醫(yī)用電子直線加速器輻射束吸收劑量標定中校準因子計算的微信小程序設(shè)計

楊志宇

福建醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院放療科 （福建福州 350001）

放射治療通過將不同能量的X（γ）線、高能電子線等照射于人體，使電離輻射與人體組織中的原子相互作用而達到治療目的，輻射線能量需在腫瘤組織中達到一定的吸收劑量才可有效滅殺腫瘤細胞，因此，醫(yī)用電子直線加速器輸出劑量的精確校準是確保放射治療劑量精準度的基礎(chǔ)。世界衛(wèi)生組織規(guī)定，用于放射治療的X 線和電子線，絕對劑量校準誤差應(yīng)在±2%范圍內(nèi)[1]。為了確保醫(yī)用電子直線加速器實際輸出劑量值的統(tǒng)一和測量結(jié)果的準確，IAEA TRS 277號和TRS 398號報告及AAPM TG 51號技術(shù)報告中均有推薦的劑量標定方法[2-4]。無論采用哪一種校準規(guī)程，涉及的參數(shù)（轉(zhuǎn)換因子和修正因子）均較多，在劑量校準計算過程中往往需要查表并進行一維或二維的插值計算，而煩瑣的計算過程既費時又易出錯。基于此，本研究根據(jù)IAEA TRS 277號和TRS 398號報告，采用微信開發(fā)者工具設(shè)計一個微信小程序，用戶可根據(jù)自己需求選擇測量規(guī)程，幫助物理師理順各規(guī)程中轉(zhuǎn)換因子、修正因子的關(guān)系，實現(xiàn)醫(yī)用電子直線加速器輻射源標定的吸收劑量校準參數(shù)的快速自動計算，縮短計算時間，避免人為因素出錯，確保計算精度及可靠性。

1 資料與方法

1.1 一般資料

TRS 277號報告中，射線質(zhì)水中參考深度處吸收劑量的計算公式如下：

TRS 398號報告中，射線質(zhì)水中參考深度處吸收劑量的計算公式如下：

以上計算公式中，Mun為未經(jīng)校正后的電離室劑量儀的讀數(shù)；KTP為溫度氣壓修正因子；Kpol為電離室的極化效應(yīng)修正因子；Kelec為靜電計修正因子；Ks為電離復(fù)合效應(yīng)修正因子；NX為照射量校準因子，NK為空氣比釋動能校準因子，ND,w,Q0為60Co 輻射場中水里校準因子，這三個參數(shù)的值由計量院檢測部門提供；Dw為吸收劑量，單位為cGy，其中，在計算吸收劑量時，NX需乘以倫琴國際單位換算因子2.58×10-4C/kg；為空氣的平均電離能轉(zhuǎn)換成電離輻射所沉積的能量（吸收劑量），其值為33.97 J/C；g 為次級帶電粒子韌致輻射損失的那部分能量，一般取0.003；Km為電離室材料空氣不完全等效的校正因子，Katt為電離室材料（包括平衡帽）對射線吸收和散射的校正因子，這兩個值只與電離室本身有關(guān)，一般可由廠家給出或通過電離室型號查表獲得；Pu為電離室室壁材料非水物質(zhì)完全等效校正因子，又稱為擾動因子，在水中測量時，室壁材料產(chǎn)生的電子和對電子的阻止本領(lǐng)與水不同，可通過圖（即TRS 277 號報告中的FIG.14）量化獲取；Pcel為中心收集電極的空氣不完全等效校正因子，對于能量≤25 MeV 的光子束一般取1，而對于電子束，Pcel則不為1，而是根據(jù)中心收集電極的材料和電離室半徑查表獲得；Sw,air為水與空氣的阻止本領(lǐng)比值。在TRS 277號報告中，對于高能X（γ）線束，Sw,air數(shù)值取決于射線質(zhì)PDD20/PDD10（即D20/D10）的值，不同醫(yī)用電子直線加速器的D20/D10值均存在差異，D20/D10不在TRS 277的表XIII 內(nèi)的Sw,air數(shù)值需通過插值法計算；對于高能電子束，電離室在水中測量時，Sw,air的值取決于射程（由三維水箱采集數(shù)據(jù)時給出）和有效測量點的深度Z，不在表X 內(nèi)的高能電子束Sw,air值，也需進行一次或二次插值。在TRS 398號報告中，KQ,Q0是能量校準因子，依使用的電離室及射線質(zhì)的不同而不同，在該報告中，光子束的射線質(zhì)定義為體膜比TPR20/TPR10，電子束的射線質(zhì)定義為R50，光子束對應(yīng)TRS 398號報告中表6.III，電子束對應(yīng)表7.III，在表中未羅列的射線質(zhì)，KQ,Q0值經(jīng)插值法求得。若實際使用的電離室型號不在TRS 277號或TRS 398號報告的表格里，則計算所需的所有參數(shù)均由廠家提供。

