6 MV光子束有無均整器的劑量學(xué)特性研究

曾華驅(qū)，黃熾雄，鐘敏之

傳統(tǒng)的醫(yī)用直線加速器治療機(jī)頭均安裝均整器，用來降低MeV 級(jí)別射束的中心強(qiáng)度，使離軸劑量分布變得平坦，在沒有治療計(jì)劃系統(tǒng)的年代，這樣可以讓手工計(jì)算機(jī)器監(jiān)測(cè)跳數(shù)（monitor unit，MU）變得很容易。但現(xiàn)代的治療計(jì)劃系統(tǒng)已經(jīng)可以將錐形射束不同深度的劑量精確計(jì)算。為了增加劑量率、縮短治療時(shí)間、便于臨床上體部立體定向放射治療技術(shù)和呼吸門控技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在很多直線加速器在提供均整器（flattening filter，F(xiàn)F）光子束模式的基礎(chǔ)上還提供了去掉均整器（flattening filter free，F(xiàn)FF）模式。在FFF 模式時(shí)只用一個(gè)大約0.8 mm 的薄箔片取代錐形均整器[1]（圖1），箔片的作用是進(jìn)一步吸收低能量電子和光子，以免它們到達(dá)病人身上提高不必要的皮膚劑量[2]。一些學(xué)者使用蒙特卡洛方法模擬了FFF 射束的劑量特性[3～5]，發(fā)現(xiàn)FFF 射束是一個(gè)不平坦、尖峰型射束，其劑量學(xué)特性與FF 有很大不同，F(xiàn)FF 后改變了原平坦射束的物理特性，使得射束劑量率顯著增加，射束譜軟化，減少了機(jī)頭的散射，以及降低了機(jī)頭中子和光子射線的漏射。臨床上使用FFF 射束進(jìn)行治療計(jì)劃設(shè)計(jì)必須對(duì)其劑量學(xué)特性有充分的了解。筆者在此研究瓦里安Trilogy 直線加速器6 MV 光子束在FFF（用6X FFF 表示）后的劑量學(xué)特性，并與有FF（用6X FF 表示）比較，為臨床使用提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 試驗(yàn)資料

瓦里安Trilogy 醫(yī)用直線加速器，6X 配置了FF和FFF 兩種模式，其中FF 和FFF 最高劑量率可達(dá)600 MU/min 和1 400 MU/min。數(shù)據(jù)采集使用體積為50 cm×50 cm×40 cm 德國(guó)PTW MP3-M 三維水箱掃描系統(tǒng)，靈敏體積為0.125 cm3Semiflex 31010 半柔型電離室，UNDOS E 型靜電計(jì)。數(shù)據(jù)后處理采用PTW’S MEPHYSTO mc2軟件，以獲得6X FF 和6X FFF 的劑量學(xué)特性。

1.2 方法

1.2.1 百分深度劑量測(cè)量

數(shù)據(jù)采集時(shí)固定源到模體表面距離 （source to surface distance，SSD）=100 cm，照射野邊長(zhǎng)分別為3、4、6、8、10、12、15、20、25、30、35、40 cm，共12 個(gè)正方形野。水箱采用Step By Step 模式測(cè)量，測(cè)量方向?yàn)閺纳畈客砻鎾呙瑁瑴y(cè)量深度不少于30 cm，以最大劑量值歸一。測(cè)量百分深度劑量（percentage depth dose，PDD）。

1.2.2 離軸劑量分布測(cè)量

照射野大小同PDD，固定SSD=100 cm，分別在最大劑量深度（dmax）、5 cm、10 cm、20 cm 和30 cm 深度處測(cè)量每個(gè)射野橫向的離軸劑量分布 （cross-Profile），掃描范圍大于每側(cè)射野邊界至少5 cm。

1.2.3 總輸出因子Scp

照射野大小同PDD，固定SSD = 100 cm，電離室有效測(cè)量點(diǎn)在深度5 cm 處測(cè)量，出束100 MU，以10 cm×10 cm 射野進(jìn)行歸一。

