王為，沈奕晨，蔣馬偉

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院腫瘤科，上海200092

前言

與直線加速器相比，螺旋斷層放射治療系統(tǒng)Tomotherapy（Accuray Inc.,Sunnyvale,Calif.）獨(dú)特的光束傳輸技術(shù)需要量身定做的質(zhì)量保證，這一要求同樣適用于外照射劑量比對。絕對劑量測量應(yīng)考慮每個(gè)治療系統(tǒng)特性和不同照射技術(shù)［1］。熱釋光劑量計(jì)（Thermoluminescent Dosimeter,TLD）是利用熱致發(fā)光原理獲取累積輻射劑量的一種探測器件。當(dāng)TLD受到射線輻照后，能量被儲存，對其加熱，用光電倍增管測量輸出，可讀取對應(yīng)輻射劑量值。與電離室和半導(dǎo)體測量儀相比，TLD體積小，靈敏度高，穩(wěn)定性好，能量響應(yīng)好，可重復(fù)使用［2］，但其均勻性欠佳，能響范圍和探測靈敏度依賴于構(gòu)成熱釋光的磷光體材質(zhì)不同原子序數(shù)，讀數(shù)依賴于讀出器的精度。當(dāng)不同材質(zhì)的TLD應(yīng)用于臨床腫瘤放射治療的劑量測定和質(zhì)量保證，需要進(jìn)行相關(guān)性能測試和篩選［3］。TLD測量是一種相對測量方式，在使用前必須進(jìn)行劑量標(biāo)定刻度。刻度即在標(biāo)準(zhǔn)條件下，定量確定劑量儀讀數(shù)和被測量值關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑樵谂R床常規(guī)分割劑量范圍內(nèi)，篩選出符合要求的高精度高穩(wěn)定性氟化鋰（Lithium Fluoride,LiF）熱釋光片，探討熱釋光劑量測量系統(tǒng)在螺旋斷層放射治療系統(tǒng)和直線加速器下不同刻度方法和應(yīng)用可行性，為臨床劑量學(xué)驗(yàn)證和實(shí)測提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用氟化鋰（LiF）材料的TLD，型號為GR-200A，其直徑、厚度分別為4.5、0.8 mm，精度為±0.01%，密度為2.5 g/cm3。熱釋光劑量測量系統(tǒng)由TLD、熱釋光讀數(shù)儀（RAYDOSE,SL08型）、計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)處理軟件、退火設(shè)備等組成。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為0.6 cc的FARMER指形電離室（劑量儀FARMER 2570），0.056 cc的A1SL指形電離室（Standing Imaging,USA），醫(yī)科達(dá)直線加速器（Synergy 1629,Elekta,Stockholm,Sweden），簡稱LINAC，以及螺旋斷層與徑照放射治療系統(tǒng)TomoHD，簡稱TOMO。

1.2 TLD原理

構(gòu)成TLD的磷光體（晶體材料）在制備工程中會(huì)加進(jìn)某些雜質(zhì)，這些雜質(zhì)經(jīng)加熱或輻射會(huì)引起位錯(cuò)產(chǎn)生陷阱。晶體的陷阱，可以保持電子或空穴，防止其重新結(jié)合。在輻射電離作用（射線照射）下，一些電子被陷阱所俘獲。亞穩(wěn)態(tài)能量狀態(tài)在晶體能帶結(jié)構(gòu)中以電子-空穴對形式激發(fā)能量。如果將這些晶體加熱，被俘獲的電子獲得足夠的能量從陷阱中逃逸出來與空穴結(jié)合，原本存儲在空穴中的射線能量以光輻射的形式釋放出來，即熱釋光現(xiàn)象。在光電倍增管條件下，能量轉(zhuǎn)換為電荷量，得到熱釋光接受輻射劑量與光強(qiáng)度的比例關(guān)系［4-5］。

