三种探头测量加速器小野输出因子的数据分析

殷旭君 张秋杭 侯东梅 党雅芳 尹硕宇 马媛媛 李晶晶 陈俊政 徐建堃*

随着放射治疗技术的不断发展与进步，调强放射治疗(intensity modulated radiotherapy，IMRT)、立体定向放射治疗(stereotactic radiotherapy，SRT)以及立体定向体部放射治疗(stereotactic body radiotherapy，SBRT)等技术所占比重越来越大，这些技术在常规医用直线加速器中通过调节多叶准直器(multi leaf collimator，MLC)或者附加不同限光筒(Cone)形成不同小照射野，然后控制照射时间达到精确调节肿瘤内射线强度的目的。这些小照射野的剂量学特性与常规照射野相比有很大不同，存在侧向电子不平衡，部分源遮挡效应等[1-2]。不同厂家生产的测量探头由于材料、密度及灵敏体积存在差异，使得小野数据测量结果各有不同，对小野数据测量的精度和准确度提出了更高的要求[3-4]。输出因子(output factor，OF)是医用直线加速器基础数据采集的重要部分，直接影响剂量计算的准确性。本研究以IBA CC13空气电离室作为大野输出因子的参考，分别分析Razor Chamber空气电离室、Razor Diode半导体探头和60019 micro Diamond宝石探头测量的小野输出因子数据，并根据现有文献资料引入输出因子的校准因子对测量数据修正。

1 设备与方法

1.1 测量设备

采用Elekta Synergy双能医用直线加速器(瑞典医科达公司)，Agility 160片MLC，光子线能量分别为6 MV和10 MV；IBA BluePhantom2三维水箱，CC13(IBA)空气电离室(比利时IBA公司)；Razor Chamber(IBA)空气电离室(比利时IBA公司)；Razor Diode(IBA)半导体探头(比利时IBA公司)；60019 micro Diamond(PTW)宝石探头(德国PTW公司)共4种探头，CC13空气电离室作为常规射野(≥4 cm×4 cm)测量探头，后3种探头作为小野输出因子测量使用。探头部分参数见表1。

表1 四种探头基本参数

1.2 测量条件

加速器机架和小机头0度，源皮距(source skin distance，SSD)为90 cm，选择6 MV和10 MV能量的X射线，每次测量100 MU，重复5次取均值。探头放置在水下10 cm深度，其中CC13和Razor Chamber探头的固定方向为长轴方向与射线轴方向垂直，Razor Diode探头和60019 micro Diamond探头的固定方向为探头的长轴方向与射线轴方向平行。每次更换探头后或者更换能量后使用水箱软件中心轴输出量(central axis output，CAX)校准功能，确保探头位置处于射野中心轴上。测量射野为1 cm×1 cm，2 cm×2 cm，3 cm×3 cm，4 cm×4 cm，5 cm×5 cm，10 cm×10 cm，CC13探头测量最小野到4 cm×4 cm。输出因子定义为各测量射野10 cm深度的吸收剂量与10 cm×10 cm参考射野同一深度吸收剂量的比值。射野定义为(SAD)源轴距(source axis distance，SAD)=100 cm处50%的等剂量线之间的宽度。

1.3 校准因子

为了解决不同探头在测量小野输出因子时遇到的问题，根据Alfonso[20]提出的输出因子校准因子概念，计算为公式1：

2 结果

2.1 三种探头校准前后的输出因子比较

对于6 MV能量，3种探头的输出因子最大相对偏差为2.3%，10 MV能量3种探头的输出因子最大相对偏差为2.1%。根据国际原子能机构(International Atomic Energy Agency，IAEA)TRS.483报告[6]给出的不同探头的输出因子校正因子对数据进行校正，并且根据报告中建议的转换方法将CC13探头测量的5 cm×5 cm(或4 cm×4 cm)射野数据作为“中间”射野，也就是将3种探头的数据再次归一到CC13探头测量的5 cm×5 cm射野上，以此将大野输出因子和小野输出因子对接。经校正后，3种探头所测量的数据有很好的一致性，相对偏差为6 MV≤0.3%，10 MV≤0.5%。3种探头校准前后的输出因子比较见表2。

表2中测量数据和校正后的数据对比显示，校正后Razor Diode探头、Razor Chamber探头和60019 micro Diamond探头在测量小野输出因子能够达到接近真实值。

2.2 三种探头输出因子按4 cm×4 cm归一后数据对比

60019 micro Diamond探头相比半导体探头有更好的角度响应和能量响应，其宝石材料相对水的质能吸收系数接近于常量，所以60019 micro Diamond探头在射野≥4 cm×4 cm时与CC13探头的测量数据有很好的一致性。然而60019 micro Diamond探头材料的密度约为3.53 g/cm3，在小野测量情况下由于探头内物质密度与水的不等效会有过反应使数据高估，同时由于60019 microDiamond的探头横向半径为1.1 mm，在极小野的情况下也会有一定的平均容积效应[17-19]。

表2 三种探头校准前后的输出因子比较

图1 三种探头测量的输出因子对比

图1所示各探头2 cm×2 cm以上射野测得的输出因子有很好的一致性，相对偏差6 MV＜0.4%，10 MV＜0.6%。差别主要在1 cm×1 cm射野，Razor Chamber探头由于平均容积效应低估了输出因子，Razor Diode和60019 micro_Diamond探头因为高密度物质影响高估了输出因子，但Razor Diode探头要优于60019 micro_Diamond探头。3种探头之间最大相对偏差来自Razor Chamber和60019 micro_Diamond探头，6 MV和10 MV分别为2.6%和2.5%。

