EDR2胶片对扫描质子碳离子束的能量响应研究

孙威，李永强

1.上海市质子重离子医院 放射物理科，上海 201321；2.上海市放射肿瘤学重点实验室，上海 201321 3.上海质子重离子放射治疗工程技术研究中心，上海 201321

引言

与常规光子治疗相比，质子重离子在国际上被广泛应用于肿瘤放射治疗[1-2]。束流传输采用主动式点扫描，是一种新型的治疗方式[3]，该方式主要通过电子计算机将靶区垂直于束流入射方向模拟分层，再控制束流进行逐点逐层扫描，以提高射线照射的准确性和治疗效果[4]，其剂量验证是临床质量保证工作的一个重要环节。剂量验证一般采用点剂量测量和面剂量分布测量。胶片因其优良的剂量学特性和空间分辨率而被广泛应用[5-6]，常作为放疗质量验证、质量控制工具。若采用胶片测量绝对剂量，其分析的可靠性很大程度上依赖于外部因素的稳定性及校准胶片扫描仪的精确性等，同时也受射线能量的影响。与EBT3、X-Omat V 等胶片相比[7]，EDR2胶片具有广泛的剂量响应，在光子应用中，可测量剂量高达7 Gy。目前针对EDR2 胶片的质子重离子能量响应的研究较少[8]，本研究将进一步探讨EDR2 胶片对不同能量的质子重离子的剂量响应，为计划验证和质量控制提供相应的参考数据。

1 材料与方法

1.1 胶片的辐照和剂量测量

将胶片固定在RW3 胶片支架上进行照射（图1），胶片在束流方向覆盖7 mm 聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate，PMMA）固体水，每张胶片接受同一能量、9 个不同剂量、扫描范围为5.0 cm×5.0 cm 的质子或碳离子束垂直均匀照射，9 个不同剂量在同一物理计划中执行（图2a）。本研究使用的EDR2 胶片均为同一批次，减少因胶片涂层厚度不同而引起的偏差。

图1 胶片照射和剂量测量示意图

图2 EDR2胶片同一能量的质子（或碳离子）不同剂量照射野分布示意图（a）和柯达标准灰梯度胶片（b）

在剂量测量中，相应剂量的射野大小、粒子数、覆盖PMMA 的厚度与胶片辐照对应的条件一致，每种剂量对应的物理计划单独执行，射野中心设定在治疗中心处。绝对剂量使用标准电离室PTW TM30013 测量，该电离室在水中的吸收剂量刻度因子已通过德国计量认证联盟的PTW 剂量学实验室校准。根据电离室所测读数和国际原子能机构TRS 398 号报告[9]，在治疗室束流等中心处的固体水电离室支架上进行绝对剂量测量。剂量测量点在射束中心轴上（图1），在不放置胶片的情况下，使探测器截面垂直于中心轴，将9 个不同剂量照射野（共9 个物理计划）中心分别调至测量点处，将灵敏区面积置于照射野范围内，每个物理计划（相同剂量）重复照射3 次，取测量读数平均值。

1.2 辐照EDR2胶片的数据分析程序

1.2.1 胶片扫描仪校准

在扫描EDR2 胶片之前对胶片扫描仪进行校准，以获取准确的扫描数据。用胶片扫描仪扫描柯达标准灰梯度胶片（图2b），该胶片不同灰度区域内的净光度（Optical Density，OD）值均为已知，称为标称净光度。扫描该标准胶片后，采用Image J 软件，在对应已知标称净光度处选取大小为2.0 cm×2.0 cm 的区域，求得该区域的像素值，并转换为OD 值。根据已知标称净光度和获取的OD 值，采用最小二乘法拟合数据，得出标称净光度与扫描仪获得的OD 值之间的关系。

1.2.2 胶片的OD值校准

照射完成后，EDR2 胶片在20 min 内利用洗片机（Carestream 公司的Dosimetry Pro，美国）完成冲洗。冲洗所用的显影液与定影液由KODAK X-OMAT EX II 显影液原液与KODAK RP X-OMAT 定影液原液加蒸馏水各定容至20 L 充分搅拌配制而成。冲洗时显影液与定影液温度设置为28℃，每张胶片的冲洗时间为105 s。之后使用胶片扫描仪（VIDAR 公司的DosimetryPRO Advantage，美国）扫描，扫描的分辨率为72 dpi，扫描图片储存为48 位TIFF 文件。通过软件Image J 提取胶片红色通道数据（像素）[10]，并转成OD。本研究仅用胶片扫描后的红光通道数据进行校准，每个校准野选取中心处固定区域（约1.0 cm × 1.0 cm），平均OD 值代表该区域OD 值。由胶片的像素灰度值计算得到OD 值，胶片OD 值的计算方式如公式（1）所示[11]。

式中，PV0、PV1分别为未曝光、曝光的像素灰度值。

OD 随剂量的变化趋势为剂量响应函数，剂量响应函数并不是一个线性函数[12]。由于EDR2 胶片校准曲线在剂量范围（0～5.0 Gy）区间的剂量响应呈线性关系[13]，因此以该剂量区域的直线型剂量响应为研究对象，直线的斜率为剂量响应因子（Dose Response Factor，DRF）。获取不同能量质子重离子的DRF 采取相同方法，不同能量的DRF 体现出EDR2 胶片对质子重离子的能量响应情况。