1.3 分散性和重復(fù)性實(shí)驗(yàn)篩選熱釋光片

進(jìn)行相關(guān)性能測試，篩選合適的熱釋光片，保證臨床使用及刻度結(jié)果的準(zhǔn)確和穩(wěn)定性。TLD經(jīng)過240℃高溫加熱后，冷卻。在熱釋光片上覆蓋5 mm水等效建成厚度材料。用直線加速器6 MV射線，源軸距（Source to Axis Distance,SAD）=100 cm，射野為10 cm×10 cm，等中心處吸收劑量為100 cGy，均勻照射。先用指型電離室測量射野范圍內(nèi)的均勻性，要求中心軸測量值與X軸和Y軸測量值比較，相對偏差小于±1%。在相同退火、照射和測量條件下，篩選出分散性控制在±3%內(nèi)的熱釋光片。重復(fù)5次實(shí)驗(yàn)，再篩選出重復(fù)性在整個(gè)組平均響應(yīng)為±3%內(nèi)的熱釋光片，用于標(biāo)定和常規(guī)劑量傳送［2］。

1.4 LINAC和TOMO中心劑量測量校準(zhǔn)

1.4.1 LINAC確定所有參數(shù)后，進(jìn)行溫度氣壓修正，對LINAC的輸出劑量進(jìn)行標(biāo)定，在射線束的最大劑量深度位置處1 MU=1 cGy，在SAD=100 cm，等效固體水模體下5 cm處，射野大小為10 cm×10 cm，射束中心軸上5 cm處的百分深度劑量比（Percentage Depth Dose,PDD）=86.6%，使用FARMER電離室，出束跳數(shù)為200 MU，記錄當(dāng)日實(shí)測值。

1.4.2 TOMO設(shè)定射線束角度為0°，劑量率約為854 cGy/min,SAD=85 cm，射野大小為5 cm×40 cm，等效固體水模體1.5 cm深度處，使用A1SL電離室，出束時(shí)間70 s，記錄當(dāng)日實(shí)測值。

1.5 標(biāo)定（刻度）條件

分別采用6 MV LINAC和6 MV TOMO射線源，使用篩選后的熱釋光片和經(jīng)權(quán)威計(jì)量部門檢定的放療劑量儀（電離室），在相應(yīng)測量條件下進(jìn)行測量，將TLD發(fā)光讀數(shù)與電離室所測值對應(yīng)記錄［6］。

（1）LINAC劑量標(biāo)定：6 MVX射線束，SAD=100 cm，照射野為10 cm×10 cm。電離室為FARMER 2570，在等效固體水模體5 cm深度處，出束跳數(shù)分別為30、50、100、150、200、300 MU下，在有效點(diǎn)測量并記錄。（2）TOMO劑量標(biāo)定：6 MV X射線束，SAD=85 cm，照射野5 cm×25 cm。電離室為A1SL，在等效固體水模體8cm深度處［6］，出束時(shí)間分別為3、5、10、15、20、30、40s條件下，在有效點(diǎn)測量并記錄。（3）熱釋光測量：采用替代測量法，將篩選后的熱釋光片分別放置在（1）、（2）中的電離室處，照射條件與（1）、（2）完全相同，標(biāo)記不同出束跳數(shù)或出束時(shí)間下的熱釋光片。

1.6 熱釋光測量和退火步驟

（1）測量加熱程序：二階段程序升溫，第一階段為135℃預(yù)熱8 s，第二階段為恒溫溫度240°C加熱20 s，升溫速率為 15 ℃/s。（2）高溫退火程序：在240 ℃恒溫條件下，退火10 min［7］，并使用熱爐逐漸冷卻5 min。TLD輻照24 h后，讀取響應(yīng)。

1.7 劑量刻度曲線擬合和刻度因子N計(jì)算

采用IAEA TRS 277基于電離室空氣比釋動(dòng)能的校準(zhǔn)方法［8-9］，使用電離室進(jìn)行輸出劑量測量，并計(jì)算TLD受照位置處（同一有效測量點(diǎn)）相應(yīng)電離室在水中參考深度處的吸收劑量。將TLD發(fā)光讀數(shù)與電離室所測吸收劑量比對刻度［10］。

