射波刀系統(tǒng)射野輸出因子測量及對比*

樸俊杰 徐壽平 段學章 曲寶林 徐慧軍 王 佳 丁俊強 王東方

射波刀系統(tǒng)射野輸出因子測量及對比*

樸俊杰①②徐壽平①*段學章②曲寶林①徐慧軍②王 佳②丁俊強②王東方②

目的：通過實際測量和計算機模擬等方法得到射波刀(CyberKnife)各準直器的輸出因子，對比分析各方法的結果，從而得到準確的輸出因子。方法：采用蒙特卡羅模擬、半導體探測器測量(PTW 60017、PTW 60016)、電離室探測器測量(PTW 31010)和熱釋光探測器測量(?1.5 mm、離散度1%)等方法，在相同的參考條件下，源軸距800 mm以及深度15 mm(SAD=800 mm，Depth=15 mm)，得到相應的輸出因子。結果：在射野較大(≥25 mm)時，各種方法的輸出因子差異不大，但是在射野較小(≤20 mm)時，各方法之間的差異較大，尤其是在最小射野(5 mm)的情況下，熱釋光探測器測量以及蒙特卡羅模擬結果略低于半導體探測器測量，最大誤差分別為13%和7%，而電離室探測器測量誤差高達37%。結論：輸出因子可以通過多種方式獲得，而半導體探測器相對于其他探測器，具有更好的靈敏度和穩(wěn)定性，便于在臨床應用中展開，因此可采用半導體探測器測量和熱釋光探測器測量的方式測量射波刀系統(tǒng)的射野輸出因子。

射波刀；輸出因子；蒙特卡羅；小射野

射波刀(CyberKnife)系統(tǒng)是全新的立體定向放射治療設備，擁有12個孔徑大小不同的圓形準直器，最小孔徑為5 mm，最大孔徑為60 mm[1-2]。由于小射野的大量應用提高了靶區(qū)的適形性，但是也增加了保證劑量準確性的難度[3]。因此，射野輸出因子的準確性對患者的精確治療尤為重要。

輸出因子可以通過多種方式獲得，如通過水箱測量(半導體探測器或電離室探測器)、固體水測量(熱釋光探測器)以及計算機模擬測量(蒙特卡羅模擬)[4]。但是每種方式都有其優(yōu)勢與局限性，因此，如何才能準確有效得到射波刀的輸出因子，尤其是小射野的輸出因子，成為研究的難題。本研究旨在通過多方法研究得到輸出因子，對比其差異性，并分析導致誤差的原因，從而為臨床劑量學測量提供小射野輸出因子測量的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 蒙特卡羅模擬方法

基于BEAM程序建立射波刀的蒙特卡羅模型，并模擬一個均勻的水模體，根據(jù)輸出因子的測量條件，源軸距800 mm以及深度15 mm(SAD=800 mm，Depth=15 mm)，分別讀取水模體中相應位置的讀數(shù)，以60 mm準直器的讀數(shù)為準，從而得到每個準直器的輸出因子(如圖1所示)[5-6]。

圖1 蒙特卡羅模型

1.2 半導體探測器

采用半導體探測器[7](PTW 60017和PTW 60016)測量時，應用三維水箱(PTW-MP3)測量，將半導體探測器垂直放置于照射野的中心，根據(jù)輸出因子測量條件(SAD=800 mm，Depth=15 mm)，調整探測器位置，連接好靜電計(PTW UNIDOS)，分別輸出100 MU共3次，讀取不同尺寸準直器的相應平均讀數(shù)，得到其相應的輸出因子(如圖2所示)。

圖2 半導體探測器測量方法示意圖

1.3 電離室探測器

采用電離室探測器[8](PTW 31010)時，應用水箱測量，將電離室探測器水平放置于照射野的中心，根據(jù)輸出因子測量條件(SAD=800 mm，Depth=15 mm)，調整探測器位置(由于靈敏體積，還要下降0.6 r)，連接好靜電計(PTW UNIDOS)，分別輸出100 MU共3次，讀取不同尺寸準直器的相應平均讀數(shù)，得到其相應的輸出因子(如圖3所示)。

圖3 電離室探測器結構示意圖

1.4 熱釋光探測器

采用熱釋光探測器(?1.5 mm、離散度1%)時，由于不具有防水性，不能直接放置于水中，故應用固體水模體測量[9]。將熱釋光探測器放置于照射野的中心，每次放置3～5片，根據(jù)輸出因子測量條件(SAD=800 mm，Depth=15 mm)，調整探測器位置，分別輸出100 MU，然后通過讀數(shù)計分別讀取每片的數(shù)值，取平均值，得到相應的輸出因子(如圖4所示)。

表1 各準直器輸出因子

圖4 熱釋光探測器測量方法示意圖

2 結果

以60 mm準直器的讀數(shù)為基準，得到其他準直器的輸出因子。以上各方法所得輸出因子見表1，并得到圖5所示輸出因子對比圖。在射野較大(≥25 mm)時幾個方法的輸出因子差異不大；但是在射野較小(≤20 mm)時各方法之間的差異較大，尤其是在最小射野(5 mm)的情況下，熱釋光以及蒙特卡羅模擬結果略低于半導體，最大誤差分別為13%和7%，而電離室與半導體的誤差高達37%。

