高能X射线下水等效材料对水的等效性研究

王志鹏， 邢书明， 王 坤， 金孙均， 范富有， 刘福斌

(1.北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京 100044；2.中国计量科学研究院，北京 100029)

1 引 言

由于水吸收剂量是医用直线加速器校准的溯源物理量，因此水吸收剂量测量成为日常校准加速器和放射治疗质量保证的重要环节。用水体模测水吸收剂量时，由于水是液态，摆位等往往非常耗时，对于医院很不经济。因此商用的水等效材料(又常被称为固体水或固体模体，solid phantom)更适合医院进行水吸收剂量的测量，以代替水体模进行测量。而在实践中这些水等效材料在水吸收剂量测量的使用中仍需十分慎重，由于密度、材质与水体模的差异,在日常校准加速器中水等效材料仍然不能完全取代水体模。

从上个世纪90年代就开展了水等效材料方面的实验，1995年Tello等[1]详细介绍了5种水等效材料的输出校准，1999年Allahverdi等对环氧树脂材料在高能射线下的相对剂量和绝对剂量测量进行了评价[2]。2003年LIU等[3]介绍了水等效材料的输出校准情况；2005年和2006年Seuntjens，McEwen等[4，5]提供了水等效材料在加速器输出剂量测量中需要考虑的修正；2010年Hill等[6]在低能X射线下对水等效材料进行了评价；2015年Schoenfeld等[7]通过蒙卡模拟的方法对192Ir近距离治疗下水等效材料的使用进行了介绍。随着我国每百万人口的加速器装机量的不断提高，王建华，傅益谋等[8，9]进行了固体水等效性的研究，以及固体水在日常校准中的注意事项。文献[10]对医用加速器高能光子束水吸收剂量进行了测量，并对其不确定度进行了分析。

商用的水等效材料由于其形状和尺寸易于控制，广泛应用于二维或三维剂量验证中。本文通过水等效材料输出校准实验，给出水等效材料在相对剂量测量中的使用建议，并提供水等效材料在绝对剂量测量中简单又必要的修正，以提高医用加速器水吸收剂量测量的准确性和医院测量该值的高效性。

2 材料与方法

2.1 使用的设备

实验使用的加速器型号为Elekta Synergy，能量档位6 MV和10 MV的X射线。水等效材料分别来自Standard Imaging的BLUE WATER、CIRS的Plastic Water 和IBA的RW3，颜色分别为蓝色、米白色和白色,详细规格如表1所示。

表1 实验中使用的水等效材料和水Tab.1 Water equivalent material and water used in the experiment

实验中使用的水为Milli-Q Advantage A10纯水系统自制超纯水；水体模为自主研发三维水体模，该三维水体模主要配合水平射束使用，入射前窗开有15 cm×15 cm(厚度为0.3 cm)的薄窗。实验采用两款Farmer型的探测器分别为PTW公司的30013和IBA的FC65-G，采用KEITHLEY 6517B高阻静电计收集并读取探测器信号。采用XMM1406测量温度、气压和湿度进行空气密度修正。由于实验需要持续半月左右，为了确保加速器束流条件的一致性，在加速器机头安装了Shadow Tree方便固定穿透式电离室和指形电离室TM30012，在进行实验中的每天早晚各一次测量加速器的输出剂量，并用TM30012的信号作为加速器输出剂量的日变化量。

2.2 实验方法

测量方法主要为对比法，即在水体模中测量参考点的剂量和辐射野输出因子，然后将水体模依次替换为蓝色、米白色和白色水等效材料进行参考点剂量和辐射野输出因子的测量。测量中采用控制变量法，保持相同的源到模体表面的距离(源表距SSD=1 000 mm)；加速器剂量率设置为400 MU/min，其中MU为monitor unit即加速器的剂量监督单元，医用加速器通常将射线最大剂量值点定义为1 MU=0.01 Gy，加速器剂量设置为100 MU；探测器的测量深度d取5 cm(60Co校准电离室的深度)和10 cm(加速器下校准电离室的深度)。

测量装置如图1所示，其中图1(a)为水等效材料BLUE WATER和Plastic Water 在深度为10 cm时的摆放顺序；图1(b)为加速器室自主研发三维水体模摆放示意图探测器安放在深度为 10 cm 处，这里探测器通过壁厚为0.1 cm的防水套插入水体模，防水套在这里起到了防水和定位的作用，由于水体模入射窗口有0.3 cm的有机玻璃板，考虑了有机玻璃板对水的修正，探测器向束流方向前移0.45 mm，这里采用TRS-398报告[11]进行剂量计算，不存在探测器有效测量点前移的差异；图1(c)为RW3在深度为10 cm时的摆放顺序图；图1(d)、图1(e)和图1(f)分别是该4种材质在深度为5 cm下的摆放顺序。

图1 测量装置示意图Fig.1 The schematic of measuring device

2.3 水等效材料下校准加速器的修正因子

根据TRS-398报告中医用加速器水吸收剂量校准规范，先用水体模对加速器10 MV和 6 MV 光子进行校准。分别使用PTW 30013和IBA FC65-G在测量深度d=5 cm和10 cm下各测量6次并进行漏电流检查，取该6次实验的平均值作为参考剂量Dr，并采用双压法测量电离室的离子复合效应，改变极性电离室的极化效应；撤掉水体模，依次更换为蓝色、米白色和白色水等效材料，参考水体模测量，依次获取不同水等效材料下的水吸收剂量Ds,p，同时测量电离室在各个水等效材料下的离子复合和极化效应。由式(1)可求出水等效材料在绝对剂量校准中的修正因子ks,p。

