探討熱釋光在螺旋斷層放射治療系統(tǒng)和直線加速器中劑量標(biāo)定

王為，沈奕晨，蔣馬偉

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院腫瘤科，上海200092

前言

與直線加速器相比，螺旋斷層放射治療系統(tǒng)Tomotherapy（Accuray Inc.,Sunnyvale,Calif.）獨特的光束傳輸技術(shù)需要量身定做的質(zhì)量保證，這一要求同樣適用于外照射劑量比對。絕對劑量測量應(yīng)考慮每個治療系統(tǒng)特性和不同照射技術(shù)［1］。熱釋光劑量計（Thermoluminescent Dosimeter,TLD）是利用熱致發(fā)光原理獲取累積輻射劑量的一種探測器件。當(dāng)TLD受到射線輻照后，能量被儲存，對其加熱，用光電倍增管測量輸出，可讀取對應(yīng)輻射劑量值。與電離室和半導(dǎo)體測量儀相比，TLD體積小，靈敏度高，穩(wěn)定性好，能量響應(yīng)好，可重復(fù)使用［2］，但其均勻性欠佳，能響范圍和探測靈敏度依賴于構(gòu)成熱釋光的磷光體材質(zhì)不同原子序數(shù)，讀數(shù)依賴于讀出器的精度。當(dāng)不同材質(zhì)的TLD應(yīng)用于臨床腫瘤放射治療的劑量測定和質(zhì)量保證，需要進(jìn)行相關(guān)性能測試和篩選［3］。TLD測量是一種相對測量方式，在使用前必須進(jìn)行劑量標(biāo)定刻度?？潭燃丛跇?biāo)準(zhǔn)條件下，定量確定劑量儀讀數(shù)和被測量值關(guān)系。本實驗?zāi)康臑樵谂R床常規(guī)分割劑量范圍內(nèi)，篩選出符合要求的高精度高穩(wěn)定性氟化鋰（Lithium Fluoride,LiF）熱釋光片，探討熱釋光劑量測量系統(tǒng)在螺旋斷層放射治療系統(tǒng)和直線加速器下不同刻度方法和應(yīng)用可行性，為臨床劑量學(xué)驗證和實測提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料和設(shè)備

本實驗采用氟化鋰（LiF）材料的TLD，型號為GR-200A，其直徑、厚度分別為4.5、0.8 mm，精度為±0.01%，密度為2.5 g/cm3。熱釋光劑量測量系統(tǒng)由TLD、熱釋光讀數(shù)儀（RAYDOSE,SL08型）、計算機(jī)與數(shù)據(jù)處理軟件、退火設(shè)備等組成。實驗設(shè)備為0.6 cc的FARMER指形電離室（劑量儀FARMER 2570），0.056 cc的A1SL指形電離室（Standing Imaging,USA），醫(yī)科達(dá)直線加速器（Synergy 1629,Elekta,Stockholm,Sweden），簡稱LINAC，以及螺旋斷層與徑照放射治療系統(tǒng)TomoHD，簡稱TOMO。

1.2 TLD原理

構(gòu)成TLD的磷光體（晶體材料）在制備工程中會加進(jìn)某些雜質(zhì)，這些雜質(zhì)經(jīng)加熱或輻射會引起位錯產(chǎn)生陷阱。晶體的陷阱，可以保持電子或空穴，防止其重新結(jié)合。在輻射電離作用（射線照射）下，一些電子被陷阱所俘獲。亞穩(wěn)態(tài)能量狀態(tài)在晶體能帶結(jié)構(gòu)中以電子-空穴對形式激發(fā)能量。如果將這些晶體加熱，被俘獲的電子獲得足夠的能量從陷阱中逃逸出來與空穴結(jié)合，原本存儲在空穴中的射線能量以光輻射的形式釋放出來，即熱釋光現(xiàn)象。在光電倍增管條件下，能量轉(zhuǎn)換為電荷量，得到熱釋光接受輻射劑量與光強(qiáng)度的比例關(guān)系［4-5］。