2 結(jié)果

2.1 百分深度劑量

6X FF 和6X FFF 在不同射野，隨著射野增大，兩者的PDD 差別有增大的趨勢(shì)（圖2）。6X FF 和6X FFF 的表面相對(duì)劑量和PDD20/PDD10隨射野的變化而變化，對(duì)于表面相對(duì)劑量，在射野小于30 cm×30 cm時(shí)，6X FFF 比6X FF 的大，小于5 cm×5 cm 時(shí)兩者差異達(dá)到10%，隨著射野大于30 cm×30 cm，兩者差異減小并趨向一致（圖3）。6X FFF 的PDD20/PDD10比6X FF 的低，隨射野增大，兩者的PDD20/ PDD10相差增大，在3 cm×30 cm 時(shí)相差0.027，在40 cm×40 cm時(shí)相差0.049。對(duì)于dmax在射野小于15 cm × 15 cm時(shí)，6X FFF 相對(duì)6X FF 變淺，但相差不大；6X FFF 的dmax隨射野增大沒變化，而6X FF 的dmax隨射野增大有變淺的趨勢(shì)（表1）。

表1 6X FF 與6X FFF 的深度劑量曲線參數(shù)比較Tab.1 Comparison of depth dose curve parameters between 6X FF and 6X FFF

2.2 離軸劑量分布

6X FF 和6X FFF 在不同射野、不同深度的Profile 曲線（圖4）可以看出，6X FFF 的劑量分布不同于傳統(tǒng)的6X FF，而是呈現(xiàn)中間高、兩邊低的尖峰型。對(duì)于3 cm×3 cm 射野，6X FF 與6X FFF 的Profile 形狀大致相同，6X FFF profile 形狀隨深度變化不顯著，而6X FF profile 形狀隨深度變化明顯。隨著射野增大，6X FFF 不平坦情況變得更加突出。6X FFF 在射野外的劑量下降更快。6X FFF 和6X FF 在不同射野、不同深度的幾何野外4 cm 和2 cm 相對(duì)劑量差異結(jié)果（表2）可以看出，6X FFF 射野外相對(duì)劑量比6X FF 的低，隨著射野增大，射野外劑量低的優(yōu)勢(shì)越明顯，但隨著深度增加其變化沒有明顯規(guī)律。

表2 6X FFF 和6X FF 不同射野、不同深度的幾何野外4 cm 和2 cm 相對(duì)劑量差異比較Tab.2 Comparison of relative dose difference results of 4 cm and 2 cm ceramal geometric field at different fields and depths between 6X FFF and 6X FF

2.3 總輸出因子Scp

6X FF 和6X FFF 的Scp隨射野的變化逐漸增大（圖5），射野小于10 cm×10 cm 時(shí)，6X FFF 的Scp比6X FF 的稍大，在3 cm×3 cm、4 cm×4 cm、6 cm×6 cm、8 cm×8 cm、10 cm×10 cm，射野時(shí)兩者的Scp分別為0.892、0.919、0.956、0.984、1.000 和0.869、0.899、0.943、0.975、1.000，在3 cm×3 cm 至10 cm×10 cm，兩者差異隨射野增大逐漸減少，差異并不明顯；隨著射野增大（大于10 cm×10 cm），6X FFF 的Scp比6X FF 的小，在12 cm×12 cm、15 cm×15 cm、20 cm×20 cm、25 cm×25 cm、30 cm × 30 cm、35 cm × 35 cm、40 cm × 40 cm時(shí)兩者的Scp分別為1.015、1.033、1.053、1.069、1.079、1.087、1.094 和1.019、1.040、1.067、1.087、1.104、1.118、1.126，隨著射野增大兩者差異增大。6X FFF 的Scp隨著射野的變化沒有像6X FF 那樣顯著。

