中国辐射卫生  2018, Vol. 27 Issue (3): 224-227  DOI: 10.13491/j.issn.1004-714x.2018.03.009

引用本文 

袁继龙, 程金生. EBT3胶片和辐射荧光屏测量质子重离子放疗设备照射野剂量分布的对比研究[J]. 中国辐射卫生, 2018, 27(3): 224-227. DOI: 10.13491/j.issn.1004-714x.2018.03.009.
YUAN Jilong, CHENG Jinsheng. Comparative study on proton and heavy lon accelerator's dose distribution of radiation field measured with EBT3 film and radiation optical dosimetry system[J]. Chinese Journal of Radiological Health, 2018, 27(3): 224-227. DOI: 10.13491/j.issn.1004-714x.2018.03.009.

基金项目

国际原子能机构2014-2015国际合作项目（CPR6006）

通讯作者

程金生(1964-), 男, 河南许昌人, 博士, 研究员, 从事辐射剂量学研究。E-mail:chengjs3393@163.com

文章历史

收稿日期：2018-03-19
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EBT3胶片和辐射荧光屏测量质子重离子放疗设备照射野剂量分布的对比研究
袁继龙 , 程金生     
中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所 辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室, 北京 100088
收稿日期：2018-03-19
基金项目：国际原子能机构2014-2015国际合作项目（CPR6006）
作者简介：袁继龙(1982-), 男, 山西平定县人, 硕士, 助理研究员, 研究方向:放射治疗设备质控, E-mail:13264193065@163.com.
通讯作者：程金生(1964-), 男, 河南许昌人, 博士, 研究员, 从事辐射剂量学研究。E-mail:chengjs3393@163.com.
摘要：目的 对比离线分析的EBT3胶片和在线实时分析的辐射荧光屏对医用质子重离子加速器照射野剂量分布的质控测量差异，选择更适合的设备质控测量的探测器系统。方法 针对主动式点扫描医用质子重离子加速器，在布喇格峰展宽为3 cm，射程分别为7、16、29 cm条件下，通过放疗计划系统规划100 mm×100 mm的质子和碳离子照射野，分别利用EBT3胶片和辐射荧光屏探测器测量各种条件下的照射野大小，EBT3胶片图像获取在照射24小时后通过平板扫描仪获取，辐射荧光屏图像在束流照射过程中由相机实时拍照获取，通过照射野剂量分布曲线的半高宽进行对比分析。结果 三种质子和碳离子射程条件下，通过对比分析，不论物理意义方面还是统计学方面，两种探测器测量质子重离子照射野剂量分布，结果一致性好，精度相当，辐射荧光屏探测器在结果处理时间上更有效率。结论 两种探测器都满足质子重离子照射野剂量学参数测量要求，在照射野剂量分布的指标测量方面，能够在线实时测量分析的辐射荧光屏探测器比EBT3胶片更符合放疗质控发展要求。
关键词：质子重离子加速器    照射野    辐射荧光屏    
Comparative study on proton and heavy lon accelerator's dose distribution of radiation field measured with EBT3 film and radiation optical dosimetry system
YUAN Jilong , CHENG Jinsheng     
Key Laboratory, Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety, Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 100088 China
Abstract: Objective Comparative analysis of the quality control measurements of the offline EBT3 film analysis and the online real-time analysis radiation optical dosimetry system in proton and heavy ion accelerator's radiation field dose distribution. Methods For active spot scan protons and carbon ions, the spread-out Bragg peak (SOBP) is 3 cm, and the range is 7 cm, 16 cm, 29 cm, respectively, radiotherapy planning system plans 100 mm×100 mm radiation fields, Using EBT3 film and radiation optical dosimetry to measure the dose distribution of the radiation field under various conditions, the EBT3 are scanned after 24 hours' irradiation and the optical system's image are acquired by real time shooting. The comparative dosimetry index is the Full width at half maximum (FWHM). Results Through comparative analysis, regardless of physical significance or statistical analysis, both detectors could measure the dose distribution of proton and heavy ion radiation field, and the results have good consistency and accuracy. Conclusion Both detectors meet the measurement requirements for proton and heavy ion radiation field's dosimetry parameters, Radiation optical dosimetry is capable of on-line dose distribution of radiation field measurement in real time, and more suitable for the development of the quality control of radiation therapy.
Key words: Proton and Heavy Ion Accelerator    Radiation Field    Radiation Optical Dosimetry System    

