非均整與傳統均整X線射束的電離電荷復合率研究

北京協和醫院 放療科，北京 100730

引言

隨著技術手段的不斷發展，放射治療完成了從常規治療模式到精準放療模式的轉變[1]。調強放療、大分割放療等技術，由于其放射生物學優勢[2]，在臨床中的使用逐漸增多。為了提升治療精準度，患者單次治療時間加長，患者在分次內的運動造成的劑量學偏差更加值得關注[3]。在臨床實踐中，由于高劑量率射束可以顯著降低治療時間，很多直線加速器開始配備高劑量率的無均整器（FFF）X射線束[4]。FFF射束由于劑量率高，能縮短治療時間，因此在器官運動管理中具有明顯的優勢。為滿足現代放療的精準度需求，FFF射束的應用越來越廣泛[5]。

在進行加速器調試中校準絕對劑量、基礎數據曲線收集時都會使用到電離室[6]。電離室的響應主要有四個修正因子：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TG-51報告[11]，當pion＜1.05時，可以通過“雙電壓”法測量出來。但從該報告問世以來，加速器技術變化較大，隨著加速器劑量率的提高，特別是FFF射束的廣泛應用，使得很多臨床常用射束的pion的值高于1.05。對于高劑量率FFF射束的pion值的測量采用“雙電壓”法是否合適的問題，一些研究學者認為其測量結果與常規平坦射束一樣可信[10,12-15]，而有一些研究學者則提出了質疑[16-17]，提出需要針對不同偏置電壓分別討論其適用性。本文主要針對上述問題進行討論，對于現代高劑量率加速器，利用“Jaffé-plot”方法驗證“雙電壓”法測量pion值中合適的偏置電壓對，以及不同的能量、測量工具是否會對pion的值產生影響，本研究對pion的測量起到參考作用。

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，有效測量體積為0.65 cm3；CC13電離室，有效測量體積為0.13 cm3；CC01電離室，有效測量體積為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，分別為IBA公司的 Dose2雙通道參考級靜電計、PTW 公司的Uni-dose靜電計參考級靜電計以及Standard-imaging公司的CDX-2000B靜電計。

1.1 “雙電壓”法

對于測量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，對于pion＜1.05的脈沖或脈沖掃描光束，即電離電荷效應較少的情況下是準確的。但已知電離電荷效應的真實關系是非線性的，因此在使用時，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”方法對高劑量率模式下的“雙電壓”法進行確認。

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理論對其進行數學計算，這是“Jaffé-plot”方法的理論基礎[19-20]。他們認為，測量所用不同偏壓和電荷量之間的關系是，偏壓的導數（1/V）和電荷讀數的倒數（1/Q）是線性的，他們認為這是用于測量pion的更好方法。

1.3 實驗設置

實驗的第一部分是使用“Jaffé-plot”方法驗證TG-51“雙電壓”法在高劑量率FF和FFF射束中測量的有效性，并找到適合進行pion測量的偏置電壓，測量條件如表1所示。

表1 “雙電壓”法和“Jaffé-plot”法對比的測量條件

在每種測量條件下，應對收集到的電荷進行三次測量，并記錄平均電荷和偏差以降低噪聲，并分別通過“雙電壓”法和“Jaffé-plot”方法計算不同電壓下的所有因子。

這項研究的第二部分討論了pion與劑量率、電離室類型和靜電計之間的關系。對于6 MV、10 MV光子束，劑量率選擇100～700 MU/min；對于6 MV-FFF光子束，劑量率選擇100～1400 MU/min；對于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，產生10 MV-FFF光子束。測量pion與電離室的關系，采用的電離室包括CC01、CC13、FC65-G和PTW平行板電離室。靜電計均選用IBA Dose2，在表2中的設置下收集數據計算得出對于不同靜電計的影響。所選擇的靜電計包括IBA Dose2、PTW Unidose和Standard CDX-2000B靜電計，電離室均選擇FC65-G，分別在表2的條件下測量得出。

表2 pion與劑量率、電離室、靜電計之間的關系的測量條件

這項研究的第三部分討論關于pion與在水模體中測量深度之間的關系。這部分采用CC13電離室和IBA Dose2靜電計，在水下深度不超過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 分析對比

實驗的第一部分通過對比兩種方法的測量結果，分析“雙電壓”法和“Jaffé-plot”方法計算出結果的偏差，討論兩種方法的可行性。實驗的第二部分，分析不同劑量率、電離室類型和靜電計造成的pion差異。實驗的第三部分，計算不同深度的pion，并對比差異，討論不同深度對于pion造成的影響。

2 結果

2.1 使用“Jaffé-plot”方法驗證“雙電壓”法的有效性

對于所有電荷測量均觀察到良好的重復性。相應地，通過電荷量計算的pion值結果穩定。在相同設置下，所有測量的變化不超過0.3%，所有測量的標準偏差均小于0.3%。表3顯示了在不同電壓下靜電計測量得到的電荷量讀數結果。

