非均整與傳統(tǒng)均整X線射束的電離電荷復(fù)合率研究

北京協(xié)和醫(yī)院 放療科，北京 100730

引言

隨著技術(shù)手段的不斷發(fā)展，放射治療完成了從常規(guī)治療模式到精準(zhǔn)放療模式的轉(zhuǎn)變[1]。調(diào)強(qiáng)放療、大分割放療等技術(shù)，由于其放射生物學(xué)優(yōu)勢(shì)[2]，在臨床中的使用逐漸增多。為了提升治療精準(zhǔn)度，患者單次治療時(shí)間加長(zhǎng)，患者在分次內(nèi)的運(yùn)動(dòng)造成的劑量學(xué)偏差更加值得關(guān)注[3]。在臨床實(shí)踐中，由于高劑量率射束可以顯著降低治療時(shí)間，很多直線加速器開(kāi)始配備高劑量率的無(wú)均整器（FFF）X射線束[4]。FFF射束由于劑量率高，能縮短治療時(shí)間，因此在器官運(yùn)動(dòng)管理中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。為滿足現(xiàn)代放療的精準(zhǔn)度需求，F(xiàn)FF射束的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[5]。

在進(jìn)行加速器調(diào)試中校準(zhǔn)絕對(duì)劑量、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)曲線收集時(shí)都會(huì)使用到電離室[6]。電離室的響應(yīng)主要有四個(gè)修正因子：溫度、氣壓、極性因子、電離電荷符合率（pion）[7-9]。其中pion中的常規(guī)重組部分是依賴于劑量率的，隨著劑量率的提高，pion值也隨之提高[10]。根據(jù)TG-51報(bào)告[11]，當(dāng)pion＜1.05時(shí)，可以通過(guò)“雙電壓”法測(cè)量出來(lái)。但從該報(bào)告問(wèn)世以來(lái)，加速器技術(shù)變化較大，隨著加速器劑量率的提高，特別是FFF射束的廣泛應(yīng)用，使得很多臨床常用射束的pion的值高于1.05。對(duì)于高劑量率FFF射束的pion值的測(cè)量采用“雙電壓”法是否合適的問(wèn)題，一些研究學(xué)者認(rèn)為其測(cè)量結(jié)果與常規(guī)平坦射束一樣可信[10,12-15]，而有一些研究學(xué)者則提出了質(zhì)疑[16-17]，提出需要針對(duì)不同偏置電壓分別討論其適用性。本文主要針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行討論，對(duì)于現(xiàn)代高劑量率加速器，利用“Jaffé-plot”方法驗(yàn)證“雙電壓”法測(cè)量pion值中合適的偏置電壓對(duì)，以及不同的能量、測(cè)量工具是否會(huì)對(duì)pion的值產(chǎn)生影響，本研究對(duì)pion的測(cè)量起到參考作用。

1 材料與方法

本研究所使用的加速器為Elekta公司的VersaHD加速器中的6 MV、10 MV、6 MV-FFF 和10 MV-FFF四檔能量的光子線。使用的是IBA公司的FC65-G電離室，有效測(cè)量體積為0.65 cm3；CC13電離室，有效測(cè)量體積為0.13 cm3；CC01電離室，有效測(cè)量體積為0.01 cm3以及PTW公司的Roos（34001型）平行板電離室。使用了三種靜電計(jì)，分別為IBA公司的 Dose2雙通道參考級(jí)靜電計(jì)、PTW 公司的Uni-dose靜電計(jì)參考級(jí)靜電計(jì)以及Standard-imaging公司的CDX-2000B靜電計(jì)。

1.1 “雙電壓”法

對(duì)于測(cè)量pion值的方法，TG-51[11]建議采用“雙電壓”法，如公式(1)。

公式(1)是一種線性假設(shè)，對(duì)于pion＜1.05的脈沖或脈沖掃描光束，即電離電荷效應(yīng)較少的情況下是準(zhǔn)確的。但已知電離電荷效應(yīng)的真實(shí)關(guān)系是非線性的，因此在使用時(shí)，特別是在高劑量率FFF模式等高劑量率模式下，可能在使用中造成差異[18]。因此，本文利用“Jaffé-plot”方法對(duì)高劑量率模式下的“雙電壓”法進(jìn)行確認(rèn)。

