，對低能量射線(keV)存在過反應通常會高估測量數據[13-14]。而在小野情況下大量的低能散射線已經被鉛門、MLC或者Cone阻擋掉，所以該效應在小野情況下不明顯。半導體主要材料硅的密度約為2.3 g/cm3，多個研究表明Razor Diode(無屏蔽材料)這一類探頭在測量小野數據時因探頭物質材料密度與水不等效而造成數據的高估[10，12-13，15-16]。Chalkley等[14]發現，當半導體探頭按照常規輸出因子計算方法歸一到10 cm×10 cm射野以后會低估輸出因子的數值。這與此次Razor Diode探頭測量的結果基本一致，原因就是在測量10 cm×10 cm射野時由于半導體對低能量射線過反應測量數值偏大，分母變大分子相應則變小。Poppinga等[9]建議，將小野的輸出因子歸一到4 cm×4 cm，有助于縮小誤差，更能體現不同探頭在小野狀態下的真實反應。

目前，獲得輸出因子校正因子的主要方法有兩種：①基于實驗的測量數據，利用認為是完全水等效的有機閃爍體探頭，如FOD(Royal Prince Alfred Hospital，Sydney)和Exradin W1(Standard Imaging)，或者慢感光膠片等進行測量獲得校正因子[9-11，18]；②通過蒙卡算法模擬計算獲得校正因子[2，21-24]。IAEA在2017年發布的TRS.483報告[6]中將之前學者已發表文獻中的校正因子進行了歸一和整理，給出了不同放射治療設備，以及常用測量探頭的校準因子建議值。實際臨床應用中可以查表獲得相應的校準因子，但需特別注意這些校準因子的測量條件，如射野大小，源皮距等。

在小野輸出因子數據采集實踐中，還有其他一些因素需要特別注意：如探頭的方向，對于CC13以及Razor Chamber這一類空氣電離室建議采集中探頭長軸方向與射束中心軸垂直，以避免線纜或探頭其他部件進入照射野，引起不必要的測量誤差[16]。半導體探頭和寶石探頭則應該使探頭長軸方向與射束中心軸平行。在放置探頭時應該使探頭位置處于照射野中心。如果三維水箱無相應的自動校準功能，可以在測量深度上掃描X方向和Y方向兩條離軸曲線，根據水箱軟件給出的中心偏差手動調整探頭位置。不同的探頭在測量之前需要一定預照射，在探頭充分預熱后再開始測量。此外，測量小野輸出因子必須至少有兩種探頭，交叉對比數據以獲得更高的可信度。一般情況下建議選用CC13這類空氣電離室作為標準測量探頭，并測量最小野到4 cm×4 cm，并將5 cm×5 cm(或4 cm×4 cm)作為“中間”射野與小野探頭測量得到的輸出因子做歸一對接，從而得到完整的射野輸出因子數據。

4 結論

通過臨床實際測量數據，本研究比較了Razor Chamber探頭、Razor Diode探頭和60019 micro Diamond探頭在測量小野輸出因子時的不同表現，并分析了不同探頭之間測量偏差的來源。平均容積效應和探頭內密度的不同是造成測量相對偏差的主要因素。對于Razor Diode半導體探頭，選擇常規10 cm×10 cm參考野進行歸一會放大半導體能量過反應這一因素帶來的誤差。各小野輸出因子在經過IAEA TRS.483報告[6]推薦的校準因子修正后取得了較好的一致性。