表3 在不同的偏置電壓下收集的電荷（nC）

通過表3，根據上述“雙電壓”法相同能量下，任意兩種偏壓得到的電荷量計算pion數值。使用公式(1)，由“雙電壓”法測量出的pion因子如表4所示。為了驗證“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SPSS v22對數據擬合的R2和標準差進行計算，結果如表5所示，得出的1/Q與1/V之間顯示出良好的線性關系。通過將線性擬合結果外推至1/V=0以找到無電荷重組效應情況下的值，結果如圖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。再通過公式(2)，計算出pion值。表6顯示了通過“Jaffé-plot”方法計算出的pion因子。

表4 利用不同偏置電壓得出的值

表5 通過“Jaffé-plot”方法擬合的參數

圖1 不同能量的1/Q與1/V擬合線

表6 通過“Jaffé-plot”方法得出的不同能量的值

由于假設“Jaffé-plot”方法是計算pion值的有效方法，但是，“雙電壓”法在臨床上較容易操作，因此通過比較表3和表6找到適合所有能量的偏置電壓對。通過上述數據，計算兩種方法的偏差，并得到在各個能量下測量偏差均小于＜0.1%的偏壓對，詳見表7。雙電壓法與“Jaffé-plot”方法最壞情況下誤差在1.3% 以內，通常準確度在0.1%～0.2%以內。

表7 通過“Jaffé-plot”方法驗證“雙電壓”法結果的偏差值（%）

當偏置電壓對為 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定義為“合適的偏置電壓對”，這些偏壓對為臨床中可用的偏壓對。而其他偏壓對由于在一個或幾個能量下與“Jaffé-plot”方法偏差較大，因此被認為不適合應用于臨床測量。之后的討論，本研究選擇100～300 V偏置電壓對進行進一步的測量。

2.2 pion值與劑量率、電離室和靜電計之間的關系

pion值與劑量率的關系結果如圖2所示，不同劑量率之間的pion值沒有統計學差異（P＞0.05）。表8顯示了pion值與不同電離室之間的關系，不同電離室相同能量之間的測量偏差小于0.5%，處于臨床可接受范圍。表9顯示了pion值與不同的靜電計之間的關系，不同靜電計，相同能量之間的測量偏差小于0.5%，處于臨床可接受范圍。

圖2 不同劑量率條件下測得的pion值

表8 不同電離室測量獲得的pion值

表9 不同靜電計測量獲得的pion值

2.3 不同深度對于pion造成的影響

pion值與測量深度的關系如圖3所示。對于10 MV-FFF能量，不同深度的pion值變化大于2%；對于6 MV-FFF能量，在不同深度的pion值變化大于1%；對于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 不同測量深度條件下測得的pion值

3 討論

由于TG-51[11]發表較早，從1999年問世以來，加速器的劑量率不斷增加。因此，有必要重新評估TG-51建議的“雙電壓”法測量pion因子的有效性。部分研究已經注意到高劑量率射束對于因子的影響[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，對pion因子在各種條件下的變化進行全面的討論。

本研究認為，“Jaffé-plot”方法是比“雙電壓”法魯棒性更好的一種測量方法，因為“Jaffé-plot”是通過多個測量結果以繪制1/V和1/Q的函數，而不是通過兩個測量點來確定pion的值，是一種更加穩定的方法。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中還可以發現，FFF光束比傳統的帶均整器的射束具有更大的偏差，這樣的測量結果結果與Kry等[12]的研究相同，并且在他們的研究中已經討論到FFF射束中更大的不確定度是由于潛在的部分體積效應，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生測量結果的偏差。但是比起TG-51推薦的“雙電壓”法，“Jaffé-plot”方法操作起來較為復雜。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，以使用“雙電壓”法也可以獲得較為準確的結果。在本研究中，對于所有能量和電離室，采用“雙電壓”法測量的pion值均進行了比較。在偏置電壓對100-300 V下，兩種方法的pion值偏差均在0.1%內。如果偏置電壓對的選擇不合適，則這兩種方法之間的差異可能會達到1.25%。因此，本研究得出結論，只有選擇合適的偏壓對，才能在pion值測量中獲得較為穩定的結果，100-300 V偏壓對是本研究推薦的測量參數。

由不同的劑量率引起的離子重組效果沒有統計學差異，本研究認為其原因是Elekta Versa HD調整劑量率的方式是通過更改脈沖數而不是更改每個脈沖的劑量，由于調整劑量率時每個脈沖的劑量沒有變化，因此顯示pion與劑量率之間沒有相關性。因此該加速器的pion值不會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行絕對劑量測量之前對于每個電離室和靜電計進行pion測量。

對于10 MV-FFF能量，不同深度的pion值變化大于2%；對于6 MV-FFF能量，在不同深度的Pion值變化大于1%；對于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，可以發現pion值的變化趨勢類似于百分深度劑量曲線，采取同樣的pion值測量百分深度曲線或進行數據采集工作，會導致百分深度曲線的斜率較實際大，造成數據由于測量原因出現一定偏差。因此，本研究建議在設備臨床調試和計劃系統數據采集建模過程中，將pion值的影響納入考慮。

4 結論

TG-51推薦的“雙電壓”法仍然是對高劑量率非均整射束pion值的有效方法，當劑量率、電離室和靜電計發生變化時，pion值的變化較小。但由于測量深度的變化，本研究建議在調試和治療計劃系統數據采集程序中對pion值進行評估和考量。