圖5 各方法測量所得的輸出因子示圖

3 討論

Laura等[10]進行了一個多中心的研究，利用半導體探測器(PTW 600019)和塑料閃爍探測器(W1)分別測得射波刀的12個準直器的輸出因子，并與蒙特卡羅修正的輸出因子進行比對，兩種探測器所得結果與標準的蒙特卡羅修正的結果誤差在1.5%以內；Senerella等[11]利用最新的半導體探測器(PTW 600019)測量射波刀兩套準直器的輸出因子(固定準直器Fixed與可變準直器Iris)，與蒙特卡羅修正的輸出因子比對，固定準直器(Fixed)的誤差在0.6%以內，可變準直器的誤差在1%以內。陳上河等[12]應用BEAM建立射波刀模型，所得輸出因子與實際測量相差在2%以內，但是未模擬出所有準直器大小，尤其是小射野的模型。

蒙特卡羅模擬的優(yōu)點是能夠逼真地描述具有隨機性質的事物的特點及物理實驗過程[13]；缺點是收斂慢，準確性依賴于數(shù)據(jù)量的樣本數(shù)，也就是粒子數(shù)，但是粒子數(shù)的增加又會提高運算時間，誤差具有概率性，且建模階段的準確性要求高，直接影響后續(xù)的準確性。

半導體探測器的優(yōu)點是具有良好的靈敏度，極佳的位置分辨率，很高的能量分辨率，能量線性好，響應時間快，體積小，抗磁場性能好[14]；缺點是對輻射損傷比較敏感，輻射損傷與輻射種類、劑量率、照射時間和條件有關，受強輻射后性能變差。

電離室探測器的優(yōu)點是穩(wěn)定性好，響應時間快[15]；缺點是吸收效率低，且具有一定的靈敏體積，本研究所采用PTW 31010電離室探測器，具有0.125 cc靈敏體積，當射野較小時難以涵蓋全部靈敏體積，故無法達到電子平衡，因此導致其讀數(shù)不準。

熱釋光探測器能量響應好，靈敏度高，但抗干擾能力較差，在測量中容易引入本底及退火情況等干擾，且測量時的擺位等容易產生誤差，熱釋光片直徑?1.5 mm，測量時要放置在射野中心，尤其是小射野時，中心與邊緣的讀數(shù)差距較大[16]。此外，對讀片機的準確性要求很高，當超量程時，可采用濾片。

輸出因子可以通過多種方式獲得，但每種方法都有其優(yōu)勢與局限性，通過以上幾種方法得到的數(shù)據(jù)來看，半導體探測器相對于其他探測器而言，具有更好的靈敏度以及穩(wěn)定性，并且便于實際臨床應用中的展開，因此建議采用以半導體為主、熱釋光等多種測量手段為輔的模式進行臨床比對參考。

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Measurement and comparison of output factors of the radiation field for CyberKnife system/

PIAO Jun-jie, XU Shou-ping, DUAN Xue-zhang, et al//
China Medical Equipment, 2017,14(8):17-20.

Objective: To study the output factors of various collimators of CyberKnife system through actual measurement and computer simulation, and to compare and analyze the results of various method so as to obtain the accurate output factors. Methods: In this study, series of tools and methods including Monte Carlo simulation (BEAMnrc), semiconductors (PTW 60017, PTW 60016), ionization chamber (PTW 31010) and thermoluminescence (?1.5mm, 1% of dispersion) were adopted. Under the same reference conditions, the corresponding output factors of radiation field were obtained when the source axis distance was 800mm and the depth was 15mm (SAD=800 mm, Depth=15 mm). Results: When the range of radiation field was relatively larger (≥25 mm), the difference of output factors among various methods were not obviously, but there were obvious differences among these methods when the range of radiation field was relatively smaller (≤20 mm). Especially under the minimum range of radiation field (5mm), the results of adopting thermoluminescence and Monte Carlo simulation (BEAMnrc) were slightly lower than that of using semiconductors, and in this time, the maximum errors of them were 13% and 7%, respectively. And the error of using ionization chamber has achieved 37%.Conclusion: The output factors could be obtained from various methods, while the semiconductor detector has better sensitivity and stability than other detectors, and it is convenient to be applied in clinical practice. Therefore, the measurement of semiconductor detector and the measurement of thermoluminescent detector should be adopted to measure output factors of radiation field of Cyberknife system.

CyberKnife; Output factor; Monte Carlo; Small radiation fields

Department of Radiotherapy, Chinese PLA General Hospital, Radiotherapy Center of Tumor, 302 Hospital PLA, Beijing 100039, China.

1672-8270(2017)08-0017-04

R812

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.08.005

2017-04-17

國家自然科學基金(11275105)“CyberKnife劑量校準與驗證的系統(tǒng)研究”

①解放軍總醫(yī)院放射治療科 北京 100853

②解放軍第302醫(yī)院腫瘤放射治療中心 北京100039

*通訊作者：shouping_xu@yahoo.com

樸俊杰,男,(1984- ),碩士，工程師。解放軍總醫(yī)院放射治療科，從事腫瘤放射物理及腫瘤精確治療的相關工作。