1.2 “Jaffé-plot”方法

Kry等[12]引入了一種稱為“Jaffé-plot”的方法，Berg等引入了Jaffé-Zanstra理論對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，這是“Jaffé-plot”方法的理論基礎(chǔ)[19-20]。他們認(rèn)為，測(cè)量所用不同偏壓和電荷量之間的關(guān)系是，偏壓的導(dǎo)數(shù)（1/V）和電荷讀數(shù)的倒數(shù)（1/Q）是線性的，他們認(rèn)為這是用于測(cè)量pion的更好方法。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)的第一部分是使用“Jaffé-plot”方法驗(yàn)證TG-51“雙電壓”法在高劑量率FF和FFF射束中測(cè)量的有效性，并找到適合進(jìn)行pion測(cè)量的偏置電壓，測(cè)量條件如表1所示。

表1 “雙電壓”法和“Jaffé-plot”法對(duì)比的測(cè)量條件

在每種測(cè)量條件下，應(yīng)對(duì)收集到的電荷進(jìn)行三次測(cè)量，并記錄平均電荷和偏差以降低噪聲，并分別通過(guò)“雙電壓”法和“Jaffé-plot”方法計(jì)算不同電壓下的所有因子。

這項(xiàng)研究的第二部分討論了pion與劑量率、電離室類型和靜電計(jì)之間的關(guān)系。對(duì)于6 MV、10 MV光子束，劑量率選擇100～700 MU/min；對(duì)于6 MV-FFF光子束，劑量率選擇100～1400 MU/min；對(duì)于10 MV-FFF光子束，劑量率選擇100～2200 MU/min。使用FC65-G室和IBA Dose2靜電計(jì)，產(chǎn)生10 MV-FFF光子束。測(cè)量pion與電離室的關(guān)系，采用的電離室包括CC01、CC13、FC65-G和PTW平行板電離室。靜電計(jì)均選用IBA Dose2，在表2中的設(shè)置下收集數(shù)據(jù)計(jì)算得出對(duì)于不同靜電計(jì)的影響。所選擇的靜電計(jì)包括IBA Dose2、PTW Unidose和Standard CDX-2000B靜電計(jì)，電離室均選擇FC65-G，分別在表2的條件下測(cè)量得出。

表2 pion與劑量率、電離室、靜電計(jì)之間的關(guān)系的測(cè)量條件

這項(xiàng)研究的第三部分討論關(guān)于pion與在水模體中測(cè)量深度之間的關(guān)系。這部分采用CC13電離室和IBA Dose2靜電計(jì)，在水下深度不超過(guò)30 cm，SSD = 100 cm，射野大小為10 cm×10 cm的情況下，在不同深度收集pion。

1.4 分析對(duì)比

實(shí)驗(yàn)的第一部分通過(guò)對(duì)比兩種方法的測(cè)量結(jié)果，分析“雙電壓”法和“Jaffé-plot”方法計(jì)算出結(jié)果的偏差，討論兩種方法的可行性。實(shí)驗(yàn)的第二部分，分析不同劑量率、電離室類型和靜電計(jì)造成的pion差異。實(shí)驗(yàn)的第三部分，計(jì)算不同深度的pion，并對(duì)比差異，討論不同深度對(duì)于pion造成的影響。

2 結(jié)果

2.1 使用“Jaffé-plot”方法驗(yàn)證“雙電壓”法的有效性

對(duì)于所有電荷測(cè)量均觀察到良好的重復(fù)性。相應(yīng)地，通過(guò)電荷量計(jì)算的pion值結(jié)果穩(wěn)定。在相同設(shè)置下，所有測(cè)量的變化不超過(guò)0.3%，所有測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.3%。表3顯示了在不同電壓下靜電計(jì)測(cè)量得到的電荷量讀數(shù)結(jié)果。

