方法文章

用于放射外科加速器剂量测量的液体电离室中复合效应的表征

13.2K 次观看

⸱

DOI：

10.3791/51296

⸱

2014年5月9日

 ,  ,  , 
1Department of Medical Physics, Centre Oscar Lambret

本文内容

摘要

越来越多的放射治疗设备能够通过极细的射束将剂量传递至肿瘤，从而提高剂量适形度并增加每次分割的照射剂量。对于这些小野的剂量测量，可使用多种不同的探测器。本研究利用立体定向放射治疗系统，探讨了液态电离室中离子复合效应对剂量测量的影响。

摘要

大多数现代放射治疗设备允许使用非常小的射野，这可以通过调强放射治疗（IMRT）中的射束元实现，也可以通过立体定向放射治疗实现，后者凭借精确定位，可在患者的小体积区域内递送每分次很高的剂量。医学加速器上的剂量学测量通常采用充气电离室进行。然而，在小射束中，这类电离室会受到不可忽略的扰动效应影响。本研究聚焦于液体电离室，其在空间分辨率和低注量扰动方面具有优势。研究针对与Cyberknife系统（Accuray）联合使用的微液体电离室（microLion detector，PTW）的离子复合效应进行了探讨。该方法包括在不同源-皮肤距离下进行一系列水箱测量，并根据同步的气体探测器测量结果对液体探测器的读数进行校正。该方法有助于分离出由液体敏感介质高密度引起的复合效应，并获得可用于探测器读数的校正因子。主要难点在于必须实现足够高的实验设置精度，以检测电离室响应中的微小变化。

引言

多年来，放射治疗中的剂量测定一直使用气体电离室进行。对于“常规”放射治疗，即使用大范围均匀（或缓慢变化）射野的情况，这些探测器表现良好。即使如此，近年来许多新型设备（例如本研究中所考察的 Cyberknife 系统（图1））提供了使用极小射野（小至 5 mm）的可能性。其他设备则产生高度调制的射线束分布，例如调强放射治疗（IMRT）。常规充气探测器并不适用于这些技术1；若要达到可接受的空间分辨率，必须将探测腔体积减小到一定程度，但此时腔体响应会变得过低。半导体二极管探测器具有灵敏体积较小的优势，因此在小射束剂量测定中被广泛使用。然而，它们也存在其他局限性，例如由其金属屏蔽层引起的散射效应12,13。

在液体电离室2（LIC）中，电离密度更高，因此可以在不损害探测器响应的前提下减小灵敏体积。此外，其灵敏介质的密度接近水，可降低由空气空腔引起的注量扰动。这些特性使LIC成为小野剂量学3-5的一个理想候选器件。

然而，在能够使用液体电离室（LIC）进行常规剂量测量之前，仍有一些问题需要解决。首先，由于液态介质中电离密度更高，复合效应比空气填充电离室更为显著6-8。复合效应可分为初始复合（电子与其母体离子重新结合）和一般复合（来自不同电离事件的两个离子发生复合）。后者依赖于入射到探测器上的剂量率；这意味着相对剂量测量（即剂量分布曲线、百分深度剂量、输出因子）可能因剂量率的变化而产生偏差。复合效应通过总收集效率来表征，定义为测量电荷与入射辐射产生的、并已逃逸初始复合的电荷之比：f = QC/Q0。在气体探测器中，复合效应通常采用Boag理论的双电压法进行评估9,10，但该方法不适用于液体电离室11。

另一种方法是采用双剂量率法8，该方法通过改变剂量率以分离出一般复合的影响，并利用以下关系式测量一般收集效率：
静态平衡方程，\( f = \frac{1}{u} \ln(1+u) \)，用于数学物理分析。

其中 u 定义为
显示变量关系的公式；用于分析电场参数的公式。

其中 α 为复合系数，Q0 为逃逸初始复合的电荷量，h 为电极间距，e 为元电荷，V 为电离室的灵敏体积，k1 和 k2 分别为正负电荷的迁移率，U 为施加电压。通过在不同单脉冲剂量下进行测量，可获得参数 u，从而得到收集效率 f。单脉冲剂量由以下关系式给出：
用于计算剂量率与脉冲重复频率关系的单脉冲剂量公式；数学公式。