1.7.1 劑量刻度曲線擬合本實(shí)驗(yàn)TLD標(biāo)定采用刻度曲線法（最小二乘法）［11］，利用最小化誤差的平方，尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，即按各點(diǎn)到曲線的距離之和最短的計(jì)算方法,進(jìn)行二項(xiàng)式方程擬合曲線。在LINAC和TOMO的標(biāo)定條件下，各選取幾組不同的照射劑量，TLD讀數(shù)值和受照吸收劑量值按式（1）和式（2）進(jìn)行擬合，分別繪出熱釋光劑量刻度擬合曲線。已知數(shù)據(jù)點(diǎn)(xi,yi),i=1,2,…,n，其中，yi為TLD讀出器計(jì)數(shù)值，xi為受照處（電離室）的吸收劑量（cGy），n為照射劑量點(diǎn)的組數(shù)。本實(shí)驗(yàn)LINAC組中n=6；TOMO組中n=7。

其中，a0、a1、a2分別表示常數(shù)項(xiàng)、一次項(xiàng)系數(shù)和二次項(xiàng)系數(shù)。

若進(jìn)行線性擬合，計(jì)算公式按最小二乘法原理得出：

其中，k為標(biāo)準(zhǔn)劑量曲線斜率，b為標(biāo)準(zhǔn)劑量曲線截距，k和b按式（3）和式（4）進(jìn)行計(jì)算得到：

1.7.2 刻度因子N計(jì)算刻度因子N是劑量計(jì)需要定度的約定真值H除以讀數(shù)儀的讀數(shù)M所得的商［8-9］，即：

在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件下，照射不等的約定真值Hi（參考點(diǎn)吸收劑量,cGy）除以經(jīng)測量得到的TLD讀數(shù)平均值Mi，得到熱釋光測量系統(tǒng)水中吸收劑量刻度因子Nw。

1.8 回歸驗(yàn)證

在常規(guī)周檢條件下，LINAC照射野為10 cm×10 cm，等效固體水模體5 cm深度處，出束跳數(shù)分別為100、200、300 MU；TOMO照射野為5 cm×25 cm，等效固體水模體1.5 cm深度處，出束時(shí)間分別為10、20、30 s。兩組各使用電離室和TLD進(jìn)行3次實(shí)測，由TLD讀數(shù)通過兩種擬合方法計(jì)算并比對受照劑量，對刻度因子Nw行回歸驗(yàn)證［12-13］。

1.9 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 17.0軟件對同樣能量條件下，LINAC和TOMO的TLD劑量刻度進(jìn)行配對樣本t檢驗(yàn)。P＜0.05為樣本差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 TLD分散性和重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在LINAC的6 MV X射線能量條件下，每6～8個(gè)TLD片1組，均勻平鋪放在射野中心范圍內(nèi)，并覆蓋5 mm水等效建成厚度材料。分批照射，每次出束100 MU，篩選出符合臨床要求，分散性和重復(fù)性≤±3%的熱釋光片，用于后續(xù)標(biāo)定和常規(guī)劑量傳送。在cGy劑量級，同批次TLD各重復(fù)測量5次，得到此批次TLD的總重復(fù)性讀出變化值為（1.48±0.47）%，表1為部分TLD的分散性和重復(fù)性讀數(shù)結(jié)果。

2.2 LINAC和TOMO中心吸收劑量電離室測量校準(zhǔn)結(jié)果

根據(jù)IAEATRS 277報(bào)告推薦方法，用電離室進(jìn)行輸出劑量測量，計(jì)算水中參考深度處的吸收劑量?？潭犬?dāng)日LINAC等中心處計(jì)算的吸收劑量為200.5 cGy，與真值200.0 cGy偏差+0.25%；TOMO等中心處計(jì)算的吸收劑量為822.4 cGy，與真值827.0 cGy偏差-0.56%。