表3 在不同的偏置電壓下收集的電荷（nC）

通過(guò)表3，根據(jù)上述“雙電壓”法相同能量下，任意兩種偏壓得到的電荷量計(jì)算pion數(shù)值。使用公式(1)，由“雙電壓”法測(cè)量出的pion因子如表4所示。為了驗(yàn)證“雙電壓”法的有效性，利用“Jaffé-plot”方法繪制了1/Q與1/V曲線。為了確定線性回歸效果，通過(guò)SPSS v22對(duì)數(shù)據(jù)擬合的R2和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表5所示，得出的1/Q與1/V之間顯示出良好的線性關(guān)系。通過(guò)將線性擬合結(jié)果外推至1/V=0以找到無(wú)電荷重組效應(yīng)情況下的值，結(jié)果如圖1所示。6 MV能量下，QV=0=18.28 nC；10 MV能量下，QV=0=15.29 nC；6 MV-FFF能量下，QV=0=18.35 nC；10 MV-FFF能量下，QV=0=15.29 nC。再通過(guò)公式(2)，計(jì)算出pion值。表6顯示了通過(guò)“Jaffé-plot”方法計(jì)算出的pion因子。

表4 利用不同偏置電壓得出的值

表5 通過(guò)“Jaffé-plot”方法擬合的參數(shù)

圖1 不同能量的1/Q與1/V擬合線

表6 通過(guò)“Jaffé-plot”方法得出的不同能量的值

由于假設(shè)“Jaffé-plot”方法是計(jì)算pion值的有效方法，但是，“雙電壓”法在臨床上較容易操作，因此通過(guò)比較表3和表6找到適合所有能量的偏置電壓對(duì)。通過(guò)上述數(shù)據(jù)，計(jì)算兩種方法的偏差，并得到在各個(gè)能量下測(cè)量偏差均小于＜0.1%的偏壓對(duì)，詳見(jiàn)表7。雙電壓法與“Jaffé-plot”方法最壞情況下誤差在1.3% 以內(nèi)，通常準(zhǔn)確度在0.1%～0.2%以內(nèi)。

表7 通過(guò)“Jaffé-plot”方法驗(yàn)證“雙電壓”法結(jié)果的偏差值（%）

當(dāng)偏置電壓對(duì)為 100～300 V、150～300 V、200～300 V、100～400 V、150～400 V、200～400 V、300～400 V，兩種方法之間的差異小于0.1%，本研究將所有這些偏置電壓對(duì)定義為“合適的偏置電壓對(duì)”，這些偏壓對(duì)為臨床中可用的偏壓對(duì)。而其他偏壓對(duì)由于在一個(gè)或幾個(gè)能量下與“Jaffé-plot”方法偏差較大，因此被認(rèn)為不適合應(yīng)用于臨床測(cè)量。之后的討論，本研究選擇100～300 V偏置電壓對(duì)進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)量。

2.2 pion值與劑量率、電離室和靜電計(jì)之間的關(guān)系

pion值與劑量率的關(guān)系結(jié)果如圖2所示，不同劑量率之間的pion值沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）。表8顯示了pion值與不同電離室之間的關(guān)系，不同電離室相同能量之間的測(cè)量偏差小于0.5%，處于臨床可接受范圍。表9顯示了pion值與不同的靜電計(jì)之間的關(guān)系，不同靜電計(jì)，相同能量之間的測(cè)量偏差小于0.5%，處于臨床可接受范圍。

圖2 不同劑量率條件下測(cè)得的pion值

表8 不同電離室測(cè)量獲得的pion值

表9 不同靜電計(jì)測(cè)量獲得的pion值

2.3 不同深度對(duì)于pion造成的影響

pion值與測(cè)量深度的關(guān)系如圖3所示。對(duì)于10 MV-FFF能量，不同深度的pion值變化大于2%；對(duì)于6 MV-FFF能量，在不同深度的pion值變化大于1%；對(duì)于10 MV和6 MV帶均整器的射束，pion值的變化小于1%，這在臨床上不能忽略。

圖3 不同測(cè)量深度條件下測(cè)得的pion值

3 討論

由于TG-51[11]發(fā)表較早，從1999年問(wèn)世以來(lái)，加速器的劑量率不斷增加。因此，有必要重新評(píng)估TG-51建議的“雙電壓”法測(cè)量pion因子的有效性。部分研究已經(jīng)注意到高劑量率射束對(duì)于因子的影響[10,12-17]，但并不完整，本文利用臨床新型直線加速器以及臨床常用的多種電離室、靜電計(jì)，對(duì)pion因子在各種條件下的變化進(jìn)行全面的討論。