(1)

水等效材料的绝对剂量修正因子是指水与水等效材料在同一测量条件下相同深度处的水吸收剂量之比，其它文献所述水等效因子[1，3]与此含义接近。ki,day和kj,day为加速器日变化量的修正项，由式(2)计算，其中Mi,am和Mi,pm分别是第i天早上和晚上剂量仪经温度气压修正后的值。

(2)

2.4 输出因子的计算

剂量输出修正因子Fopt，是医用加速器治疗计划系统(TPS)必要的参数[12]，辐射野越多精度越好，在输出因子的测量中仅研究了5 cm×5 cm至40 m×40 cm的方形辐射野。由式(3)计算水体模、蓝色、米白色和白色水等效材料下各个辐射野的输出因子。

(3)

式中：Rr，10×10为源表距SSD=100 cm，模体表面为10 cm×10 cm辐射野下的静电计读数；Ropen为其它辐射野下的剂量读数。加速器的设置除辐射野不同外其它均一致。

3 结果与讨论

3.1 加速器输出剂量的日稳定性

研究了医用加速器在2018-11-19～2019-05-25期间的稳定性，取这段时间内的平均值作为参考对象，取每天早上(约8时，加速器开机50 min左右)和晚上(约18时，加速器开机10 h左右)的平均值作为当天数据样本，加速器输出剂量的日稳定性测量结果如图2所示，其中图2(a)和图2(b)分别为10 MV X射线和6 MV X射线的日稳定性。早上和晚上的差异在不考虑空气密度修正前，晚上相对早上的差异为±1.1%，空气密度修正后为±0.9%，大多数约为±0.3%。

由图2分析可知，加速器日稳定在考虑空气密度修正后不论10 MV或者6 MV均不超过±1.0%，忽略空气密度修正后，日稳定性在±2.5%以内(实验室内环境温度年变化约为±2.0 ℃，日变化量约为±1.0 ℃，部分医用加速器环境温度超过此温度，日稳定性可能高于该值)；加速器输出剂量的变化是同步的，即6 MV和10 MV同增同减，其它能量也应呈现此规律；在温度可控相对稳定的环境中，气压由冬季至夏季缓慢降低，加速器未考虑空气密度修正的输出剂量由冬季至夏季缓慢降低，因此气压的测量也应是加速器日常校准的必测量。

水等效材料等效性的实验在5月份进行，取5月份均值作为参考值，并求出加速器5月份每日的相对变化量因子ki,day，用于修正由于加速器日漂移对实验带来的差异。

3.2 水等效材料的绝对剂量修正因子

用已知校准因子的PTW 30013和IBA FC65-G分别在BLUE WATER、Plastic Water 和RW3依次测量深度d为10 cm和5 cm处的绝对剂量Ds,p，并用水体模测量绝对剂量，由式(1)求出水等效材料的绝对剂量修正因子，如表2和表3所示，相对不确定度为0.3%。

表2为深度10 cm下用水等效材料做医用加速器绝对剂量校准时的修正因子，由表2可知BLUE WATER在绝对剂量校准中引起的差异达2%，Plastic Water 约0.7%，目前中国多数医院广泛使用的RW3在校准10 MV X射线时超过1%，因此在使用类似水等效材料校准医用加速器时需要十分慎重。

由表2和表3知，水等效材料在校准医用加速器时，随着X射线能量越高，引起的差异越大；随着测量深度的增加，引起的差异越大；对该实验重复进行3次，结果表现为可重复；因此水等效材料使用者可结合实验条件，自行根据实际校准深度(详见TRS-389报告)，测量相应的修正因子，这些结果也可作为参考使用，建议每年校准电离室后重复测量1次。

图2 加速器输出剂量的日稳定性Fig.2 Daily stability of the accelerator output dose

表2 水等效材料在深度为10 cm下的修正因子Tab.2 Correction factors for water equivalent materials at a depth of 10 cm

表3 水等效材料在深度为5 cm下的修正因子Tab.3 Correction factors for water equivalent materials at a depth of 5 cm

3.3 水等效材料下的辐射野输出因子

图3为辐射野输出因子，其中图3(a)和图3(b)为深度10 cm处输出因子，图3(c)和图3(d)为深度5 cm处输出因子。

由图3可知，研究中所使用的3种水等效材料的辐射野输出因子一致性较好，在5 cm×5 cm至15 cm×15 cm之间与水体模测量结果一致，水等效材料在相对测量时表现较好；在辐射野由30 cm×30 cm增至40 cm×40 cm时，与30 cm×30 cm之前的趋势略不一致，稍低头，主要因水等效材料的长和宽均为30 cm。

水体模在15 cm×15 cm之后均高于水等效材料，主要因为水体模前窗处有由外向里开的薄窗(由图1可知)。

图3 辐射野输出因子Fig.3 Output factors of various radiation field

4 结 论

针对水等效材料在校准加速器时存在的问题，研究了3种水等效材料在绝对剂量测量和相对测量时的水等效性，使用2种典型Farmer探测器进一步说明了水等效材料在剂量测量或剂量验证中的注意事项。通过以上研究，得出以下结论：

(1) 加速器校准时，需要关注环境温度和气压，在温度可控的情况下，由于季节变化引起的气压变化又是引起加速器输出剂量漂移的重要因素；

(2) 水等效材料在绝对剂量测量时，需要首先测量该材料在校准加速器时的修正因子，并且每年测量一次；

(3) 水等效材料在相对剂量测量中具有使用方便、快捷、定位准等优势，并且不受探测器的影响，与水体模测量结果一致性高。