随着放疗技术和临床治疗的发展，对放疗设备输出剂量学参数规范质控中，照射野剂量分布一致性为一项重要质控指标，相对常规外照射放疗设备，质子重离子放疗设备的照射野形成方式多样，主要分被动散射式和主动点扫描式两大类，而且相比常规的X射线与物质的相互作用，质子和重离子与物质的相互作用也不一样，因此，质子重离子放疗中照射野剂量分布一致性需要特别关注[1]。考虑探测器的空间分辨率特点，传统使用辐射胶片，尤其是利用最新的EBT系列胶片分析照射野剂量分布的报道很多[2-5], 但无法进行实时分析结果。应用于放射诊断, 放疗定位的辐射荧光屏有在线实时分析结果的特点，利用其进行照射野剂量分布测量在国际上已有报道[6]，本文用EBT3胶片和辐射荧光屏测量医用质子重离子加速器照射野剂量分布，进行对比分析研究，结果可供医用质子重离子加速器质控参考。

1 材料与方法 1.1 测量设备

美国ASHLAND公司生产的GAFCHROMIC EBT3胶片，尺寸：20.32 cm×25.4 cm，德国PTW公司生产的30 cm×30 cm，厚度分别为5 mm，1 cm的RW3固体水模体，PTW胶片支架，日本EPSON公司生产的EPSON 10000XL A3平板扫描仪，实验室研制的基于医用硫氧化钆(GOS)闪烁体(闪烁体厚度约为200 μm)，使用照相机实时拍照，计算机远端控制并分析图像获取数据的辐射荧光屏探测系统[7]，测量原理不同于辐射胶片受辐射后灵敏层的高分子化学结构改变致使材料颜色改变同时光通透性也随之改变，辐射荧光屏探测器基于闪烁体探测原理，参杂铽的GOS闪烁体接受辐射后发出绿色荧光，光强和辐射强度呈一定比例关系，通过拍摄绿色荧光便可分析照射野的剂量学特性，探测系统示意图见图 1。

图 1 辐射荧光屏探测系统示意图
1.2 质子重离子加速器

某医院的西门子IONTRIS医用质子重离子放疗设备，采用主动点扫描式束流输出，质子能量从48~221 MeV/u共分290档, 碳离子能量从86~430 MeV/u共分291档，射程都相当于水下2~32 cm的范围。

1.3 测量方法及数据处理

分别针对质子和碳离子，利用西门子配套Syngo放疗计划系统制定在设备照射等中心处，利用主动点扫描方式形成100 mm×100 mm照射野，布喇格峰展宽3 cm，射程分别为7 cm，16 cm，29 cm三个照射条件，在相同照射条件下，两种探测器的剂量刻度，照射野剂量分布测量方法及数据处理均参考文献[8]提供的方法，两种探测器获取的图像全部基于美国NIH的ImageJ V1.49软件处理。两种探测器的测量结果对比方面，不但在物理意义上进行对比，而且使用IBM SPSS Statistics version 22软件针对EBT3胶片和辐射荧光屏分别测得的剂量分布FWHM值，采用配对样本T检验的方法对测量结果进行统计显著性分析，原假设为EBT3胶片测量结果和辐射荧光屏测量结果一样。

2 结果

辐射荧光屏探测器直接测得同一射程条件下的照射野图像见图 2。从图像可直观看出，质子照射野边缘要比碳离子照射野边缘模糊，质子的侧向散射多于碳离子，临床利用质子或碳离子时，需要关注侧向散射的特点。

图 2 辐射荧光屏照射野图像 注：左图为10cm×10cm照射野的质子图像; 右图为10cm×10cm照射野的碳离子图像。

同条件下，EBT3胶片和辐射荧光屏测量照射野剂量分布见图 3所示。

图 3 同条件下两种探测器所测照射野剂量分布对比图

两种探测器的质子，重离子不同条件下的照射野剂量分布大小，用半高宽(FWHM)表示，相关结果见表 1，结果表明两种探测器测量结果一致。

表 1 两种探测器的质子重离子照射野测量结果

利用SPSS配对t检验结果，t(双尾临界)=2.57，显著性指标P=0.255，在α=0.05水平上不能拒绝原假设，所以从统计角度分析，不能认为两种探测器测量结果不同，即两种探测器测量结果一致。

3 讨论

从结果部分可以看到，两种探测器测量结果一致，精度相当，这个对比结果和文献[9]在质子治疗设备上对比EBT3胶片和影像平板探测器(功能类似辐射荧光屏探测器)的结论一致，本研究首次在国内开展此项对比工作，而且增加了碳离子束流下的对比结果。

空间分辨率方面，EBT3胶片在扫描时可以选择分辨率，至少可以选择75 dpi，即亚毫米级别，辐射荧光屏一般利用光线条纹分辨进行空间分辨率测试，同样为亚毫米量级，相对临床放疗质控γ分析一般采用3 mm空间分辨率进行评价剂量分布的要求，两种探测器的空间分辨率都完全满足要求。