2.3 LINAC和TOMO TLD測量和擬合結(jié)果

在LINAC和TOMO組中，每個(gè)測量點(diǎn)各測量3次，TLD讀出器的平均計(jì)數(shù)值如表2所示，其中（計(jì)數(shù)）為扣除本底值。LINAC組的標(biāo)定劑量范圍為30.0～299.6 cGy，TOMO 組的標(biāo)定劑量范圍為28.0～374.1 cGy。TLD計(jì)數(shù)與對應(yīng)吸收劑量x比較，在LINAC組中，t=-3.261，P=0.022；在TOMO組中，t=-3.757，P=0.009?？梢姡琇INAC組和TOMO組TLD平均計(jì)數(shù)值和吸收劑量都具有顯著相關(guān)性；按歸一后劑量對應(yīng)的LINAC組和TOMO組TLD讀數(shù)值行配對t檢驗(yàn)，配對樣本t=0.216，P=0.837，兩配對樣本不存在顯著差異，即在同等能量下的LINAC和TOMO，TLD讀數(shù)均數(shù)差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

根據(jù)最小二乘法二項(xiàng)式擬合實(shí)測數(shù)據(jù)（圖1），得出LINAC組中TLD發(fā)光讀數(shù)y與照射劑量x關(guān)系式：y=94.754x＋0.001x2，R2=0.997 1；TOMO組：y=93.835x＋0.000 3x2，R2=0.998 2。得出LINAC和TOMO組中，刻度因子Nw1分別為0.010 55和0.010 66，均值差異1.03%。

表1 部分熱釋光劑量計(jì)分散性和重復(fù)性讀數(shù)Tab.1 Dispersibility and repeatability of partial readings of thermoluminescent dosimeters(TLD)

表2 LINAC和TOMO測量條件下，吸收劑量x和熱釋光讀出器平均計(jì)數(shù)Tab.2 Absorbed dose x and average TLD reading for LINAC and TOMO

表2 LINAC和TOMO測量條件下，吸收劑量x和熱釋光讀出器平均計(jì)數(shù)Tab.2 Absorbed dose x and average TLD reading for LINAC and TOMO

標(biāo)定設(shè)備LINAC TOMO出束跳數(shù)/出束時(shí)間30 MU 50 MU 100 MU 150 MU 200 MU 300 MU 3 s 5 s 10 s 15 s 20 s 30 s 40 s x/cGy 30.0 50.0 99.9 149.8 199.7 299.6 28.0 46.8 93.7 140.4 187.4 281.3 374.1 yˉ/100 22.60 41.32 99.52 147.63 185.45 285.49 22.94 46.80 92.23 124.69 182.51 259.65 353.49標(biāo)準(zhǔn)差/100 1.53 1.04 0.53 1.13 0.99 10.44 1.54 1.66 1.29 3.66 3.52 11.26 13.84

根據(jù)刻度線性擬合（圖2），LINAC組和TOMO組TLD讀數(shù)M和吸收劑量H關(guān)系式分別為：M=94.982H，R2=0.997 1；M=93.936H，R2=0.998 2，得平均刻度因子Nw2分別為0.010 53和0.010 65，均值差異1.13%。

2.4 刻度因子回歸驗(yàn)證結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用最小二乘法的二項(xiàng)式擬合和線性擬合法計(jì)算出的刻度因子均能較好回歸到真實(shí)照射計(jì)量值，誤差均在3%以內(nèi)，符合測量精度要求。相較而言，取測量點(diǎn)平均值再線性擬合計(jì)算得出的刻度因子回歸的結(jié)果（誤差為-0.66%～-2.25%）比二項(xiàng)式擬合出的計(jì)算公式回歸結(jié)果（誤差為-0.75%～-2.35%）誤差略小。在實(shí)際測量范圍中，LiF材質(zhì)的TLD劑量刻度因子接近線性擬合結(jié)果，可用作臨床實(shí)際應(yīng)用。

