高能X射線下水等效材料對(duì)水的等效性研究

王志鵬， 邢書明， 王 坤， 金孫均， 范富有， 劉福斌

(1.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044；2.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

由于水吸收劑量是醫(yī)用直線加速器校準(zhǔn)的溯源物理量，因此水吸收劑量測(cè)量成為日常校準(zhǔn)加速器和放射治療質(zhì)量保證的重要環(huán)節(jié)。用水體模測(cè)水吸收劑量時(shí)，由于水是液態(tài)，擺位等往往非常耗時(shí)，對(duì)于醫(yī)院很不經(jīng)濟(jì)。因此商用的水等效材料(又常被稱為固體水或固體模體，solid phantom)更適合醫(yī)院進(jìn)行水吸收劑量的測(cè)量，以代替水體模進(jìn)行測(cè)量。而在實(shí)踐中這些水等效材料在水吸收劑量測(cè)量的使用中仍需十分慎重，由于密度、材質(zhì)與水體模的差異,在日常校準(zhǔn)加速器中水等效材料仍然不能完全取代水體模。

從上個(gè)世紀(jì)90年代就開展了水等效材料方面的實(shí)驗(yàn)，1995年Tello等[1]詳細(xì)介紹了5種水等效材料的輸出校準(zhǔn)，1999年Allahverdi等對(duì)環(huán)氧樹脂材料在高能射線下的相對(duì)劑量和絕對(duì)劑量測(cè)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)[2]。2003年LIU等[3]介紹了水等效材料的輸出校準(zhǔn)情況；2005年和2006年Seuntjens，McEwen等[4，5]提供了水等效材料在加速器輸出劑量測(cè)量中需要考慮的修正；2010年Hill等[6]在低能X射線下對(duì)水等效材料進(jìn)行了評(píng)價(jià)；2015年Schoenfeld等[7]通過蒙卡模擬的方法對(duì)192Ir近距離治療下水等效材料的使用進(jìn)行了介紹。隨著我國每百萬人口的加速器裝機(jī)量的不斷提高，王建華，傅益謀等[8，9]進(jìn)行了固體水等效性的研究，以及固體水在日常校準(zhǔn)中的注意事項(xiàng)。文獻(xiàn)[10]對(duì)醫(yī)用加速器高能光子束水吸收劑量進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)其不確定度進(jìn)行了分析。

商用的水等效材料由于其形狀和尺寸易于控制，廣泛應(yīng)用于二維或三維劑量驗(yàn)證中。本文通過水等效材料輸出校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，給出水等效材料在相對(duì)劑量測(cè)量中的使用建議，并提供水等效材料在絕對(duì)劑量測(cè)量中簡(jiǎn)單又必要的修正，以提高醫(yī)用加速器水吸收劑量測(cè)量的準(zhǔn)確性和醫(yī)院測(cè)量該值的高效性。

2 材料與方法

2.1 使用的設(shè)備

實(shí)驗(yàn)使用的加速器型號(hào)為Elekta Synergy，能量檔位6 MV和10 MV的X射線。水等效材料分別來自Standard Imaging的BLUE WATER、CIRS的Plastic Water 和IBA的RW3，顏色分別為藍(lán)色、米白色和白色,詳細(xì)規(guī)格如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)中使用的水等效材料和水Tab.1 Water equivalent material and water used in the experiment

實(shí)驗(yàn)中使用的水為Milli-Q Advantage A10純水系統(tǒng)自制超純水；水體模為自主研發(fā)三維水體模，該三維水體模主要配合水平射束使用，入射前窗開有15 cm×15 cm(厚度為0.3 cm)的薄窗。實(shí)驗(yàn)采用兩款Farmer型的探測(cè)器分別為PTW公司的30013和IBA的FC65-G，采用KEITHLEY 6517B高阻靜電計(jì)收集并讀取探測(cè)器信號(hào)。采用XMM1406測(cè)量溫度、氣壓和濕度進(jìn)行空氣密度修正。由于實(shí)驗(yàn)需要持續(xù)半月左右，為了確保加速器束流條件的一致性，在加速器機(jī)頭安裝了Shadow Tree方便固定穿透式電離室和指形電離室TM30012，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中的每天早晚各一次測(cè)量加速器的輸出劑量，并用TM30012的信號(hào)作為加速器輸出劑量的日變化量。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

測(cè)量方法主要為對(duì)比法，即在水體模中測(cè)量參考點(diǎn)的劑量和輻射野輸出因子，然后將水體模依次替換為藍(lán)色、米白色和白色水等效材料進(jìn)行參考點(diǎn)劑量和輻射野輸出因子的測(cè)量。測(cè)量中采用控制變量法，保持相同的源到模體表面的距離(源表距SSD=1 000 mm)；加速器劑量率設(shè)置為400 MU/min，其中MU為monitor unit即加速器的劑量監(jiān)督單元，醫(yī)用加速器通常將射線最大劑量值點(diǎn)定義為1 MU=0.01 Gy，加速器劑量設(shè)置為100 MU；探測(cè)器的測(cè)量深度d取5 cm(60Co校準(zhǔn)電離室的深度)和10 cm(加速器下校準(zhǔn)電離室的深度)。

