包邮医用直线加速器剂量标定实践操作手册

**章 医用直线加速器剂量标定时代简史 　　放射治疗是治疗恶性肿瘤的主要手段之一，放射治疗机从*初的深部 X射线治疗机、镭针机，到后来飞速发展的医用直线加速器（以下简称直线加速器），以及目前的重离子、质子加速器，经历了一个快速发展期。对大多数发展中国家来说，直线加速器仍然是目前放射治疗的主流设备。直线加速器能否在肿瘤放射治疗中发挥应有的疗效，其精确的剂量标定十分重要。所谓的剂量标定就是在特定条件下，直线加速器射野中心轴上某个特定点的绝对剂量的确定过程。各个国家和国际组织，为了规范和统一吸收剂量测量的方法，包括所使用的测量仪器、测量条件、计算关系式和相关的校准和转换系数的使用等，制定了不同的测量规程。其中国际原子能机构（International Atomic Energy Agency，IAEA）及美国医学物理学家协会（American Association of physicists in Medicine，AApM）所制定的规程被普遍采纳。对于直线加速器的标定方法，由于人们对其研究的不断深入，理论基础的不断完善，技术水平的不断发展，因此相关的测量规程也在不断地改进。本章将对剂量标定规程的发展历史做一个简要的概述。 　　**节 吸收剂量标定的 Cλ和 CE时代 　　20世纪60年代早期，利用高能 X射线和高能电子束治疗肿瘤在世界范围已有广泛应用，但当时没有一个统一的方法来测量高能电离辐射在介质中（如水中）的吸收剂量。鉴于此种情况，1964年英国医院物理学家协会（Hospital physicists Association，HpA）根据布拉格-戈瑞理论，提出了一个高能电离辐射吸收剂量测量的规程。随后一些国家的学术组织也提出了相应的测量规程，特别是国际辐射单位和测量委员会（International Commission on Radiation Units and Measurements，ICRU）分别在1969年和1972年提出了高能 X（γ）射线和电子束吸收剂量测量规程用以测量吸收剂量（ICRU第14号和第21号报告），这一规程拓展了 HpA规程的适用范围，即 Cλ和 CE方法。高能电离辐射吸收剂量测量的 Cλ和 CE方法在80年代以前得到普遍应用，我国自1991年1月1日起施行的《医用加速器 X辐射源检定规程》（JJG 664—1990）也是参考此法。其技术要点是，对高能 X（γ）射线和电子束吸收剂量的测量，分为两个步骤。 　　**步，在国家标准实验室，将用户电离室置于钴–60γ射线或2MV X射线空气辐射场中。为满足电子平衡，电离室带有标准厚度的电子平衡帽，如4～6mm厚度的有机玻璃等，得出其照射量校准因子 N（或 NC）。此时钴–60γ射线在水中的吸收剂量公式为 　　式中，定义为钴–60γ射线照射量对吸收剂量的转换因子，用(Cλ)C表示；M为仪表读数。 　　第二步，将校准过的电离室放入标准测量的水模体中，在用户使用的射束质的辐射场中，测量高能 X射线或电子束的吸收剂量。根据布拉格-戈瑞理论，电离室剂量仪表读数，经钴–60γ射线照射量校准因子 N、水中吸收剂量转换因子(Cλ)C和考虑高能 X射线与钴–60γ射线质量阻止本领比值，得出高能 X射线在水中吸收剂量计算的标准公式： 　　式中，Cλ为高能 X射线吸收剂量转换因子，其公式为 　　式中，角标 C、λ分别表示钴–60γ射线和测量时的高能 X射线； w和 a分别表示水和空气； d为置换因子，为0.985±0.005；P为扰动修正因子，比值 Pλ/PC接近为1。表1.1给出了不同能量的高能 X（γ）射线的 Cλ值。 　　表1.1 不同射束质的 Cλ值 　　对高能电子束，水中吸收剂量计算的标准公式为 　　式中，CE为高能电子束吸收剂量转换因子，其公式为 　　式中，表示在水中z（cm）深度的电子束平均能量，公式为 　　表1.2给出了利用蒙特卡洛方法计算出的水中的 Ez和 E0的数值关系。其中，E0为高能电子束的表面平均能量，Rp为电子束的实际射程。 　　表1.2 高能电子束水中深度z处的平均能量Ez与表面平均能量E0的关系 　　如前所述，电子束的能量随水的深度而变化，因此表现出 CE值随不同深度取不同的值。表1.3给出各种能量电子束在水中不同深度处的 CE值。 　　表1.3 各种能量电子束在水中不同深处的 CE值 　　高能电离辐射吸收剂量测量的 Cλ和 CE方法，在20世纪80年代以前得到普遍应用。同时，这一方法本身的不足和互相矛盾也引起众多学者的注意。正如美国医学物理学家协会发表的测量规程所归纳的，Cλ和 CE方法存在的主要问题有： 　　（1）使用空气照射量校准因子测量模体内的照射量是有问题的，因为这要求电离室的空气校准因子在模体中不随测量深度和射野的变化而保持为一常数。而在实际模体中，相当部分的吸收剂量的贡献是由能量较低的散射线贡献的，这完全不同于空气中校准的情况。 　　（2）在测量高能 X（γ）射线时，Cλ方法将电离室假设为水的等效材料，而高能电子束测量时，CE方法又假设电离室为空气等效材料。实践中一个电离室既要适合测量高能 X（γ）射线又要适合测量电子束，在应用时陷入了矛盾。 　　（3）对所有的电离室都应用了相同的置换因子，而不考虑辐射质和测量深度的影响，显然是不正确的。实际上这一因子既依赖于电离室的几何结构，又依赖于射线能量和测量条件。 　　