6 MV光子束有无均整器的剂量学特性研究

曾华驱，黄炽雄，钟敏之

传统的医用直线加速器治疗机头均安装均整器，用来降低MeV 级别射束的中心强度，使离轴剂量分布变得平坦，在没有治疗计划系统的年代，这样可以让手工计算机器监测跳数（monitor unit，MU）变得很容易。但现代的治疗计划系统已经可以将锥形射束不同深度的剂量精确计算。为了增加剂量率、缩短治疗时间、便于临床上体部立体定向放射治疗技术和呼吸门控技术的实现，现在很多直线加速器在提供均整器（flattening filter，FF）光子束模式的基础上还提供了去掉均整器（flattening filter free，FFF）模式。在FFF 模式时只用一个大约0.8 mm 的薄箔片取代锥形均整器[1]（图1），箔片的作用是进一步吸收低能量电子和光子，以免它们到达病人身上提高不必要的皮肤剂量[2]。一些学者使用蒙特卡洛方法模拟了FFF 射束的剂量特性[3～5]，发现FFF 射束是一个不平坦、尖峰型射束，其剂量学特性与FF 有很大不同，FFF 后改变了原平坦射束的物理特性，使得射束剂量率显著增加，射束谱软化，减少了机头的散射，以及降低了机头中子和光子射线的漏射。临床上使用FFF 射束进行治疗计划设计必须对其剂量学特性有充分的了解。笔者在此研究瓦里安Trilogy 直线加速器6 MV 光子束在FFF（用6X FFF 表示）后的剂量学特性，并与有FF（用6X FF 表示）比较，为临床使用提供依据。

1 资料与方法

1.1 试验资料

瓦里安Trilogy 医用直线加速器，6X 配置了FF和FFF 两种模式，其中FF 和FFF 最高剂量率可达600 MU/min 和1 400 MU/min。数据采集使用体积为50 cm×50 cm×40 cm 德国PTW MP3-M 三维水箱扫描系统，灵敏体积为0.125 cm3Semiflex 31010 半柔型电离室，UNDOS E 型静电计。数据后处理采用PTW’S MEPHYSTO mc2软件，以获得6X FF 和6X FFF 的剂量学特性。

1.2 方法

1.2.1 百分深度剂量测量

数据采集时固定源到模体表面距离 （source to surface distance，SSD）=100 cm，照射野边长分别为3、4、6、8、10、12、15、20、25、30、35、40 cm，共12 个正方形野。水箱采用Step By Step 模式测量，测量方向为从深部往表面扫描，测量深度不少于30 cm，以最大剂量值归一。测量百分深度剂量（percentage depth dose，PDD）。

1.2.2 离轴剂量分布测量

照射野大小同PDD，固定SSD=100 cm，分别在最大剂量深度（dmax）、5 cm、10 cm、20 cm 和30 cm 深度处测量每个射野横向的离轴剂量分布 （cross-Profile），扫描范围大于每侧射野边界至少5 cm。

1.2.3 总输出因子Scp

照射野大小同PDD，固定SSD = 100 cm，电离室有效测量点在深度5 cm 处测量，出束100 MU，以10 cm×10 cm 射野进行归一。

2 结果

2.1 百分深度剂量

6X FF 和6X FFF 在不同射野，随着射野增大，两者的PDD 差别有增大的趋势（图2）。6X FF 和6X FFF 的表面相对剂量和PDD20/PDD10随射野的变化而变化，对于表面相对剂量，在射野小于30 cm×30 cm时，6X FFF 比6X FF 的大，小于5 cm×5 cm 时两者差异达到10%，随着射野大于30 cm×30 cm，两者差异减小并趋向一致（图3）。6X FFF 的PDD20/PDD10比6X FF 的低，随射野增大，两者的PDD20/ PDD10相差增大，在3 cm×30 cm 时相差0.027，在40 cm×40 cm时相差0.049。对于dmax在射野小于15 cm × 15 cm时，6X FFF 相对6X FF 变浅，但相差不大；6X FFF 的dmax随射野增大没变化，而6X FF 的dmax随射野增大有变浅的趋势（表1）。

表1 6X FF 与6X FFF 的深度剂量曲线参数比较Tab.1 Comparison of depth dose curve parameters between 6X FF and 6X FFF

2.2 离轴剂量分布

6X FF 和6X FFF 在不同射野、不同深度的Profile 曲线（图4）可以看出，6X FFF 的剂量分布不同于传统的6X FF，而是呈现中间高、两边低的尖峰型。对于3 cm×3 cm 射野，6X FF 与6X FFF 的Profile 形状大致相同，6X FFF profile 形状随深度变化不显著，而6X FF profile 形状随深度变化明显。随着射野增大，6X FFF 不平坦情况变得更加突出。6X FFF 在射野外的剂量下降更快。6X FFF 和6X FF 在不同射野、不同深度的几何野外4 cm 和2 cm 相对剂量差异结果（表2）可以看出，6X FFF 射野外相对剂量比6X FF 的低，随着射野增大，射野外剂量低的优势越明显，但随着深度增加其变化没有明显规律。

