西門子直線加速器均整和未均整射束的光子束劑量學特性

陳 勇 張旭光 倪 婕 孔 棟 陳宏林 陳 迪 孫 亮

1 (蘇州大學醫(yī)學部放射醫(yī)學與防護學院 蘇州 215123)

2 (徐州市腫瘤醫(yī)院放療科 徐州 221005)

加速器機頭中均整器(Flattening filter, FF)的作用是使劑量在模體的特定深度處(一般 10 cm)有均勻分布，但是，均整器會阻擋大部分光子，使劑量率下降，從而增加放射治療時間[1]。另外，均整器的應(yīng)用還增加了機頭的漏射和散射輻射[2,3]，使治療射野外的劑量增加[4?7]，引起放射治療后副反應(yīng)的發(fā)生。文獻研究表明，移除均整器會對光子束的劑量學特性帶來有益影響，比如增加中心軸的輸出劑量率[4,7?10]，減少射野外的劑量[7,9?11]，減少漏射輻射和全身的劑量受量[4]。研究發(fā)現(xiàn)，在當前的調(diào)強放射治療(Intensity modulated radiation therapy，IMRT)中應(yīng)用移除均整器射束(Flattening filter free，F(xiàn)FF)技術(shù)能有效減少IMRT治療的時間[1]，減少正常組織的劑量[12]，從而降低放療后二次癌癥發(fā)生的概率[6,13]。

實際測量中[4,7,14]，由于設(shè)備儀器的局限性，實際測量的點有限，限制了全面數(shù)據(jù)的獲取。而蒙特卡羅方法可計算出臨床上難以測量的數(shù)據(jù)，先前的研究是建立在直線加速器基礎(chǔ)上[8?11,15,16]，對于國內(nèi)醫(yī)院常用的西門子直線加速器還無相關(guān)文獻報道。

1 材料與方法

1.1 加速器模型建立和參數(shù)設(shè)定

應(yīng)用蒙特卡羅方法BEAMnrc程序[17]模擬加速器機頭有均整器和無均整器兩種情況。記錄各射野離源距離(SSD)100 cm處的粒子信息，然后用DOSXYZnrc程序[18]計算30 cm×30 cm×30 cm 水模中的劑量分布，模擬的主要參數(shù)設(shè)置為：電子最低能量和電子輸運終止能量為0.7 MeV，光子最低能量和光子輸運終止能量0.01 MeV，每次輸運損失的電子能量由PRESTA控制。

模擬的6 MV能量的光子束采用單能入射的電子束產(chǎn)生，但是加速器生產(chǎn)商不能提供具體的電子束能量，并且相同型號的加速器其電子束能量也不盡相同。對于最佳電子束能量的選擇，分別計算了6.0–6.5 MeV入射電子束能量的劑量分布，并與測量的百分深度劑量值(PDD)進行比較，調(diào)整入射電子能量，使兩者差異在 2%以內(nèi)，選擇合適的入射電子能量。

1.2 Monte-Carlo 劑量計算

采用 DOSXYZnrc程序分別計算 30 cm×30 cm×30 cm水模體中5 cm×5 cm、6 cm×6 cm、8 cm×8 cm、10 cm×10 cm、12 cm×12 cm、15 cm×15 cm、18 cm×18 cm、20 cm×20 cm和25 cm×25 cm的劑量分布。計算用的體素大小根據(jù)不同射野選擇，模擬計算的歷程數(shù)為1.0×109，使劑量統(tǒng)計的不確定性控制在0.5%以下(劑量較小處除外)。

1.3 光子束劑量學特性

本工作研究了有均整器和無均整器深度劑量、特定深度的離軸比劑量、總散射因子和中心軸劑量率變化。計算了兩種射束5 cm×5 cm至25 cm×25 cm射野的百分深度劑量值(PDD)，每個射野采用參考深度處的劑量歸一，比較了不同射野下PDD分布特點。計算并比較了兩種射束3、5、10、20 cm深度處半影寬度。傳統(tǒng)的半影寬度定義為中心軸劑量的80%–20%包含的距離。對于FFF射束半影寬度的計算，選取文獻[19]的定義方法，即 80%–20%的Dn包含的距離，即Dn= (Du/Df)DCAX, 式中，Du和Df分別為未均整射束和均整射束半影區(qū)拐點的劑量，DCAX為均整射束中心軸劑量。實驗還比較了6 MV兩種光子射束在水模體中深度為3、5、10 cm處的離軸比劑量分布。

總散射因子(Sc,p)即準直器和模體散射線造成的總散射校正因子，定義為射野在模體中的輸出劑量率與參考射野(10 cm×10 cm)在模體中的輸出劑量率之比。本文研究了總散射因子隨射野大小和深度的變化情況。

最后比較兩種射束的中心軸劑量率，研究中心軸劑量率隨射野大小和深度的變化情況。

2 結(jié)果

2.1 蒙特卡羅模型參數(shù)調(diào)整

圖1為計算和測量的PDD和離軸劑量比較，對于6 MV光子束入射電子束能量選擇6.2 MeV。由圖1(a)，均整6 MV光子束10 cm×10 cm射野計算和測量的PDD，在超過最大劑量深度的區(qū)域，兩者差異<2%；由圖1(b)，均整6 MV光子束10 cm×10 cm射野在參考深度處計算和測量離軸劑量，在±4.5 cm范圍兩者最大相差<3%，在射野外區(qū)域，兩者相差>15%。

圖1 計算和測量的PDD(a)和離軸劑量(b)比較Fig.1 Comparisons of calculated (■) and measured (○) depth dose profiles(a) and lateral profiles(b).