2 结果

2.1 胶片扫描仪校准

标准灰梯度胶片扫描后，采用Image J 获取像素值。将像素转化为OD，建立OD 和标称净光度的对应关系（图3）。曲线表示OD 与未照射区域的像素/照射区域（已知标称净光度区域）比值之间的关系。采用最小二乘法，建立标称净光度和OD 拟合关系，拟合相关系数R2为0.999（R2的大小反应拟合程度，理想值为1），标准灰梯度胶片标称净光度与扫描仪所得OD 之间具有较好的线性关系。

图3 OD与标称净光度的对应关系

2.2 碳离子和质子辐照的DRF

同一能量的质子（碳离子）经过不同剂量照射后冲洗、扫描，并采用Image J 获取像素，计算出OD 后，得到剂量与OD 的关系。如图4 所示，随着剂量的增加，OD 逐渐趋于饱和状态。以能量为218.56 MeV（能量ID：290）的质子和424.89 MeV/u（能量ID：290）的碳离子为例，当剂量大于4 Gy 时，剂量与OD 为二次函数关系，OD 逐渐趋于饱和；当剂量小于4 Gy 时，EDR2 胶片的OD 与剂量呈线性变化趋势。直线的斜率为DRF，单位为OD/Gy。剂量大于4 Gy 时，质子DRF随剂量的增加而减小，而碳离子DRF 随剂量的增加而增大。本研究选取线性部分进行分析，从线性部分拟合结果可以看出（图4），选择的拟合公式合理，碳离子拟合相关系数R2为0.996，质子拟合相关系数R2为0.9993。

图4 EDR2胶片剂量响应函数

2.3 EDR2胶片能量响应曲线

将DRF 归一到最大能量对应的DRF，为N_DRF（表 1）。EDR2 胶片在11 种能量的质子和碳离子下的能量响应曲线如图5 所示，能量响应曲线采取多项式曲线拟合，质子重离子的能量响应趋势一致。随着能量增大，DRF 增大，说明EDR2 胶片DRF 依赖于质子重离子能量。对于碳离子的最高能量（424.89 MeV/u）和最低能量（97.87 MeV/u），DRF值分别为0.25 OD/Gy和0.11 OD/Gy，能量响应曲线多项式拟合相关系数R2为0.9995；对于质子最高能量（218.56 MeV）和最低能量（53.04 MeV），DRF值分别为0.52 OD/Gy和0.40 OD/Gy，能量响应曲线多项式拟合相关系数R2为0.9981。结果表明EDR2胶片的DRF对碳离子的能量响应更敏感。

表1 11种能量的质子和碳离子照射EDR2胶片对应的DRF

图5 EDR2胶片在11种能量的质子和碳离子下对应的能量响应曲线图

3 讨论

仅在合适的校准后，胶片可用于测定相对或绝对剂量，但在实际情况下，由于不同批次的胶片乳胶涂层存在差异，OD 很难完全一致。即使是同一批次胶片，受冲洗条件、胶片扫描机的状态等因素影响，胶片剂量测量也存在差异。本研究使用的EDR2 胶片为同一批次，减少了OD 因乳胶涂层厚度变化而产生的偏差，且对冲洗过程中使用的设备进行日常质量控制，减少了胶片冲洗过程对OD 值的影响。

Yonai 等[14]对于EBT3 和EBT-XD 胶片的研究显示，胶片对于碳离子束的相对效率（Relative Efficiency，RE），即胶片在某一射线照射下得到某一OD 所需剂量与在标准射线（如60Co 射线）照射下得到相同OD 所需剂量的比值，与射线的传能线密度（Linear Energy Transfer，LET）成反比。王巍伟等[15]研究显示，受相同剂量照射时，EDR2 胶片的OD 与碳离子的LET 成反比。Smith 等[16]对于EBT3 胶片对质子的响应研究表明，随着质子剂量平均LET 的增加，胶片的RE 呈下降趋势。以上研究均表明，对于质子碳离子束，胶片的响应与射线的LET 呈负相关。由描述带电粒子在介质中能量损失机制的Bethe-Bloch 理论[17]可知，LET 反比于入射粒子速度的平方，而入射粒子速度的平方则正比于粒子的能量，即粒子的能量越高，其LET 越低。本研究证实，对于碳离子照射，EDR2 胶片的DRF 随着能量的增加而增加，因为能量越高，LET 越低，胶片的响应越明显，这与王巍伟等[15]的研究结论一致。

胶片剂量学中的一个关键参数是DRF，该参数表示OD 和剂量间的函数关系。从本研究可以看出，OD 和剂量的函数关系受能量影响较大。由于常规分割单个质子碳离子束流通常物理剂量较低（＜1.0 Gy），在常规分割质子重离子放疗中，胶片的OD 与剂量呈线性关系，胶片的剂量能量响应曲线可用于不同能量的质子碳离子剂量验证。获得质子重离子能量后，按照曲线公式计算对应的DRF，获取剂量在4 Gy 以下的剂量值。当对胶片能量响应校准后，EDR2 胶片可适用于不同能量质子碳离子的测量。

综上所述，使用EDR2 胶片测量碳离子和质子剂量，可得EDR2 胶片对能量依赖性显著，且DRF 随着能量的增加而增加。使用胶片测量不同能量质子和碳离子剂量时，需校准能量响应，以减小测量误差。