1.3 分散性和重復(fù)性實驗篩選熱釋光片

進(jìn)行相關(guān)性能測試，篩選合適的熱釋光片，保證臨床使用及刻度結(jié)果的準(zhǔn)確和穩(wěn)定性。TLD經(jīng)過240℃高溫加熱后，冷卻。在熱釋光片上覆蓋5 mm水等效建成厚度材料。用直線加速器6 MV射線，源軸距（Source to Axis Distance,SAD）=100 cm，射野為10 cm×10 cm，等中心處吸收劑量為100 cGy，均勻照射。先用指型電離室測量射野范圍內(nèi)的均勻性，要求中心軸測量值與X軸和Y軸測量值比較，相對偏差小于±1%。在相同退火、照射和測量條件下，篩選出分散性控制在±3%內(nèi)的熱釋光片。重復(fù)5次實驗，再篩選出重復(fù)性在整個組平均響應(yīng)為±3%內(nèi)的熱釋光片，用于標(biāo)定和常規(guī)劑量傳送［2］。

1.4 LINAC和TOMO中心劑量測量校準(zhǔn)

1.4.1 LINAC確定所有參數(shù)后，進(jìn)行溫度氣壓修正，對LINAC的輸出劑量進(jìn)行標(biāo)定，在射線束的最大劑量深度位置處1 MU=1 cGy，在SAD=100 cm，等效固體水模體下5 cm處，射野大小為10 cm×10 cm，射束中心軸上5 cm處的百分深度劑量比（Percentage Depth Dose,PDD）=86.6%，使用FARMER電離室，出束跳數(shù)為200 MU，記錄當(dāng)日實測值。

1.4.2 TOMO設(shè)定射線束角度為0°，劑量率約為854 cGy/min,SAD=85 cm，射野大小為5 cm×40 cm，等效固體水模體1.5 cm深度處，使用A1SL電離室，出束時間70 s，記錄當(dāng)日實測值。

1.5 標(biāo)定（刻度）條件

分別采用6 MV LINAC和6 MV TOMO射線源，使用篩選后的熱釋光片和經(jīng)權(quán)威計量部門檢定的放療劑量儀（電離室），在相應(yīng)測量條件下進(jìn)行測量，將TLD發(fā)光讀數(shù)與電離室所測值對應(yīng)記錄［6］。

（1）LINAC劑量標(biāo)定：6 MVX射線束，SAD=100 cm，照射野為10 cm×10 cm。電離室為FARMER 2570，在等效固體水模體5 cm深度處，出束跳數(shù)分別為30、50、100、150、200、300 MU下，在有效點測量并記錄。（2）TOMO劑量標(biāo)定：6 MV X射線束，SAD=85 cm，照射野5 cm×25 cm。電離室為A1SL，在等效固體水模體8cm深度處［6］，出束時間分別為3、5、10、15、20、30、40s條件下，在有效點測量并記錄。（3）熱釋光測量：采用替代測量法，將篩選后的熱釋光片分別放置在（1）、（2）中的電離室處，照射條件與（1）、（2）完全相同，標(biāo)記不同出束跳數(shù)或出束時間下的熱釋光片。

1.6 熱釋光測量和退火步驟

（1）測量加熱程序：二階段程序升溫，第一階段為135℃預(yù)熱8 s，第二階段為恒溫溫度240°C加熱20 s，升溫速率為 15 ℃/s。（2）高溫退火程序：在240 ℃恒溫條件下，退火10 min［7］，并使用熱爐逐漸冷卻5 min。TLD輻照24 h后，讀取響應(yīng)。