本研究認(rèn)為，“Jaffé-plot”方法是比“雙電壓”法魯棒性更好的一種測(cè)量方法，因?yàn)椤癑affé-plot”是通過(guò)多個(gè)測(cè)量結(jié)果以繪制1/V和1/Q的函數(shù)，而不是通過(guò)兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)來(lái)確定pion的值，是一種更加穩(wěn)定的方法。由表5可知，“Jaffé-plot”方法的不確定性很小，因此在“雙電壓”法中引入的主要不確定性認(rèn)為是該方法使用的線性近似方法（約0.2%）[10]。從表3中還可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)FF光束比傳統(tǒng)的帶均整器的射束具有更大的偏差，這樣的測(cè)量結(jié)果結(jié)果與Kry等[12]的研究相同，并且在他們的研究中已經(jīng)討論到FFF射束中更大的不確定度是由于潛在的部分體積效應(yīng)，即由于FFF射束的變化梯度較大，因此由于擺位等原因造成的微小差異更容易產(chǎn)生測(cè)量結(jié)果的偏差。但是比起TG-51推薦的“雙電壓”法，“Jaffé-plot”方法操作起來(lái)較為復(fù)雜。在這種情況下，本研究希望找到顯示出良好一致性的偏置電壓對(duì)，以使用“雙電壓”法也可以獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。在本研究中，對(duì)于所有能量和電離室，采用“雙電壓”法測(cè)量的pion值均進(jìn)行了比較。在偏置電壓對(duì)100-300 V下，兩種方法的pion值偏差均在0.1%內(nèi)。如果偏置電壓對(duì)的選擇不合適，則這兩種方法之間的差異可能會(huì)達(dá)到1.25%。因此，本研究得出結(jié)論，只有選擇合適的偏壓對(duì)，才能在pion值測(cè)量中獲得較為穩(wěn)定的結(jié)果，100-300 V偏壓對(duì)是本研究推薦的測(cè)量參數(shù)。

由不同的劑量率引起的離子重組效果沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，本研究認(rèn)為其原因是Elekta Versa HD調(diào)整劑量率的方式是通過(guò)更改脈沖數(shù)而不是更改每個(gè)脈沖的劑量，由于調(diào)整劑量率時(shí)每個(gè)脈沖的劑量沒(méi)有變化，因此顯示pion與劑量率之間沒(méi)有相關(guān)性。因此該加速器的pion值不會(huì)隨著劑量率的提升有明顯變化。

不同能量、不同的電離室和靜電計(jì)之間的pion值偏差小于1%，盡管差異很小，但本研究仍建議在進(jìn)行絕對(duì)劑量測(cè)量之前對(duì)于每個(gè)電離室和靜電計(jì)進(jìn)行pion測(cè)量。

對(duì)于10 MV-FFF能量，不同深度的pion值變化大于2%；對(duì)于6 MV-FFF能量，在不同深度的Pion值變化大于1%；對(duì)于10 MV和6 MV帶均整器的射束，pion值的變化小于1%，這在臨床上不能忽略。而且，觀察圖3，可以發(fā)現(xiàn)pion值的變化趨勢(shì)類似于百分深度劑量曲線，采取同樣的pion值測(cè)量百分深度曲線或進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，會(huì)導(dǎo)致百分深度曲線的斜率較實(shí)際大，造成數(shù)據(jù)由于測(cè)量原因出現(xiàn)一定偏差。因此，本研究建議在設(shè)備臨床調(diào)試和計(jì)劃系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集建模過(guò)程中，將pion值的影響納入考慮。

4 結(jié)論

TG-51推薦的“雙電壓”法仍然是對(duì)高劑量率非均整射束pion值的有效方法，當(dāng)劑量率、電離室和靜電計(jì)發(fā)生變化時(shí)，pion值的變化較小。但由于測(cè)量深度的變化，本研究建議在調(diào)試和治療計(jì)劃系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集程序中對(duì)pion值進(jìn)行評(píng)估和考量。