樸俊杰 徐壽平 段學(xué)章 曲寶林 徐慧軍 王 佳 丁俊強(qiáng) 王東方

射波刀系統(tǒng)射野輸出因子測(cè)量及對(duì)比*

樸俊杰①②徐壽平①*段學(xué)章②曲寶林①徐慧軍②王 佳②丁俊強(qiáng)②王東方②

目的：通過實(shí)際測(cè)量和計(jì)算機(jī)模擬等方法得到射波刀(CyberKnife)各準(zhǔn)直器的輸出因子，對(duì)比分析各方法的結(jié)果，從而得到準(zhǔn)確的輸出因子。方法：采用蒙特卡羅模擬、半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)量(PTW 60017、PTW 60016)、電離室探測(cè)器測(cè)量(PTW 31010)和熱釋光探測(cè)器測(cè)量(?1.5 mm、離散度1%)等方法，在相同的參考條件下，源軸距800 mm以及深度15 mm(SAD=800 mm，Depth=15 mm)，得到相應(yīng)的輸出因子。結(jié)果：在射野較大(≥25 mm)時(shí)，各種方法的輸出因子差異不大，但是在射野較小(≤20 mm)時(shí)，各方法之間的差異較大，尤其是在最小射野(5 mm)的情況下，熱釋光探測(cè)器測(cè)量以及蒙特卡羅模擬結(jié)果略低于半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)量，最大誤差分別為13%和7%，而電離室探測(cè)器測(cè)量誤差高達(dá)37%。結(jié)論：輸出因子可以通過多種方式獲得，而半導(dǎo)體探測(cè)器相對(duì)于其他探測(cè)器，具有更好的靈敏度和穩(wěn)定性，便于在臨床應(yīng)用中展開，因此可采用半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)量和熱釋光探測(cè)器測(cè)量的方式測(cè)量射波刀系統(tǒng)的射野輸出因子。

射波刀；輸出因子；蒙特卡羅；小射野

射波刀(CyberKnife)系統(tǒng)是全新的立體定向放射治療設(shè)備，擁有12個(gè)孔徑大小不同的圓形準(zhǔn)直器，最小孔徑為5 mm，最大孔徑為60 mm[1-2]。由于小射野的大量應(yīng)用提高了靶區(qū)的適形性，但是也增加了保證劑量準(zhǔn)確性的難度[3]。因此，射野輸出因子的準(zhǔn)確性對(duì)患者的精確治療尤為重要。

輸出因子可以通過多種方式獲得，如通過水箱測(cè)量(半導(dǎo)體探測(cè)器或電離室探測(cè)器)、固體水測(cè)量(熱釋光探測(cè)器)以及計(jì)算機(jī)模擬測(cè)量(蒙特卡羅模擬)[4]。但是每種方式都有其優(yōu)勢(shì)與局限性，因此，如何才能準(zhǔn)確有效得到射波刀的輸出因子，尤其是小射野的輸出因子，成為研究的難題。本研究旨在通過多方法研究得到輸出因子，對(duì)比其差異性，并分析導(dǎo)致誤差的原因，從而為臨床劑量學(xué)測(cè)量提供小射野輸出因子測(cè)量的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 蒙特卡羅模擬方法

基于BEAM程序建立射波刀的蒙特卡羅模型，并模擬一個(gè)均勻的水模體，根據(jù)輸出因子的測(cè)量條件，源軸距800 mm以及深度15 mm(SAD=800 mm，Depth=15 mm)，分別讀取水模體中相應(yīng)位置的讀數(shù)，以60 mm準(zhǔn)直器的讀數(shù)為準(zhǔn)，從而得到每個(gè)準(zhǔn)直器的輸出因子(如圖1所示)[5-6]。

圖1 蒙特卡羅模型

1.2 半導(dǎo)體探測(cè)器

采用半導(dǎo)體探測(cè)器[7](PTW 60017和PTW 60016)測(cè)量時(shí)，應(yīng)用三維水箱(PTW-MP3)測(cè)量，將半導(dǎo)體探測(cè)器垂直放置于照射野的中心，根據(jù)輸出因子測(cè)量條件(SAD=800 mm，Depth=15 mm)，調(diào)整探測(cè)器位置，連接好靜電計(jì)(PTW UNIDOS)，分別輸出100 MU共3次，讀取不同尺寸準(zhǔn)直器的相應(yīng)平均讀數(shù)，得到其相應(yīng)的輸出因子(如圖2所示)。