所有测量均在 Cyberknife 的参考条件下进行（源-表面距离 SSD = 78.5 cm，深度 1.5 cm，准直器尺寸 60 mm）。使用较大的准直器可避免与小束流相关的体积效应。由于剂量率为 800 MU/min，脉冲重复频率为 150 Hz，因此每脉冲剂量为 0.89 mGy/脉冲（在参考条件下，1 MU 对应 1 cGy 的剂量）。当脉冲重复频率保持恒定时，每脉冲剂量仅取决于以 Gy/min 为单位的剂量率，而剂量率通过平方反比定律与源-表面距离（SSD）相关：
辐射剂量率方程，比较不同距离下的剂量率，关联 d1 和 d2。
其中 d1 和 d2 为两个不同的 SSD。

方案

1. 实验设置（图2）

（在首次测量前1小时进行，以稳定检测器温度和高压电源。）

  1. 将水箱置于治疗头下方，需注意源-皮肤距离（SSD）将增加至200 cm，因此应根据天花板高度将水箱尽可能放置在最低位置。
  2. 将水箱与直线加速器对齐（其垂直面必须与机头的垂直面平行）。可使用激光确保方向正确；该操作步骤详见物理指南。14 系统的
  3. 通过在两个不同深度处进行x和y剖面测量，计算射束倾角，并利用机头旋转轴进行校正，以验证直线加速器的垂直取向（参见物理指南）。
  4. 将准直器更换为遥测附件，并用其将头部精确置于78.5 cm SSD处。附件的尖端应刚好接触水面。
  5. 移除遥测仪，并将60 mm准直器安装到治疗头上。
  6. 将 LIC 参考点置于垂直方向 1.5 cm 深度处， 即 圆柱形空腔的轴线与射线方向平行，源与探测器之间的距离为80 cm。使用激光将LIC在横向方向上定位至射线中心。
  7. 放置一个 0.125 cm3 在液体电离室（LIC）旁边放置一个充气电离室（AIC），以校正衰减、距离和散射效应。
  8. 将 LIC 与高压电源连接至静电计，并将电压设置为 800 V。将 AIC 连接至另一台静电计，并将电压设置为 400 V。随后等待 1 小时，以确保系统稳定。
  9. 为确保探测器横向定位的准确性，需在两个横向方向上进行剖面测量，并在必要时校正线积分相机（LIC）的零点。
  10. 确保直线加速器的重复频率固定（标称值 = 150 Hz）。

2. 测量

  1. 首先输送 3,000 监测单位（MU）的预照射剂量，以稳定 LIC 的响应。然后对静电计进行归零。
  2. 为评估漏电流和稳定性，在射束关闭的情况下进行一系列电荷采集，持续时间与测量时间相等（100 MU 对应 7.5 秒）。将获得的平均值与射束开启时测得的数值进行比较。通常，若漏电荷小于射束开启时最小测量值的 0.03%，可视为可忽略不计。
  3. 将治疗头置于 58.5 cm 的源-皮肤距离（SSD）：使用笛卡尔模式下的遥控器，仅需在 z-方向移动 20 cm 即可。
  4. 离开治疗室，关闭门，并在操作台处设定 100 MU 的照射程序。随后启动两个静电计，输送剂量并记录 LIC 和 AIC 测得的电荷量 静态平衡方程：用于平衡分析的 (Qd^LIC 和 Qd^AIC)，示意图。。
  5. 重复该过程 10 次，以便评估统计不确定性。
  6. 完成十次测量后，进入房间并将治疗头移至下一个位置（68.5 cm SSD）。然后重复步骤 2.4 和 2.5。
  7. 当治疗头离水箱更远时，由于电荷变化遵循距离平方反比定律，测量点之间的距离可相应增加。表 1 提供了一个测量点列表及其对应每脉冲剂量的示例。

SSD 与每脉冲剂量对照表；放射治疗剂量分析，距离单位为 cm，剂量单位为 mGy/脉冲。
表 1. 两种剂量率方法（A 和 B）的测量点列表及其对应的每脉冲剂量。