測(cè)量裝置如圖1所示，其中圖1(a)為水等效材料BLUE WATER和Plastic Water 在深度為10 cm時(shí)的擺放順序；圖1(b)為加速器室自主研發(fā)三維水體模擺放示意圖探測(cè)器安放在深度為 10 cm 處，這里探測(cè)器通過壁厚為0.1 cm的防水套插入水體模，防水套在這里起到了防水和定位的作用，由于水體模入射窗口有0.3 cm的有機(jī)玻璃板，考慮了有機(jī)玻璃板對(duì)水的修正，探測(cè)器向束流方向前移0.45 mm，這里采用TRS-398報(bào)告[11]進(jìn)行劑量計(jì)算，不存在探測(cè)器有效測(cè)量點(diǎn)前移的差異；圖1(c)為RW3在深度為10 cm時(shí)的擺放順序圖；圖1(d)、圖1(e)和圖1(f)分別是該4種材質(zhì)在深度為5 cm下的擺放順序。

圖1 測(cè)量裝置示意圖Fig.1 The schematic of measuring device

2.3 水等效材料下校準(zhǔn)加速器的修正因子

根據(jù)TRS-398報(bào)告中醫(yī)用加速器水吸收劑量校準(zhǔn)規(guī)范，先用水體模對(duì)加速器10 MV和 6 MV 光子進(jìn)行校準(zhǔn)。分別使用PTW 30013和IBA FC65-G在測(cè)量深度d=5 cm和10 cm下各測(cè)量6次并進(jìn)行漏電流檢查，取該6次實(shí)驗(yàn)的平均值作為參考劑量Dr，并采用雙壓法測(cè)量電離室的離子復(fù)合效應(yīng)，改變極性電離室的極化效應(yīng)；撤掉水體模，依次更換為藍(lán)色、米白色和白色水等效材料，參考水體模測(cè)量，依次獲取不同水等效材料下的水吸收劑量Ds,p，同時(shí)測(cè)量電離室在各個(gè)水等效材料下的離子復(fù)合和極化效應(yīng)。由式(1)可求出水等效材料在絕對(duì)劑量校準(zhǔn)中的修正因子ks,p。

(1)

水等效材料的絕對(duì)劑量修正因子是指水與水等效材料在同一測(cè)量條件下相同深度處的水吸收劑量之比，其它文獻(xiàn)所述水等效因子[1，3]與此含義接近。ki,day和kj,day為加速器日變化量的修正項(xiàng)，由式(2)計(jì)算，其中Mi,am和Mi,pm分別是第i天早上和晚上劑量?jī)x經(jīng)溫度氣壓修正后的值。

(2)

2.4 輸出因子的計(jì)算

劑量輸出修正因子Fopt，是醫(yī)用加速器治療計(jì)劃系統(tǒng)(TPS)必要的參數(shù)[12]，輻射野越多精度越好，在輸出因子的測(cè)量中僅研究了5 cm×5 cm至40 m×40 cm的方形輻射野。由式(3)計(jì)算水體模、藍(lán)色、米白色和白色水等效材料下各個(gè)輻射野的輸出因子。

(3)

式中：Rr，10×10為源表距SSD=100 cm，模體表面為10 cm×10 cm輻射野下的靜電計(jì)讀數(shù)；Ropen為其它輻射野下的劑量讀數(shù)。加速器的設(shè)置除輻射野不同外其它均一致。

3 結(jié)果與討論

3.1 加速器輸出劑量的日穩(wěn)定性

研究了醫(yī)用加速器在2018-11-19～2019-05-25期間的穩(wěn)定性，取這段時(shí)間內(nèi)的平均值作為參考對(duì)象，取每天早上(約8時(shí)，加速器開機(jī)50 min左右)和晚上(約18時(shí)，加速器開機(jī)10 h左右)的平均值作為當(dāng)天數(shù)據(jù)樣本，加速器輸出劑量的日穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果如圖2所示，其中圖2(a)和圖2(b)分別為10 MV X射線和6 MV X射線的日穩(wěn)定性。早上和晚上的差異在不考慮空氣密度修正前，晚上相對(duì)早上的差異為±1.1%，空氣密度修正后為±0.9%，大多數(shù)約為±0.3%。