3 討論

熱釋光測量是一種相對測量方法，將TLD劑量計(jì)測量讀數(shù)轉(zhuǎn)換為劑量值，需要采用標(biāo)準(zhǔn)源對劑量計(jì)進(jìn)行刻度。不同批次的熱釋光劑量原件對輻射的敏感度不同，每批次原件在使用前也都需要進(jìn)行刻度，用于劑量刻度和后續(xù)臨床監(jiān)測用的TLD劑量計(jì)為同批型號規(guī)格［14］。本實(shí)驗(yàn)在同等能量6 MV下的LINAC和TOMO中分別標(biāo)定TLD，線性擬合后的刻度系數(shù)差異約1.13%。不同照射系統(tǒng)的射線質(zhì)差異、標(biāo)定條件、電離室靈敏體積差異、TLD特性、TLD讀數(shù)儀偏差和刻度擬合方式都會(huì)造成標(biāo)定結(jié)果的誤差［15］。

圖1 TLD計(jì)數(shù)值與照射劑量二次函數(shù)擬合曲線圖比較Fig.1 Dose-response fitting curves based on the quadratic function of irradiation dose and TLD reading

在TOMO系統(tǒng)中標(biāo)定TLD，取最大射野寬5 cm，射野寬度大于在等效水介質(zhì)中的兩倍側(cè)向散射距離，可實(shí)現(xiàn)側(cè)向電子平衡。受體積平均效應(yīng)的影響，一般靈敏體積較大的電離室測量誤差較大，但在劑量分布均勻區(qū)域（標(biāo)定射野下），TOMO組使用的0.056 cc電離室與LINAC組使用的0.6 cc電離室受影響較小。

理論上，標(biāo)定時(shí)電離室和TLD吸收劑量的測量點(diǎn)應(yīng)嚴(yán)格一致。但電離室的靈敏體積不同會(huì)造成有效測量點(diǎn)的不確定［16-17］，同時(shí)實(shí)際測量中TLD芯片的放置差異和固定不充分也會(huì)導(dǎo)致誤差。TLD臨床應(yīng)用中以體表劑量實(shí)測和依據(jù)表面出射入射劑量推算體中劑量居多［18］，覆蓋5 mm水等效建成厚度材料進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，此等效厚度可能導(dǎo)致TLD的有效測量點(diǎn)位于建成區(qū)內(nèi)，劑量梯度較大，會(huì)造成測量誤差。

TLD存在材料劑量特性，低原子序數(shù)磷光體組織如LiF的有效原子序數(shù)與人體組織和空氣近似等效，組織等效性較電離室或膠片好，所測輻射劑量基本真實(shí)反映人體吸收的劑量。實(shí)際測量過程中，測量準(zhǔn)確度受到較多因素的影響。除了TLD測定或評估中的誤差，探測器的測量參數(shù)設(shè)置，如TLD讀數(shù)儀的初始溫度、加熱速率、最高溫度設(shè)置和讀取前的預(yù)熱時(shí)間都會(huì)影響讀數(shù)，所以需要對TLD讀數(shù)儀和校準(zhǔn)程序進(jìn)行定期質(zhì)量控制。

本實(shí)驗(yàn)中，采用最小二乘法的二項(xiàng)式擬合和線性擬合法計(jì)算出的刻度因子均能較好回歸到真實(shí)照射計(jì)量值，線性擬合計(jì)算得出的刻度因子比二項(xiàng)式擬合出的回歸結(jié)果誤差略小，誤差均在3%以內(nèi)，符合測量精度要求。在臨床常規(guī)分割劑量范圍內(nèi)，無論是在LINAC還是TOMO下的6 MV光子束，TLD校準(zhǔn)曲線都接近線性，且同等能量下的不同照射系統(tǒng)刻度因子無明顯差異。

4 結(jié)論

TLD能長時(shí)間積累劑量，性能較穩(wěn)定，具有重復(fù)性好、分散性小、穩(wěn)定性高、線性相關(guān)性強(qiáng)等基本特性，信號衰弱現(xiàn)象遠(yuǎn)不如膠片那樣明顯。在臨床常規(guī)分割劑量范圍內(nèi)，LiF材質(zhì)的TLD劑量刻度因子對于6 MV光子束接近線性擬合結(jié)果，精度符合國際推薦標(biāo)準(zhǔn)，可應(yīng)用于LINAC和TOMO臨床劑量測定。