1.7 劑量刻度曲線擬合和刻度因子N計算

采用IAEA TRS 277基于電離室空氣比釋動能的校準(zhǔn)方法［8-9］，使用電離室進(jìn)行輸出劑量測量，并計算TLD受照位置處（同一有效測量點）相應(yīng)電離室在水中參考深度處的吸收劑量。將TLD發(fā)光讀數(shù)與電離室所測吸收劑量比對刻度［10］。

1.7.1 劑量刻度曲線擬合本實驗TLD標(biāo)定采用刻度曲線法（最小二乘法）［11］，利用最小化誤差的平方，尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，即按各點到曲線的距離之和最短的計算方法,進(jìn)行二項式方程擬合曲線。在LINAC和TOMO的標(biāo)定條件下，各選取幾組不同的照射劑量，TLD讀數(shù)值和受照吸收劑量值按式（1）和式（2）進(jìn)行擬合，分別繪出熱釋光劑量刻度擬合曲線。已知數(shù)據(jù)點(xi,yi),i=1,2,…,n，其中，yi為TLD讀出器計數(shù)值，xi為受照處（電離室）的吸收劑量（cGy），n為照射劑量點的組數(shù)。本實驗LINAC組中n=6；TOMO組中n=7。

其中，a0、a1、a2分別表示常數(shù)項、一次項系數(shù)和二次項系數(shù)。

若進(jìn)行線性擬合，計算公式按最小二乘法原理得出：

其中，k為標(biāo)準(zhǔn)劑量曲線斜率，b為標(biāo)準(zhǔn)劑量曲線截距，k和b按式（3）和式（4）進(jìn)行計算得到：

1.7.2 刻度因子N計算刻度因子N是劑量計需要定度的約定真值H除以讀數(shù)儀的讀數(shù)M所得的商［8-9］，即：

在標(biāo)準(zhǔn)實驗條件下，照射不等的約定真值Hi（參考點吸收劑量,cGy）除以經(jīng)測量得到的TLD讀數(shù)平均值Mi，得到熱釋光測量系統(tǒng)水中吸收劑量刻度因子Nw。

1.8 回歸驗證

在常規(guī)周檢條件下，LINAC照射野為10 cm×10 cm，等效固體水模體5 cm深度處，出束跳數(shù)分別為100、200、300 MU；TOMO照射野為5 cm×25 cm，等效固體水模體1.5 cm深度處，出束時間分別為10、20、30 s。兩組各使用電離室和TLD進(jìn)行3次實測，由TLD讀數(shù)通過兩種擬合方法計算并比對受照劑量，對刻度因子Nw行回歸驗證［12-13］。

1.9 統(tǒng)計學(xué)分析

使用SPSS 17.0軟件對同樣能量條件下，LINAC和TOMO的TLD劑量刻度進(jìn)行配對樣本t檢驗。P＜0.05為樣本差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 TLD分散性和重復(fù)性實驗結(jié)果

在LINAC的6 MV X射線能量條件下，每6～8個TLD片1組，均勻平鋪放在射野中心范圍內(nèi)，并覆蓋5 mm水等效建成厚度材料。分批照射，每次出束100 MU，篩選出符合臨床要求，分散性和重復(fù)性≤±3%的熱釋光片，用于后續(xù)標(biāo)定和常規(guī)劑量傳送。在cGy劑量級，同批次TLD各重復(fù)測量5次，得到此批次TLD的總重復(fù)性讀出變化值為（1.48±0.47）%，表1為部分TLD的分散性和重復(fù)性讀數(shù)結(jié)果。

2.2 LINAC和TOMO中心吸收劑量電離室測量校準(zhǔn)結(jié)果

根據(jù)IAEATRS 277報告推薦方法，用電離室進(jìn)行輸出劑量測量，計算水中參考深度處的吸收劑量?？潭犬?dāng)日LINAC等中心處計算的吸收劑量為200.5 cGy，與真值200.0 cGy偏差+0.25%；TOMO等中心處計算的吸收劑量為822.4 cGy，與真值827.0 cGy偏差-0.56%。