第二节 吸收剂量标定的 IAEA TRS-277时代 　　如前节所述，Cλ和 CE方法经20多年的应用，暴露出一些不足，主要是没有充分考虑现场使用的电离室形状对水辐射的影响和 Cλ、CE值对不同室壁材料的依赖性。1980年以后，一些协会及组织相继提出了各自的新测量规范，其中*具代表性的是国际原子能机构出版的第277号报告（IAEA Technical Report Series NO.277，TRS-277）《光子和电子束吸收剂量测定的国际操作规范》（Absorbed Dose Determination in Photon and Electron Beams: An International Code of Practice）。该报告出版于1987年，并于1997年更新发布了第二版本。在第二版本中更新了原报告中主要针对千伏级 X光子束剂量学部分的内容，同时也公布了高能电子束和高能光子束中的平行板电离室测定方法（IAEA Technical Report Series NO.381，TRS-381），主要用来规范电子束的标定。目前，IAEA TRS-277报告在欧洲或美洲或许已是过去式，但因某些特殊原因，在我国还是主要的测量标定方法。 　　IAEA TRS-277报告与 Cλ和 CE方法的主要区别在于用吸收剂量的空气校准因子 ND，取代原方法中的经钴–60γ射线照射量校准因子 N（或 NC）；不再使用 Cλ、CE转换因子和统一的扰动修正因子；引入相对不同能量光子和电子束的一系列有关参数和有效测量点的概念。根据 IAEA TRS-277报告，束流中心轴上某特定深度处的吸收剂量可根据以下公式计算得出： 　　其中，M为剂量仪读数； Sw，a为水和空气阻止本领比； KTp为温度气压修正因子； ND为空气吸收剂量校准因子，可由空气比释动能校准因子 NK得到： 　　式中，g为次级电子在空气中以轫致辐射形式损失的能量份额，对于钴–60γ射线，g=0.003；Katt为电离室材料对射线吸收和散射的修正因子； Km为电离室材料空气不完全等效的修正因子。每种型号的电离室有对应的 Katt，Km值，可以通过表格查到。水模体中束流中心轴上*大剂量深度处的吸收剂量 Dm可表示为 　　根据 IAEA TRS-277法，高能 X射线电离室几何中心实际放置在测量深度加0.6r处（r为电离室半径），高能电子束电离室几何中心实际放置在测量深度加0.5r处。第三章着重讲述 IAEA TRS-277的方法，本章不再详细描述。 　　第三节 吸收剂量标定的 IAEA TRS-398或 TG-51时代 　　众所周知，在标准剂量学实验室条件下，使用空气比释动能 Kair基准对电离室进行校准到在使用单位条件下使用基于 ND，air（用 Nx或 Nk转化而来）的剂量学协议测定水吸收剂量的过程，需要经过多个步骤，从而使实际测得的吸收剂量具有一定的不确定性。为了使这种不确定误差降到*低，有专家提出使用水吸收剂量作为基准，同时强调使用相同物理量、测量条件的优势。因此，国际上众多实验室开始从事测量水吸收剂量方法的研究工作，*终这些研究导致标准电离室的基准量发生质的变化，并且提供应用于治疗级射线束的水吸收剂量校准因子 ND，w。2000年，国际原子能机构发布了《外照射吸收剂量的测定：基于水的标准吸收剂量的剂量测定的国际操作规范》（Absorbed Dose Determination in External Beam Radiotherapy: An International Code of Practice for Dosimetry Based on Standards of Absorbed Dose to Water）技术报告，即 IAEA TRS-398报告，该报告直接在水中校准电离室，减少了在空气中校准的不确定度，同时计算公式更加简便，从而减少了校准的不确定度。 　　这种更稳定、更耐用的初级标准，相对于比释动能标准，不存在假定和对修正因子的评估，就标准的一致性而言，它在精度上拥有更高的可信度。以往的标定校准在实际操作过程中要实现自由空气比释动能向模体中水吸收剂量的转换是十分困难的。IAEA TRS-277中给出的公式和多数国家、国际组织测定水吸收剂量的协议中都使用到一些系数、扰动修正因子和其他修正因子。这种复杂性通过使用到的方程和选取合适数据时需要使用到的一些程序来体现，有时甚至连依赖于相关测量电离室物理属性方面的因素都要考虑进去。但是 IAEA TRS-398的测定方法，一开始就使用水吸收剂量形式的校准因子，无形中对参与其中的众多影响因子做了统一修正，从而使程序简化，*终降低测量中存在的潜在不确定性。 　　在使用范围上，IAEA TRS-398也给予了充分的扩展。IAEA TRS-398使所有应用到放射治疗中的射束建立起内在性统一的基于水吸收剂量标准的剂量学体系成为可能。IAEA TRS-398报告系统性地提供了外照射治疗中低能/中能/高能 X射线/高能电子束/质子束和重离子束条件下水吸收剂量的测定方法。有关 IAEA TRS-398直线加速器的标定校准方法将在第五章中详细描述。 　　在国际原子能机构发布 IAEA TRS-398之前，美国医学物理学家协会于1983年出版了 TG-21报告，1999年对其进行了更新，出版了 TG-51报告。TG-51报告类似于 IAEA TRS-398，但仅限应用于直线加速器高能 X射线和电子束。在北美众多科研教学治疗机构中，TG-51被广泛应用于 MV级直线加速器射束校准。有关 TG-51直线加速器的标定校准方法将在第四章中详细描述。