圖2 半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)量方法示意圖

1.3 電離室探測(cè)器

采用電離室探測(cè)器[8](PTW 31010)時(shí)，應(yīng)用水箱測(cè)量，將電離室探測(cè)器水平放置于照射野的中心，根據(jù)輸出因子測(cè)量條件(SAD=800 mm，Depth=15 mm)，調(diào)整探測(cè)器位置(由于靈敏體積，還要下降0.6 r)，連接好靜電計(jì)(PTW UNIDOS)，分別輸出100 MU共3次，讀取不同尺寸準(zhǔn)直器的相應(yīng)平均讀數(shù)，得到其相應(yīng)的輸出因子(如圖3所示)。

圖3 電離室探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 熱釋光探測(cè)器

采用熱釋光探測(cè)器(?1.5 mm、離散度1%)時(shí)，由于不具有防水性，不能直接放置于水中，故應(yīng)用固體水模體測(cè)量[9]。將熱釋光探測(cè)器放置于照射野的中心，每次放置3～5片，根據(jù)輸出因子測(cè)量條件(SAD=800 mm，Depth=15 mm)，調(diào)整探測(cè)器位置，分別輸出100 MU，然后通過讀數(shù)計(jì)分別讀取每片的數(shù)值，取平均值，得到相應(yīng)的輸出因子(如圖4所示)。

表1 各準(zhǔn)直器輸出因子

圖4 熱釋光探測(cè)器測(cè)量方法示意圖

2 結(jié)果

以60 mm準(zhǔn)直器的讀數(shù)為基準(zhǔn)，得到其他準(zhǔn)直器的輸出因子。以上各方法所得輸出因子見表1，并得到圖5所示輸出因子對(duì)比圖。在射野較大(≥25 mm)時(shí)幾個(gè)方法的輸出因子差異不大；但是在射野較小(≤20 mm)時(shí)各方法之間的差異較大，尤其是在最小射野(5 mm)的情況下，熱釋光以及蒙特卡羅模擬結(jié)果略低于半導(dǎo)體，最大誤差分別為13%和7%，而電離室與半導(dǎo)體的誤差高達(dá)37%。

圖5 各方法測(cè)量所得的輸出因子示圖

3 討論

Laura等[10]進(jìn)行了一個(gè)多中心的研究，利用半導(dǎo)體探測(cè)器(PTW 600019)和塑料閃爍探測(cè)器(W1)分別測(cè)得射波刀的12個(gè)準(zhǔn)直器的輸出因子，并與蒙特卡羅修正的輸出因子進(jìn)行比對(duì)，兩種探測(cè)器所得結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的蒙特卡羅修正的結(jié)果誤差在1.5%以內(nèi)；Senerella等[11]利用最新的半導(dǎo)體探測(cè)器(PTW 600019)測(cè)量射波刀兩套準(zhǔn)直器的輸出因子(固定準(zhǔn)直器Fixed與可變準(zhǔn)直器Iris)，與蒙特卡羅修正的輸出因子比對(duì)，固定準(zhǔn)直器(Fixed)的誤差在0.6%以內(nèi)，可變準(zhǔn)直器的誤差在1%以內(nèi)。陳上河等[12]應(yīng)用BEAM建立射波刀模型，所得輸出因子與實(shí)際測(cè)量相差在2%以內(nèi)，但是未模擬出所有準(zhǔn)直器大小，尤其是小射野的模型。

蒙特卡羅模擬的優(yōu)點(diǎn)是能夠逼真地描述具有隨機(jī)性質(zhì)的事物的特點(diǎn)及物理實(shí)驗(yàn)過程[13]；缺點(diǎn)是收斂慢，準(zhǔn)確性依賴于數(shù)據(jù)量的樣本數(shù)，也就是粒子數(shù)，但是粒子數(shù)的增加又會(huì)提高運(yùn)算時(shí)間，誤差具有概率性，且建模階段的準(zhǔn)確性要求高，直接影響后續(xù)的準(zhǔn)確性。