由圖2分析可知，加速器日穩(wěn)定在考慮空氣密度修正后不論10 MV或者6 MV均不超過±1.0%，忽略空氣密度修正后，日穩(wěn)定性在±2.5%以內(nèi)(實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境溫度年變化約為±2.0 ℃，日變化量約為±1.0 ℃，部分醫(yī)用加速器環(huán)境溫度超過此溫度，日穩(wěn)定性可能高于該值)；加速器輸出劑量的變化是同步的，即6 MV和10 MV同增同減，其它能量也應(yīng)呈現(xiàn)此規(guī)律；在溫度可控相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中，氣壓由冬季至夏季緩慢降低，加速器未考慮空氣密度修正的輸出劑量由冬季至夏季緩慢降低，因此氣壓的測(cè)量也應(yīng)是加速器日常校準(zhǔn)的必測(cè)量。

水等效材料等效性的實(shí)驗(yàn)在5月份進(jìn)行，取5月份均值作為參考值，并求出加速器5月份每日的相對(duì)變化量因子ki,day，用于修正由于加速器日漂移對(duì)實(shí)驗(yàn)帶來的差異。

3.2 水等效材料的絕對(duì)劑量修正因子

用已知校準(zhǔn)因子的PTW 30013和IBA FC65-G分別在BLUE WATER、Plastic Water 和RW3依次測(cè)量深度d為10 cm和5 cm處的絕對(duì)劑量Ds,p，并用水體模測(cè)量絕對(duì)劑量，由式(1)求出水等效材料的絕對(duì)劑量修正因子，如表2和表3所示，相對(duì)不確定度為0.3%。

表2為深度10 cm下用水等效材料做醫(yī)用加速器絕對(duì)劑量校準(zhǔn)時(shí)的修正因子，由表2可知BLUE WATER在絕對(duì)劑量校準(zhǔn)中引起的差異達(dá)2%，Plastic Water 約0.7%，目前中國多數(shù)醫(yī)院廣泛使用的RW3在校準(zhǔn)10 MV X射線時(shí)超過1%，因此在使用類似水等效材料校準(zhǔn)醫(yī)用加速器時(shí)需要十分慎重。

由表2和表3知，水等效材料在校準(zhǔn)醫(yī)用加速器時(shí)，隨著X射線能量越高，引起的差異越大；隨著測(cè)量深度的增加，引起的差異越大；對(duì)該實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，結(jié)果表現(xiàn)為可重復(fù)；因此水等效材料使用者可結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件，自行根據(jù)實(shí)際校準(zhǔn)深度(詳見TRS-389報(bào)告)，測(cè)量相應(yīng)的修正因子，這些結(jié)果也可作為參考使用，建議每年校準(zhǔn)電離室后重復(fù)測(cè)量1次。

圖2 加速器輸出劑量的日穩(wěn)定性Fig.2 Daily stability of the accelerator output dose

表2 水等效材料在深度為10 cm下的修正因子Tab.2 Correction factors for water equivalent materials at a depth of 10 cm

表3 水等效材料在深度為5 cm下的修正因子Tab.3 Correction factors for water equivalent materials at a depth of 5 cm

3.3 水等效材料下的輻射野輸出因子

圖3為輻射野輸出因子，其中圖3(a)和圖3(b)為深度10 cm處輸出因子，圖3(c)和圖3(d)為深度5 cm處輸出因子。

由圖3可知，研究中所使用的3種水等效材料的輻射野輸出因子一致性較好，在5 cm×5 cm至15 cm×15 cm之間與水體模測(cè)量結(jié)果一致，水等效材料在相對(duì)測(cè)量時(shí)表現(xiàn)較好；在輻射野由30 cm×30 cm增至40 cm×40 cm時(shí)，與30 cm×30 cm之前的趨勢(shì)略不一致，稍低頭，主要因水等效材料的長(zhǎng)和寬均為30 cm。

水體模在15 cm×15 cm之后均高于水等效材料，主要因?yàn)樗w模前窗處有由外向里開的薄窗(由圖1可知)。

圖3 輻射野輸出因子Fig.3 Output factors of various radiation field

4 結(jié) 論

針對(duì)水等效材料在校準(zhǔn)加速器時(shí)存在的問題，研究了3種水等效材料在絕對(duì)劑量測(cè)量和相對(duì)測(cè)量時(shí)的水等效性，使用2種典型Farmer探測(cè)器進(jìn)一步說明了水等效材料在劑量測(cè)量或劑量驗(yàn)證中的注意事項(xiàng)。通過以上研究，得出以下結(jié)論：

(1) 加速器校準(zhǔn)時(shí)，需要關(guān)注環(huán)境溫度和氣壓，在溫度可控的情況下，由于季節(jié)變化引起的氣壓變化又是引起加速器輸出劑量漂移的重要因素；

(2) 水等效材料在絕對(duì)劑量測(cè)量時(shí)，需要首先測(cè)量該材料在校準(zhǔn)加速器時(shí)的修正因子，并且每年測(cè)量一次；

(3) 水等效材料在相對(duì)劑量測(cè)量中具有使用方便、快捷、定位準(zhǔn)等優(yōu)勢(shì)，并且不受探測(cè)器的影響，與水體模測(cè)量結(jié)果一致性高。