3 討論

醫(yī)科達(dá)公司為了使FFF 模式的PDD 與FF 的在10 cm 深度以下達(dá)到一致，有意提高了電子束撞擊X射線靶前的能量；而瓦里安公司的則不同，兩者使用相同能量的電子束撞擊X 射線靶，結(jié)果導(dǎo)致劑量輸出提高，但降低了射線的穿透力[6]。從PDD 曲線圖可以看出，在dmax之后，6X FFF 的PDD 比6X FF 的要低，這是由于FFF 模式后射束硬化效應(yīng)損失的結(jié)果。筆者研究以表面下1 mm 的PDD 定義為表面相對(duì)劑量，是因?yàn)樯疃葹榱銜r(shí)劑量測(cè)量不準(zhǔn)確，特別對(duì)于不同的測(cè)量探頭所帶來的誤差較大，6X FFF 的表面相對(duì)劑量比6X FF 的要高，這是因?yàn)镕FF 后導(dǎo)致射束軟化，減少了來自FF 模式的散射和電子污染；但低能量光子引起了表面劑量的增高，綜合起來導(dǎo)致6X FFF 的表面相對(duì)劑量偏高[7]；但6X FFF 的表面相對(duì)劑量隨射野增大而緩慢增加，而6X FF 的則要快速得多，所以在大照射野時(shí)，如大于30 cm×30 cm，6X FFF 的皮膚相對(duì)劑量可能比6X FF 的更低。FFF 模式射束主要應(yīng)用在立體定向放射治療，小照射野時(shí)6X FFF 的皮膚表面相對(duì)劑量都較高，在臨床實(shí)踐如放射治療計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)要引起注意。6X FFF 的PDD20/PDD10比6X FF 的低，實(shí)際上兩種模式情況下電子束撞擊X射線靶后產(chǎn)生的光子射束能量譜是相同的，兩者的差異是由于FF 模式射束均整器的存在導(dǎo)致了更大的射束硬化效應(yīng)[8]。FFF 模式射束的小機(jī)頭散射與FF 模式射束有很大不同，是因?yàn)镕F 模式是小機(jī)頭散射的主要來源[9]，而總輸出因子由準(zhǔn)直器散射因子和模體散射因子組成，由于去掉了FF，所以6X FFF 的總輸出因子隨射野的變化并沒有像6X FF 那樣顯著。FFF模式射束的離軸劑量分布與FF 模式的有很大不同，一些學(xué)者提出了一些新的參數(shù)定義FFF 模式射束的離軸劑量分布特性，包括不平坦度、半影、斜率、峰值點(diǎn)、射野大小等[10，11]。筆者研究發(fā)現(xiàn)，6X FFF 的離軸劑量分布隨深度變化沒有像6X FF 那樣顯著，6X FF 的隨深度變化較大主要是因?yàn)镕F 模式的存在，導(dǎo)致其離軸劑量分布上邊緣和中間不同程度的射束硬化，而這不會(huì)發(fā)生在6X FFF 射束身上。6X FFF 的射野外劑量比6X FF 的低，劑量跌落更加陡峭，且下降量隨射野增大而增加，這是由于小機(jī)頭漏射、準(zhǔn)直器散射和電子污染的大大減少；但是由于去掉了均整器，減少了射束的硬化，軟射束的存在使得病人的散射并沒有減少[12]。射野外劑量的減少，使得6X FFF 模式射束用于放射治療計(jì)劃可以減少正常組織的受照射劑量[13～15]，特別用于立體定向放射治療技術(shù)，因?yàn)樾C(jī)頭漏射對(duì)這種技術(shù)影響非常大[16]。趙紅福等[17]利用6X FF 和6X FFF 對(duì)腦轉(zhuǎn)移癌分次立體定向放射治療的劑量學(xué)研究表明，6X FFF 和6X FF 兩種能量模式的計(jì)劃在靶區(qū)適形度和均勻性相似，但6X FFF 的靶區(qū)外劑量跌落更快，有利于保護(hù)正常腦組織，但由于受葉片運(yùn)動(dòng)速度和機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度的影響，F(xiàn)FF 模式不能提高分次立體定向放射治療效率。魏鵬等[18]和吳思華等[19]對(duì)非小細(xì)胞肺癌在有無均整器模式下對(duì)計(jì)劃質(zhì)量和執(zhí)行效率的研究表明，F(xiàn)FF 模式在滿足靶區(qū)劑量的同時(shí)能顯著降低正常組織的劑量和顯著縮短出束時(shí)間，有更高的治療效率。楊東明等[20]利用FFF 模式對(duì)直腸癌術(shù)前設(shè)計(jì)了容積弧形調(diào)強(qiáng)和固定野調(diào)強(qiáng)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，在FFF 模式下，容積弧形調(diào)強(qiáng)在靶區(qū)適形度和均勻度方面優(yōu)于固定野調(diào)強(qiáng)，但固定野調(diào)強(qiáng)的危及器官受照射劑量更低。

筆者研究對(duì)瓦里安Trilogy 直線加速器去掉均整器后的射束特性進(jìn)行了分析，將來仍需要進(jìn)一步深入研究FFF 模式射束小野的劑量學(xué)，以及利用FFF 模式射束在高劑量率下實(shí)施立體定向放射治療的安全性[21]，充分利用FFF 模式射束的劑量學(xué)優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于臨床。