半導(dǎo)體探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是具有良好的靈敏度，極佳的位置分辨率，很高的能量分辨率，能量線性好，響應(yīng)時(shí)間快，體積小，抗磁場(chǎng)性能好[14]；缺點(diǎn)是對(duì)輻射損傷比較敏感，輻射損傷與輻射種類、劑量率、照射時(shí)間和條件有關(guān)，受強(qiáng)輻射后性能變差。

電離室探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好，響應(yīng)時(shí)間快[15]；缺點(diǎn)是吸收效率低，且具有一定的靈敏體積，本研究所采用PTW 31010電離室探測(cè)器，具有0.125 cc靈敏體積，當(dāng)射野較小時(shí)難以涵蓋全部靈敏體積，故無法達(dá)到電子平衡，因此導(dǎo)致其讀數(shù)不準(zhǔn)。

熱釋光探測(cè)器能量響應(yīng)好，靈敏度高，但抗干擾能力較差，在測(cè)量中容易引入本底及退火情況等干擾，且測(cè)量時(shí)的擺位等容易產(chǎn)生誤差，熱釋光片直徑?1.5 mm，測(cè)量時(shí)要放置在射野中心，尤其是小射野時(shí)，中心與邊緣的讀數(shù)差距較大[16]。此外，對(duì)讀片機(jī)的準(zhǔn)確性要求很高，當(dāng)超量程時(shí)，可采用濾片。

輸出因子可以通過多種方式獲得，但每種方法都有其優(yōu)勢(shì)與局限性，通過以上幾種方法得到的數(shù)據(jù)來看，半導(dǎo)體探測(cè)器相對(duì)于其他探測(cè)器而言，具有更好的靈敏度以及穩(wěn)定性，并且便于實(shí)際臨床應(yīng)用中的展開，因此建議采用以半導(dǎo)體為主、熱釋光等多種測(cè)量手段為輔的模式進(jìn)行臨床比對(duì)參考。

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Measurement and comparison of output factors of the radiation field for CyberKnife system/

PIAO Jun-jie, XU Shou-ping, DUAN Xue-zhang, et al//
China Medical Equipment, 2017,14(8):17-20.

Objective: To study the output factors of various collimators of CyberKnife system through actual measurement and computer simulation, and to compare and analyze the results of various method so as to obtain the accurate output factors. Methods: In this study, series of tools and methods including Monte Carlo simulation (BEAMnrc), semiconductors (PTW 60017, PTW 60016), ionization chamber (PTW 31010) and thermoluminescence (?1.5mm, 1% of dispersion) were adopted. Under the same reference conditions, the corresponding output factors of radiation field were obtained when the source axis distance was 800mm and the depth was 15mm (SAD=800 mm, Depth=15 mm). Results: When the range of radiation field was relatively larger (≥25 mm), the difference of output factors among various methods were not obviously, but there were obvious differences among these methods when the range of radiation field was relatively smaller (≤20 mm). Especially under the minimum range of radiation field (5mm), the results of adopting thermoluminescence and Monte Carlo simulation (BEAMnrc) were slightly lower than that of using semiconductors, and in this time, the maximum errors of them were 13% and 7%, respectively. And the error of using ionization chamber has achieved 37%.Conclusion: The output factors could be obtained from various methods, while the semiconductor detector has better sensitivity and stability than other detectors, and it is convenient to be applied in clinical practice. Therefore, the measurement of semiconductor detector and the measurement of thermoluminescent detector should be adopted to measure output factors of radiation field of Cyberknife system.

CyberKnife; Output factor; Monte Carlo; Small radiation fields

Department of Radiotherapy, Chinese PLA General Hospital, Radiotherapy Center of Tumor, 302 Hospital PLA, Beijing 100039, China.

1672-8270(2017)08-0017-04

R812

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.08.005

2017-04-17

國(guó)家自然科學(xué)基金(11275105)“CyberKnife劑量校準(zhǔn)與驗(yàn)證的系統(tǒng)研究”

①解放軍總醫(yī)院放射治療科 北京 100853

②解放軍第302醫(yī)院腫瘤放射治療中心 北京100039

*通訊作者：shouping_xu@yahoo.com

樸俊杰,男,(1984- ),碩士，工程師。解放軍總醫(yī)院放射治療科，從事腫瘤放射物理及腫瘤精確治療的相關(guān)工作。