2.2 兩種射束光子能譜比較

圖2表示兩種射束不同射野下的光子能譜比較，由圖可見，各射野中未均整射束的光子注量均比均整射束的大。但是加均準器后，射線束被硬化，10 cm×10 cm射野平均能量從均整的1.64 MeV降至未均整射束的 1.29 MeV。比較兩種射束的能譜差異，發(fā)現(xiàn)隨著射野的增加，兩種射束注量的差異逐漸下降。

2.3 百分深度劑量分布

各射野下兩種射束的歸一化劑量深度分布見圖3。所有射野的未均整射束的PDD值均比均整射束的低，深度超過5 cm區(qū)域差異顯著，且隨深度增加，差異越大。為驗證兩種射束PDD差異隨射野大小的變化，引入?yún)?shù)D10，即深度為10 cm處的百分劑量值(表1)。由表1可見，F(xiàn)F射束和FFF射束的D10值及兩者差異均隨射野增加。

2.4 離軸比劑量分布

圖4為6 MV光子束兩種射束20 cm×20 cm射野的1.5、10、20 cm深度的離軸比劑量分布比較。由圖4(a)，F(xiàn)F射束隨著深度的變化離軸比劑量分布變化顯著。而FFF射束隨著深度的變化離軸比劑量分布變化較小(圖4b)。圖中縱坐標中心軸劑量歸于1.0，橫坐標離軸距離歸于X50，即為中心軸劑量50%的離軸距離。

計算了兩種射束各射野下射野外區(qū)域的劑量及半影寬度，結(jié)果見表2。從表中可見，未均整射束射野外的劑量比均整的射束射野外劑量低，且下降量隨射野大小增加。射野外劑量的快速下降有利于保護正常組織，從而減少放療后二次癌癥的發(fā)生概率。各射野兩種射束的半影寬度，F(xiàn)F比FFF稍大，但差異并不顯著。

圖2 兩種射束各射野下光子束能譜比較Fig.2 Photon energy spectra calculated of four field sizes for FF and FFF beams with (■) and without (●) FF.(a) 5 cm×5 cm, (b) 10 cm×10 cm, (c) 15 cm×15 cm, (d) 20 cm×20 cm.

圖3 6 MV光子束各射野的劑量深度分布Fig.3 Dose depth distributions calculated for FF (■) and FFF (○) of 6 MV photon beams at different field sizes.

表1 各射野下兩種射束的D10比較結(jié)果Table 1 Comparison of D10 between flattened and unflattened beams for each field size.

考慮到離中心軸劑量50%劑量處的距離，計算了兩種射束5 cm深度處的X50%(表2)，F(xiàn)FF射束的X50%值比FF的稍小，兩者相差最大是在20 cm×20 cm射野(為1.3 mm)。說明FFF射束在射野外區(qū)域劑量下降得比FF快，有利于保護射野外的正常組織。

2.5 總散射因子

計算了兩種射束不同射野和深度下的總散射校正因子，比較分析了總散射因子隨射野和深度的變化情況。選取四個射野的FF和FFF射束總散射因子，如圖5所示。圖中實線為FF射束的總散射因子，虛線為FFF射束的總散射因子。由圖5可見，當射野>10 cm×10 cm時，總散射因子隨深度增大；當射野<10 cm×10 cm時，總散射因子隨深度的增加而減小。從圖5還可見，對于同一射野下的FF和FFF射束，每個射野下FFF射束的總散射因子隨深度的變化幅度均比 FF射束的小。這主要是因為總散射因子是由準直器和模體的散射線共同引起的，而移除均整器后，減少了機頭的散射，即準直器的散射線減少，因此總散射因子變化幅度也隨著減小。

圖4 兩種射束各深度離軸比劑量分布比較Fig.4 Comparison of lateral dose profiles for FF and FFF beams at three depths.

表2 兩種射束(FF, FFF)不同射野下射束特征計算結(jié)果比較Table 2 Characteristics of beam profiles calculated of the two beams for different field sizes.

2.6 中心軸劑量率變化

移除均整器可增加劑量率，圖6 (a)為兩種射束各射野10 cm深度處的劑量率比值曲線，可見隨著射野的增加，劑量率比值逐漸下降，這可能是因為隨著射野增大模體散射逐漸增大，而均整器的影響相對減小。圖6(b)表示20 cm×20 cm射野，兩種射束劑量率比值隨深度變化曲線，隨著深度的增加，劑量率比值逐漸下降，這可能是由于移除均整器后光子束軟化，在表淺區(qū)域影響較大。

圖5 總散射因子隨深度的變化情況Fig.5 Variation of total scatter factor with depth for varies field sizes.

3 結(jié)語

利用蒙特卡羅方法模擬計算直線加速器中均整和未均整射束的劑量分布，并比較兩種射束的劑量學特性。研究結(jié)果表明，未均整射束有更好的劑量學特性，減少了機頭散射和漏射輻射，提高了劑量計算的準確性，減少了全身的劑量受量，從而降低放射治療后二次癌癥的發(fā)生概率。研究結(jié)果還表明，減少散射可降低半影寬度、減小射野外區(qū)域劑量和減小散射因子隨深度變化的趨勢。然而，移除均整器后會增加污染電子(contaminant electrons)數(shù)量，從而增加模體表面的劑量，這是未均整射束在實際應(yīng)用時須考慮的問題。

圖6 兩種射束劑量率比值隨射野(a)和深度(b)的變化情況Fig.6 Calculated values of the ratio of FFF to FF with field sizes(a) and depths(b).

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