根据参考文献[8]的探测器刻度及测量方法，两种探测器的剂量学特性满足其他剂量指标的测量，尤其点扫描束斑大小，扫描定位准确性及剂量横向和纵向分布方面，辐射荧光屏探测器比其他同样实时获取剂量分布的基于电离室，半导体的二维矩阵探测器的空间分辨率更高，在获取更多的实际剂量分布信息方面具有很大优势[10-11]。

EBT3免冲洗胶片能响好，测量照射野一致性方面，使用方便，但必须离线分析结果，考虑照射完时，胶片信号衰减程度大，一般建议24 h后扫描图像并分析数据，这个特点不利于临床日常质控，及时发现纠正问题，而辐射荧光屏可以配合照相机和计算机组成探测系统，进行实时获取图像并在线分析数据，发现照射野剂量分布问题可以及时解决，相比辐射胶片的体积，辐射荧光屏探测系统体积和重量都大，携带便利性差，但在两种探测器测量精度相当的基础上，临床质控时，能够实时在线分析数据的辐射荧光屏探测器具有优势和发展前景。

通过医用质子重离子加速器照射野剂量分布的对比分析，EBT3胶片和辐射荧光屏两种探测器均能满足质控检测要求，从国内日常临床治疗现状，探测器物理空间分辨率，使用便利性，经济节约等方面考虑，可以参考本研究对比分析情况进行选择合适探测器，进行医用质子重离子加速器照射野剂量分布测量。对比EBT3胶片在放疗质控中的使用，辐射荧光屏探测系统在相关质控检测中的应用需要进一步对比研究[12]。

志谢: 感谢时任上海市质子重离子医院首席物理师许纹健(Wen Chien Hsi)博士及其团队在此次研究中给予的帮助，特别提供了研制中的辐射荧光屏探测系统。

参考文献
[1]
Giordanengo S, Garella M A, Marchetto F, et al. The CNAO dose delivery system for modulated scanning ion beam radiotherapy[J]. Medical Physics, 2015, 42(1): 263-275.
[2]
俞顺飞, 程金生, 李开宝, 等. 胶片剂量计[J]. 中国辐射卫生, 2008(2): 244-245. DOI:10.3969/j.issn.1004-714X.2008.02.068
[3]
卢峰, 宋钢, 李全太, 等. 27台医用电子加速器辐射野半影的胶片法检测结果与分析[J]. 中国辐射卫生, 2014(2): 97-99.
[4]
Sorriaux J, Kacperek A, Rossomme S, et al. Evaluation of Gafchromic EBT3 films characteristics in therapy photon, electron and proton beams[J]. Phys Med., 2013, 29(6): 599-606. DOI:10.1016/j.ejmp.2012.10.001
[5]
Krzempek D, Mianowska G, Bassler N, et al. Calibration of Gafchromic EBT3 film for dosimetry of scanning proton pencil beam (PBS)[J]. Radiation Protection Dosimetry, 2018, 1: 1-5.
[6]
Russo S, Mirandola A, Molinelli S, et al. Characterization of a commercial scintillation detector for 2-D dosimetry in scanned proton and carbon ion beams[J]. Physica Medica, 2017, 34: 48-54. DOI:10.1016/j.ejmp.2017.01.011
[7]
杨锋, 张湘, Wen Chien Hsi, 等.扫描式质子束成像仪研制及其光学特性研究[C]//中国医学装备协会学术年会. 2016.
[8]
袁继龙, 李明生, 程金生. 利用EBT3胶片测量主动式点扫描质子重离子放疗设备照射野一致性研究[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2016, 36(8): 626-629. DOI:10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2016.08.014
[9]
Mori Y, Isobe T, Yamaguchi Y, et al. Development of simple high-precision two-dimensional dose-distribution measurement method for proton beam therapy using imaging plate and EBT3[J]. Australasian Physical & Engineering Sciences in Medicine, 2016, 39(3): 1-10.
[10]
宋文杰, 王桂玲, 马惠芳, 等. 200kV重离子加速器加速氩时辐射场测量与安全评价[J]. 中国辐射卫生, 2001(2): 75-76. DOI:10.3969/j.issn.1004-714X.2001.02.007
[11]
Nichiporov D, Hsi W, Farr J. Beam characteristics in two different proton uniform scanning systems:a side-by-side comparison[J]. Medical Physics, 2012, 39(5): 2559-2568. DOI:10.1118/1.3701774
[12]
Fonseca G P, Podesta M, Bellezzo M, et al. Online pretreatment verification of high-dose rate brachytherapy using an imaging panel[J]. Physics in Medicine & Biology, 2017, 62(13): 5440-5461.