2.3 LINAC和TOMO TLD測量和擬合結(jié)果

在LINAC和TOMO組中，每個測量點各測量3次，TLD讀出器的平均計數(shù)值如表2所示，其中（計數(shù)）為扣除本底值。LINAC組的標(biāo)定劑量范圍為30.0～299.6 cGy，TOMO 組的標(biāo)定劑量范圍為28.0～374.1 cGy。TLD計數(shù)與對應(yīng)吸收劑量x比較，在LINAC組中，t=-3.261，P=0.022；在TOMO組中，t=-3.757，P=0.009。可見，LINAC組和TOMO組TLD平均計數(shù)值和吸收劑量都具有顯著相關(guān)性；按歸一后劑量對應(yīng)的LINAC組和TOMO組TLD讀數(shù)值行配對t檢驗，配對樣本t=0.216，P=0.837，兩配對樣本不存在顯著差異，即在同等能量下的LINAC和TOMO，TLD讀數(shù)均數(shù)差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義。

根據(jù)最小二乘法二項式擬合實測數(shù)據(jù)（圖1），得出LINAC組中TLD發(fā)光讀數(shù)y與照射劑量x關(guān)系式：y=94.754x＋0.001x2，R2=0.997 1；TOMO組：y=93.835x＋0.000 3x2，R2=0.998 2。得出LINAC和TOMO組中，刻度因子Nw1分別為0.010 55和0.010 66，均值差異1.03%。

表1 部分熱釋光劑量計分散性和重復(fù)性讀數(shù)Tab.1 Dispersibility and repeatability of partial readings of thermoluminescent dosimeters(TLD)

表2 LINAC和TOMO測量條件下，吸收劑量x和熱釋光讀出器平均計數(shù)Tab.2 Absorbed dose x and average TLD reading for LINAC and TOMO

表2 LINAC和TOMO測量條件下，吸收劑量x和熱釋光讀出器平均計數(shù)Tab.2 Absorbed dose x and average TLD reading for LINAC and TOMO

標(biāo)定設(shè)備LINAC TOMO出束跳數(shù)/出束時間30 MU 50 MU 100 MU 150 MU 200 MU 300 MU 3 s 5 s 10 s 15 s 20 s 30 s 40 s x/cGy 30.0 50.0 99.9 149.8 199.7 299.6 28.0 46.8 93.7 140.4 187.4 281.3 374.1 yˉ/100 22.60 41.32 99.52 147.63 185.45 285.49 22.94 46.80 92.23 124.69 182.51 259.65 353.49標(biāo)準(zhǔn)差/100 1.53 1.04 0.53 1.13 0.99 10.44 1.54 1.66 1.29 3.66 3.52 11.26 13.84

根據(jù)刻度線性擬合（圖2），LINAC組和TOMO組TLD讀數(shù)M和吸收劑量H關(guān)系式分別為：M=94.982H，R2=0.997 1；M=93.936H，R2=0.998 2，得平均刻度因子Nw2分別為0.010 53和0.010 65，均值差異1.13%。

2.4 刻度因子回歸驗證結(jié)果

實驗結(jié)果表明，采用最小二乘法的二項式擬合和線性擬合法計算出的刻度因子均能較好回歸到真實照射計量值，誤差均在3%以內(nèi)，符合測量精度要求。相較而言，取測量點平均值再線性擬合計算得出的刻度因子回歸的結(jié)果（誤差為-0.66%～-2.25%）比二項式擬合出的計算公式回歸結(jié)果（誤差為-0.75%～-2.35%）誤差略小。在實際測量范圍中，LiF材質(zhì)的TLD劑量刻度因子接近線性擬合結(jié)果，可用作臨床實際應(yīng)用。