表2 6X FFF 和6X FF 不同射野、不同深度的几何野外4 cm 和2 cm 相对剂量差异比较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 总输出因子Scp

6X FF 和6X FFF 的Scp随射野的变化逐渐增大（图5），射野小于10 cm×10 cm 时，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，射野时两者的Scp分别为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，两者差异随射野增大逐渐减少，差异并不明显；随着射野增大（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时两者的Scp分别为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，随着射野增大两者差异增大。6X FFF 的Scp随着射野的变化没有像6X FF 那样显著。

3 讨论

医科达公司为了使FFF 模式的PDD 与FF 的在10 cm 深度以下达到一致，有意提高了电子束撞击X射线靶前的能量；而瓦里安公司的则不同，两者使用相同能量的电子束撞击X 射线靶，结果导致剂量输出提高，但降低了射线的穿透力[6]。从PDD 曲线图可以看出，在dmax之后，6X FFF 的PDD 比6X FF 的要低，这是由于FFF 模式后射束硬化效应损失的结果。笔者研究以表面下1 mm 的PDD 定义为表面相对剂量，是因为深度为零时剂量测量不准确，特别对于不同的测量探头所带来的误差较大，6X FFF 的表面相对剂量比6X FF 的要高，这是因为FFF 后导致射束软化，减少了来自FF 模式的散射和电子污染；但低能量光子引起了表面剂量的增高，综合起来导致6X FFF 的表面相对剂量偏高[7]；但6X FFF 的表面相对剂量随射野增大而缓慢增加，而6X FF 的则要快速得多，所以在大照射野时，如大于30 cm×30 cm，6X FFF 的皮肤相对剂量可能比6X FF 的更低。FFF 模式射束主要应用在立体定向放射治疗，小照射野时6X FFF 的皮肤表面相对剂量都较高，在临床实践如放射治疗计划设计时要引起注意。6X FFF 的PDD20/PDD10比6X FF 的低，实际上两种模式情况下电子束撞击X射线靶后产生的光子射束能量谱是相同的，两者的差异是由于FF 模式射束均整器的存在导致了更大的射束硬化效应[8]。FFF 模式射束的小机头散射与FF 模式射束有很大不同，是因为FF 模式是小机头散射的主要来源[9]，而总输出因子由准直器散射因子和模体散射因子组成，由于去掉了FF，所以6X FFF 的总输出因子随射野的变化并没有像6X FF 那样显著。FFF模式射束的离轴剂量分布与FF 模式的有很大不同，一些学者提出了一些新的参数定义FFF 模式射束的离轴剂量分布特性，包括不平坦度、半影、斜率、峰值点、射野大小等[10，11]。笔者研究发现，6X FFF 的离轴剂量分布随深度变化没有像6X FF 那样显著，6X FF 的随深度变化较大主要是因为FF 模式的存在，导致其离轴剂量分布上边缘和中间不同程度的射束硬化，而这不会发生在6X FFF 射束身上。6X FFF 的射野外剂量比6X FF 的低，剂量跌落更加陡峭，且下降量随射野增大而增加，这是由于小机头漏射、准直器散射和电子污染的大大减少；但是由于去掉了均整器，减少了射束的硬化，软射束的存在使得病人的散射并没有减少[12]。射野外剂量的减少，使得6X FFF 模式射束用于放射治疗计划可以减少正常组织的受照射剂量[13～15]，特别用于立体定向放射治疗技术，因为小机头漏射对这种技术影响非常大[16]。赵红福等[17]利用6X FF 和6X FFF 对脑转移癌分次立体定向放射治疗的剂量学研究表明，6X FFF 和6X FF 两种能量模式的计划在靶区适形度和均匀性相似，但6X FFF 的靶区外剂量跌落更快，有利于保护正常脑组织，但由于受叶片运动速度和机架旋转速度的影响，FFF 模式不能提高分次立体定向放射治疗效率。魏鹏等[18]和吴思华等[19]对非小细胞肺癌在有无均整器模式下对计划质量和执行效率的研究表明，FFF 模式在满足靶区剂量的同时能显著降低正常组织的剂量和显著缩短出束时间，有更高的治疗效率。杨东明等[20]利用FFF 模式对直肠癌术前设计了容积弧形调强和固定野调强进行比较发现，在FFF 模式下，容积弧形调强在靶区适形度和均匀度方面优于固定野调强，但固定野调强的危及器官受照射剂量更低。

笔者研究对瓦里安Trilogy 直线加速器去掉均整器后的射束特性进行了分析，将来仍需要进一步深入研究FFF 模式射束小野的剂量学，以及利用FFF 模式射束在高剂量率下实施立体定向放射治疗的安全性[21]，充分利用FFF 模式射束的剂量学优势，应用于临床。