為了便于程序上的描述，現(xiàn)將劑量校準因子（calibration factors，CF）定義如下。

依據(jù)TRS 277號報告中高能X 線和電子線的校準規(guī)程，當(dāng)劑量儀校準證書中NX的單位為Gy/min 時：

1.2 程序設(shè)計思想與方法

該程序使用微信官方發(fā)布的微信開發(fā)者工具中的微信標記語言（WXML）和樣式語言（WXSS）設(shè)計用戶可視化操作界面，JavaScript 語言設(shè)計用戶與可視化界面的交互邏輯，實現(xiàn)一維、二維表的插值查詢算法，并依據(jù)TRS 277號和TRS 398號報告中的計算公式進行相關(guān)參數(shù)的計算，將最終計算結(jié)果反饋至可視化圖形界面。用戶只需在可視化圖形界面填入TRS 277號或TRS 398號報告中推薦的劑量計算所需的數(shù)據(jù)，即可自動計算CF值，可大大節(jié)省翻找表格的時間，實現(xiàn)用戶無需下載安裝程序，就能“觸手可及”的方便應(yīng)用。小程序計算流程見圖1。

圖1 小程序計算流程

2 結(jié)果

用戶進入微信小程序后，根據(jù)需求選擇使用TRS 277號或TRS 398號報告中校準規(guī)程，程序運行界面見圖2。以本單位Varian 23EX 醫(yī)用電子直線加速器6 MV 光子線和12 MeV電子線進行測試，測試結(jié)果見表1～5。測量設(shè)備：PTWUNIDOSwebline劑量儀器，量程單位為Gy/min；PTW30013 0.6cc 指型電離室，電離室敏感體積（空腔內(nèi)徑）為3.05 mm，室壁材料為聚甲基丙烯酸酯，中心收集電極為鋁材料，直徑（d）為1.1 mm，中心收集電極內(nèi)半徑（r）為3.05 mm，電離室的Katt×Km=0.972；經(jīng)三維水箱實際測量，12 MeV電子線的R50=4.962 cm，E0=11.56 MeV，中國計量科學(xué)研究院給定的照射量校準因子NX=103.9，ND,W=0.996。

圖2 基于TRS 277 號報告中校準規(guī)程的6 MV X 線CF 計算的操作界面和數(shù)據(jù)報告示意圖

2.1 靜電計和電離室極化效應(yīng)、復(fù)合效應(yīng)的校準

使用微信小程序計算靜電計修正因子Kelec、電離室的極化效應(yīng)修正因子Kpol和復(fù)合效應(yīng)修正因子Ks的值，校準所需用戶提供的參數(shù)及小程序計算結(jié)果見表1。

表1 靜電計和電離室極化效應(yīng)、復(fù)合效應(yīng)的校準情況

2.2 TRS 277號校準規(guī)程

進入微信小程序，選擇TRS 277號校準規(guī)程，輸入校準因子NX 的值，根據(jù)本單位的劑量儀、電離室型號，量程單位，程序采用公式（4）進行CF的計算。校準條件如下。（1）6 MV X 線：射野10×10，源皮距SSD=100 cm，校準深度為水下5 cm 處，計算結(jié)果見表2。（2）12 MeV 電子線：選用10×10的限光筒和標準鉛塊，源皮距SSD=100 cm，校準深度為水下2.5 cm，計算結(jié)果見表3。

表2 基于TRS 277號報告中校準規(guī)程的6 MV X 線CF 值計算結(jié)果

表3 基于TRS 277號報告中校準規(guī)程的12 MeV 電子線的CF 值計算結(jié)果

2.3 TRS 398號校準規(guī)程

進入微信小程序，選擇TRS 398號校準規(guī)程，輸入校準因子ND,W的值，程序采用公式（7）進行CF值的計算。校準條件如下：6 MV X 線，射野10×10，源皮距SSD=100 cm，校準深度為水下5 cm 處，計算結(jié)果見表4；12 MeV 電子線，選用10×10的限光筒和標準鉛塊，源皮距SSD=100 cm，校準深度為水下2.9 cm 處，計算結(jié)果見表5。