3 讨论

射野输出因子是放射治疗计划系统计算模型建立的重要数据之一。Derreumaux等[5]报道了一起医疗事故，该事故导致法国一家医院145名患者在接受BrainLab Novalis设备治疗时受到了200%处方剂量过量照射。事故原因正是由于物理技术人员使用不合适的探头测量而得到了错误的小野输出因子。随后事故处理工作组对拥有Novalis产品的15家医院的调查显示，计划系统中小野输出因子测量偏差达到惊人的50%。目前，各级医院配备的测量探头种类各异，不同探头在使用过程中需要考虑其适用范围，当测量小野输出因子时应该根据所选探头类型对其进行必要的修正。

小野的定义：射野足够小，射束中心轴上侧向电子平衡丢失；存在部分源遮挡效应；测量探头的尺寸超过了射野大小或与其接近[1]。通常射野≥4 cm×4 cm时认为是常规射野，当射野≤3 cm×3 cm时认为是小野。Charles等[7]通过计算认为，6 MV光子射线当射野≤1.2 cm×1.2 cm时侧向电子不平衡效应最大，射野尺寸偏差1 mm或者探头位置偏差1 mm时输出因子的测量误差将＞1%，最多高达20%。当照射野很小时，由于铅门和MLC或者Cone等的影响，挡住了绝大部分机头内部的低能散射线，从而改变了射线能谱的变化使得射束平均能量变高[8]。这也意味着次级电子的射程变长，当次级电子的射程接近或者超过射野大小时侧向电子平衡将不再存在[1-2，9]。

侧向电子不平衡效应和部分源遮挡效应使得射线在水中的剂量梯度急剧变大，射线离轴曲线分布不再有剂量平坦区而呈现出“尖峰”形状，测量探头的尺寸和体积将会对测量造成影响，过大体积的探头会测量周围的低剂量区从而低估小野的测量值，这种现象被称为“平均容积效应”[4，10-11]。

Scott等[12]发现，除了平均容积效应以外，探头构成材料与水的密度不等效也会对小野的测量数据带来干扰，这些材料不限于探头灵敏体积内，也包括探头的封装材料、中心收集极等。根据以往经验，半导体探头在测量大野数据时因为硅和水的质能吸收系数不一致，对低能量射线(keV)存在过反应通常会高估测量数据[13-14]。而在小野情况下大量的低能散射线已经被铅门、MLC或者Cone阻挡掉，所以该效应在小野情况下不明显。半导体主要材料硅的密度约为2.3 g/cm3，多个研究表明Razor Diode(无屏蔽材料)这一类探头在测量小野数据时因探头物质材料密度与水不等效而造成数据的高估[10，12-13，15-16]。Chalkley等[14]发现，当半导体探头按照常规输出因子计算方法归一到10 cm×10 cm射野以后会低估输出因子的数值。这与此次Razor Diode探头测量的结果基本一致，原因就是在测量10 cm×10 cm射野时由于半导体对低能量射线过反应测量数值偏大，分母变大分子相应则变小。Poppinga等[9]建议，将小野的输出因子归一到4 cm×4 cm，有助于缩小误差，更能体现不同探头在小野状态下的真实反应。

目前，获得输出因子校正因子的主要方法有两种：①基于实验的测量数据，利用认为是完全水等效的有机闪烁体探头，如FOD(Royal Prince Alfred Hospital，Sydney)和Exradin W1(Standard Imaging)，或者慢感光胶片等进行测量获得校正因子[9-11，18]；②通过蒙卡算法模拟计算获得校正因子[2，21-24]。IAEA在2017年发布的TRS.483报告[6]中将之前学者已发表文献中的校正因子进行了归一和整理，给出了不同放射治疗设备，以及常用测量探头的校准因子建议值。实际临床应用中可以查表获得相应的校准因子，但需特别注意这些校准因子的测量条件，如射野大小，源皮距等。

在小野输出因子数据采集实践中，还有其他一些因素需要特别注意：如探头的方向，对于CC13以及Razor Chamber这一类空气电离室建议采集中探头长轴方向与射束中心轴垂直，以避免线缆或探头其他部件进入照射野，引起不必要的测量误差[16]。半导体探头和宝石探头则应该使探头长轴方向与射束中心轴平行。在放置探头时应该使探头位置处于照射野中心。如果三维水箱无相应的自动校准功能，可以在测量深度上扫描X方向和Y方向两条离轴曲线，根据水箱软件给出的中心偏差手动调整探头位置。不同的探头在测量之前需要一定预照射，在探头充分预热后再开始测量。此外，测量小野输出因子必须至少有两种探头，交叉对比数据以获得更高的可信度。一般情况下建议选用CC13这类空气电离室作为标准测量探头，并测量最小野到4 cm×4 cm，并将5 cm×5 cm(或4 cm×4 cm)作为“中间”射野与小野探头测量得到的输出因子做归一对接，从而得到完整的射野输出因子数据。

4 结论

通过临床实际测量数据，本研究比较了Razor Chamber探头、Razor Diode探头和60019 micro Diamond探头在测量小野输出因子时的不同表现，并分析了不同探头之间测量偏差的来源。平均容积效应和探头内密度的不同是造成测量相对偏差的主要因素。对于Razor Diode半导体探头，选择常规10 cm×10 cm参考野进行归一会放大半导体能量过反应这一因素带来的误差。各小野输出因子在经过IAEA TRS.483报告[6]推荐的校准因子修正后取得了较好的一致性。