随着精确放疗技术的不断进步, 常规调强(Intensity Modulated Radiation Therapy, IMRT), 容积旋转调强(Volumetric Modulated Arc Therapy, VMAT)等各种新技术在各大医院得到广泛的应用, 由于其剂量产生和分布的复杂性, 因此, 调强放疗计划的验证工作也随之展开, 各种计划验证设备也被逐渐的引入到各单位, 常用的临床验证设备有MapCheck, Matrixx, PTW729以及Delta4, ArcCheck等。目前对于以上各种设备的物理特性的研究以及对剂量分布影响的研究已有诸多报道^[1-3], 但是对于其绝对剂量刻度方法的分析却鲜有报道。同时, 我国医用加速器的绝对剂量刻度方法是建立在水中测量的, 对于固体水或其他材料中的剂量测量缺乏一个统一的定义, 因此, 本文尝试建立固体水中的剂量测量方法, 从而为调强剂量验证设备的绝对剂量刻度提供理论和剂量学上的支持。

1 材料与方法 1.1 材料

在瓦立安公司的Trilogy医用加速器6 MV光子线下测量, 采用标准源皮距100 cm。测量设备为PTW公司的Unidos剂量仪和配套的PTW 30013电离室, 水中剂量测量在30 cm × 30 cm × 30 cm的水箱中进行。固体水为PTW公司, 规格为40 cm × 40 cm (厚度有1 cm, 0.5cm, 0.2cm, 0.1 cm; 相对水的电子密度为1.012)。用于剂量刻度的调强计划验证设备为IBA公司的两维探测器阵列Matrixx。

1.2 方法 1.2.1 测量条件

采用源皮距100 cm, 照射野大小分别选择5 cm × 5 cm, 10 cm × 10 cm, 20 cm × 20 cm; 深度选择等效水深度为1.5 cm, 5 cm, 10 cm; 机器监测跳数每次为100 MU, 分别测量三个读数。

1.2.2 刻度条件

采用源皮距100 cm, 照射野大小为10 cm × 10 cm, 深度为等效水深度10 cm, 100 MU, 使用固体水中测量的剂量对Matrixx进行绝对剂量刻度。

1.2.3 剂量计算方法和深度等效转化方法

根据国标, 水中的剂量可由公式(1)计算, 其中D为剂量, M为剂量仪平均读数, K_{T, P}为温度气压修正因子, F为水中测量时所有剂量修正因子的乘积。

1)

采用水中剂量计算方法, 我们建立固体水中6 MV光子线的剂量近似计算方法。但由于固体水与水的材料不同, 在固体水中测量剂量时, 必须经过等效深度转化。对于6 MV光子线, 康普顿效应为主要形式, 因此, 存在如下公式(2)等效深度转化关系^[4], 其中T表示深度, ρ_模为模体物理密度, Z为材料原子序数, M材料原子量。电子密度即单位体积中的电子数, 由公式(3)可计算得到, 其中n_e为材料电子密度, N_A为阿伏加德罗常数。结合公式(2)和公式(3)。可以得到等效深度与电子密度之间的关系, 如公式(4)所示, ρ_e模为模体相对水的电子密度。

2)

3)

4)

1.2.4 剂量学比较方法

在经过按照公式(4)进行等效深度转化后, 采用公式(1)在相同条件下分别计算固体水中和水中的绝对剂量, 并进行分析比较。用固体水对Matrixx进行绝对剂量刻度后, 并与Matrixx测量的剂量进行比较分析。

2 结果 2.1 固体水中和水中测量的绝对剂量结果比较

对于调强治疗最常用的6 MV光子线, 在标准源皮距条件下, 对于不同射野大小和等效深度, 在水中和固体水中分别测量绝对剂量(经输出量修正后), 其结果如表 1所示。

从表 1中可以看出, 水中和固体水中的测量结果的误差均小于1%, 平均误差为-0.38%。

2.2 Matrixx和固体水中测量绝对剂量的结果比较

现在大多数放疗单位都已购买了固体水, 这极大了方便了物理师的剂量测量工作, 相对于水中测量的复杂, 固体水为调强剂量验证设备快速剂量刻度提供了可能。在采用源皮距100 cm, 照射野大小为10cm × 10 cm, 深度为等效水深度10 cm, 加速器出数100 MU的条件下用固体水对Matrixx进行剂量刻度, 标定之后分别测量不同深度和不同射野大小的绝对剂量。其与固体水中的剂量比较如表 2所示。测量结果的误差均小于1%, 平均误差为0.39%。

3 讨论

目前, 大多数物理师对于利用水来刻度调强计划验证设备的方法已经有很深入的了解和掌握, 各种提高绝对剂量测量精度的研究也有很多, 但毕竟水中测量受多种因素的影响, 如深度的测量有一定的误差并且水中对调强计划验证设备的绝对剂量刻度相对费时, 因此, 使用固体水刻度不失为一种简洁易行的好办法。通过表 1可以看出, 这两种方法的测量结果误差均小于1%, 最小的为-0.11%, 最大的为-0.76%。当然, 如果为了提高固体水中测量的精度, 还可以对数据做进一步处理, 利用水中测量的绝对剂量与固体水中的剂量的比值, 取相应的修正因子做一系列修正, 从而达到固体水中的精确剂量测量。

本文还利用理论公式推导的方法, 尝试建立了模体与水等效深度转化与模体相对水电子密度之间的关系, 这为固体水中测量绝对剂量提供了理论基础和为利用固体水刻度调强剂量验证设备的绝对剂量作了理论铺垫。通过表 1中的剂量比较结果, 也证实了这种方法的可行性。

从固体水中和Matrixx中测量的绝对剂量结果比较中可以看出, 两者的偏差均小于1%, 并且误差在10 cm深处相对最小, 1.5 cm深度处误差最大, 这可能由于绝对剂量刻度是在等效水深10 cm处刻度的。因此, 调强剂量验证设备在多少深度处进行计划验证, 绝对剂量的刻度就需要在相应的深度处完成, 这也是减少验证测量误差来源的一个必要措施。当使用两维探测器阵列进行实际机架角度计划验证时, 对于剂量验证影响因素的分析, 大多数集中到加速器本身, 如比较多叶准直器的到位精度和走位精度, 剂量的同步等因素的分析^[5], 在表 2可以看出, 固体水中测量的结果和在10 cm深度处Matrixx刻度之后测量的绝对剂量之间存在一定的较小的差异, 这种差异虽然一部分包含了测量误差, 但是总的误差不容忽视, 这也会对调强计划的验证造成剂量学的扰动, 但是其作用大小需作进一步研究。

总而言之, 本文尝试建立了模体与水等效深度转化与模体相对水电子密度之间的关系, 方便了模体与水深度的转化。同时也建立并验证了利用固体水对调强计划验证设备的绝对剂量刻度的方法, 为其临床使用和建立更高质量的质量保证工作提供了可行的办法。