表4 基于TRS 398號報告中校準規(guī)程的6 MV X 線CF 值計算結(jié)果

表5 基于TRS 398號報告中校準規(guī)程的12 MeV 電子線CF 值計算結(jié)果

3 討論

《腫瘤放射物理學(xué)》[5]第三章中以及TRS 277號報告中對電離室的校準方法均有詳細的描述，其中，涉及大量用參數(shù)處理以及數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，采用人工計算方法不僅耗費時間且易出錯。彭永倫和郭洪濤[6]采用Excel 表格對TRS 277號報告中加速器輸出量檢定參數(shù)的計算進行了研究，提高了計算CF值的效率及準確性。但即使是同一廠家生產(chǎn)的相同型號、相同標稱電位的醫(yī)用電子直線加速器，PDD也會存在一定的差異，此時，便需要對每臺設(shè)備進行獨立測量計算，建立多套數(shù)據(jù)表格。謝朝等[7]運用面向?qū)ο蟮腜ython 程序開發(fā)了基于TRS 398號報告的絕對劑量校準軟件，該軟件需要在Windows 平臺下運行。目前，TRS 277號報告及TRS 398號報告推薦的方法在我國醫(yī)療機構(gòu)中均有使用，因此，本研究采用的微信開發(fā)者工具開發(fā)的微信小程序，適用于TRS 277和TRS 398兩種劑量標定規(guī)程，用戶可根據(jù)自己的需求選擇合適的校準規(guī)程，通過用戶可視化界面的簡單操作即可計算出所需測量深度處的校準因子，校準參數(shù)的數(shù)值可顯示在數(shù)據(jù)報告中，方便用戶核對各個修正因子的準確性。從測試結(jié)果看，基于TRS 277號報告中校準規(guī)程計算的6 MV X 線的CF值為1.1645，而基于TRS 398號報告中校準規(guī)程計算的CF值為1.1554，結(jié)果差異為（1.1645-1.1554）÷1.1554×100%≈0.788%，小于1%。但在劑量標定的實踐過程中，需注意射線輻射值、電離室的選擇以及探頭有效測量點的位置等參數(shù)。

在我們設(shè)計的微信小程序中，溫度氣壓KTP 因子被單獨列出，未合并計算到CF值中，主要考慮兩個因素：（1）用戶只要確定好測量的能量和測量設(shè)備，其他修正因子均不會改變，但對于溫度氣壓修正因子來說，每次劑量校準時溫度和氣壓均會有所不同，從而影響電離室內(nèi)空氣的質(zhì)量，KTP 因子便會隨之變化；（2）避免溫度、氣壓表出現(xiàn)故障，造成計算結(jié)果偏差，使用戶無法及時發(fā)現(xiàn)誤差來源，從而錯誤調(diào)整了標定劑量。

在實際測量時，還需考慮電離室的極化修正因子和復(fù)合修正因子這兩個參數(shù)，盡管其結(jié)果很接近于1，但很多物理師在劑量標定時易忽略這兩個因素的存在，因此，為了確保劑量標定結(jié)果的準確性，將這兩個參數(shù)也寫入了程序中，方便新入職的物理師進行規(guī)范學(xué)習(xí)和計算。但對于平行板電離室，不建議考慮極化修正因子，因為平行板電離室入射窗內(nèi)表面涂有導(dǎo)電涂層，極性電壓的改變將使入射窗口扭曲形變，損害導(dǎo)電涂層，對劑量測量的影響遠大于極性修正的影響。

總之，本程序取代了手工查表和插值計算CF值的過程，具備良好的可視化界面操作，簡化了吸收劑量校準因子的計算流程，避免了人工反復(fù)查表導(dǎo)致出錯的可能，大大提高了計算的效率和準確性。程序界面末端能顯示計算過程以及校準中各參數(shù)的查詢和插值結(jié)果，便于用戶檢查界面輸入框中填入數(shù)據(jù)以及插值結(jié)果的準確性，同時也有助于新入職的物理師理解和學(xué)習(xí)劑量儀與電離室的校準工作，對硬件要求低。