3 討論

熱釋光測量是一種相對測量方法，將TLD劑量計測量讀數(shù)轉(zhuǎn)換為劑量值，需要采用標(biāo)準(zhǔn)源對劑量計進(jìn)行刻度。不同批次的熱釋光劑量原件對輻射的敏感度不同，每批次原件在使用前也都需要進(jìn)行刻度，用于劑量刻度和后續(xù)臨床監(jiān)測用的TLD劑量計為同批型號規(guī)格［14］。本實驗在同等能量6 MV下的LINAC和TOMO中分別標(biāo)定TLD，線性擬合后的刻度系數(shù)差異約1.13%。不同照射系統(tǒng)的射線質(zhì)差異、標(biāo)定條件、電離室靈敏體積差異、TLD特性、TLD讀數(shù)儀偏差和刻度擬合方式都會造成標(biāo)定結(jié)果的誤差［15］。

圖1 TLD計數(shù)值與照射劑量二次函數(shù)擬合曲線圖比較Fig.1 Dose-response fitting curves based on the quadratic function of irradiation dose and TLD reading

在TOMO系統(tǒng)中標(biāo)定TLD，取最大射野寬5 cm，射野寬度大于在等效水介質(zhì)中的兩倍側(cè)向散射距離，可實現(xiàn)側(cè)向電子平衡。受體積平均效應(yīng)的影響，一般靈敏體積較大的電離室測量誤差較大，但在劑量分布均勻區(qū)域（標(biāo)定射野下），TOMO組使用的0.056 cc電離室與LINAC組使用的0.6 cc電離室受影響較小。

理論上，標(biāo)定時電離室和TLD吸收劑量的測量點應(yīng)嚴(yán)格一致。但電離室的靈敏體積不同會造成有效測量點的不確定［16-17］，同時實際測量中TLD芯片的放置差異和固定不充分也會導(dǎo)致誤差。TLD臨床應(yīng)用中以體表劑量實測和依據(jù)表面出射入射劑量推算體中劑量居多［18］，覆蓋5 mm水等效建成厚度材料進(jìn)行重復(fù)性實驗，此等效厚度可能導(dǎo)致TLD的有效測量點位于建成區(qū)內(nèi)，劑量梯度較大，會造成測量誤差。

TLD存在材料劑量特性，低原子序數(shù)磷光體組織如LiF的有效原子序數(shù)與人體組織和空氣近似等效，組織等效性較電離室或膠片好，所測輻射劑量基本真實反映人體吸收的劑量。實際測量過程中，測量準(zhǔn)確度受到較多因素的影響。除了TLD測定或評估中的誤差，探測器的測量參數(shù)設(shè)置，如TLD讀數(shù)儀的初始溫度、加熱速率、最高溫度設(shè)置和讀取前的預(yù)熱時間都會影響讀數(shù)，所以需要對TLD讀數(shù)儀和校準(zhǔn)程序進(jìn)行定期質(zhì)量控制。

本實驗中，采用最小二乘法的二項式擬合和線性擬合法計算出的刻度因子均能較好回歸到真實照射計量值，線性擬合計算得出的刻度因子比二項式擬合出的回歸結(jié)果誤差略小，誤差均在3%以內(nèi)，符合測量精度要求。在臨床常規(guī)分割劑量范圍內(nèi)，無論是在LINAC還是TOMO下的6 MV光子束，TLD校準(zhǔn)曲線都接近線性，且同等能量下的不同照射系統(tǒng)刻度因子無明顯差異。

4 結(jié)論

TLD能長時間積累劑量，性能較穩(wěn)定，具有重復(fù)性好、分散性小、穩(wěn)定性高、線性相關(guān)性強(qiáng)等基本特性，信號衰弱現(xiàn)象遠(yuǎn)不如膠片那樣明顯。在臨床常規(guī)分割劑量范圍內(nèi)，LiF材質(zhì)的TLD劑量刻度因子對于6 MV光子束接近線性擬合結(jié)果，精度符合國際推薦標(biāo)準(zhǔn)，可應(yīng)用于LINAC和TOMO臨床劑量測定。