3. 分析

分析数据可采用两种方法。

方法 A

  1. 对于每个距离 d，将每个测得的LIC值与其在相同距离下获得的相应AIC值求比值， Q<sub>d</sub><sup>LIC</sup> / Q<sub>d</sub><sup>AIC</sup> formula; statistical comparison method..
  2. 绘制比值 Q<sub>d</sub><sup>LIC</sup> / Q<sub>d</sub><sup>AIC</sup> formula; statistical comparison method.根据每脉冲剂量绘制曲线，并通过线性拟合获得在每脉冲剂量为零时的外推比值， R0.
  3. 假设在 0 mGy/脉冲时收集效率等于 1，将步骤 3.A.1 中计算的所有比值归一化至前一步骤外推得到的数值，以获得以下数值 f (即 将每个比值按某一因子进行缩放，使得 k R0 = 1).
  4. 绘制数值 f 根据每次脉冲剂量值绘制曲线，以表示收集效率的变化。误差棒可通过各距离处重复测量得到的 LIC 和 AIC 电荷的不确定度传播计算得出。

方法 B

  1. 取LIC在200 cm（198.5 cm SSD）和60 cm（58.5 cm SSD）处读数的比值 静态平衡方程，Q<sub>LIC</sub>200/Q<sub>LIC</sub>60，用于负荷分析的公式。，以及AIC读数的比值 静态平衡方程，Q<sub>LIC</sub>200/Q<sub>LIC</sub>60，用于负荷分析的公式。。
  2. 对以下方程进行数值求解，得到 u200。
    静态平衡方程，对数比公式，教学图示，数学分析。
  3. 将 u200 的值代入下述关系式，计算在200 cm距离处的收集效率 f。
    对数函数方程，\( f_{200} = \frac{1}{u_{200}} \ln(1 + u_{200}) \)，用于教学。
  4. 只要电荷比大于3，即可使用其他距离（而非60 cm）的比值来计算效率。该方法可用于评估所计算的 u 和 f 值的不确定性。
  5. 利用下述关系式计算所有测量点的参数 u（选择距离使得 研究图示中的静态平衡方程 Q^AIC_d1/Q^AIC_d2 ≥ 3。）
    化学动力学方程；静态平衡分析；反应速率常数研究。
  6. 根据下述关系式计算所有收集效率 fd ：
    经济学中需求率（f_d）的数学计算公式；文本中显示的方程。
  7. 绘制 f 值与每脉冲剂量值的关系图，以表示收集效率的变化趋势。误差棒可通过传播在每个距离处重复测量所评估的LIC和AIC电荷的不确定性来计算。

结果

在图3中，方法A测得的收集效率f随每脉冲剂量的变化情况被绘制出来，剂量范围为0至1.6 mGy/脉冲，其中可观察到信号有2%的损失。数据点呈现出线性行为。误差棒显示了该方法本身存在的重要不确定性，而这些不确定性可通过使用方法B显著降低。还需注意的是，在该方法中假设AIC的响应不受复合效应影响，但这并不一定完全成立。为验证这一点，可仅使用AIC在建成帽中（无需水箱）进行类似的测量，并对逆平方距离进行校正；可观察到微小偏差，并将其纳入不确定度的评估中。

图4展示了通过第二种方法（B）计算得到的收集效率。该方法更为精确，且能够提供f的绝对值。其偏离线性行为的程度较小，信号损失略低于方法A。

作为方法B的直接应用，可通过简单取收集效率f的倒数来计算校正因子，以校正在给定单脉冲剂量下的普遍复合效应。随后可将这些因子应用于相对深度剂量测量值。图5展示了使用二极管（不受复合效应影响）以及使用液态离子室（LIC）在校正前后测得的相对深度剂量曲线。当曲线在240 mm深度处归一化（该深度下复合效应可忽略）时，各曲线相互重合，表明校正因子有效补偿了建成区内的复合效应（该区域单脉冲剂量最高，因此校正因子也最大）。这表明所计算的校正因子是准确的，同时也验证了双剂量率方法的有效性。

医疗室内机器人手术装置、先进外科设备、精密操作技术。
图1. Cyberknife 系统。 用于测量的 Cyberknife 系统视图，加速器机头朝下。水箱可根据机头上方可用空间情况，放置在地面上，或放置在房间后部可见的机器人治疗床上。

声纳波束反射示意图、水箱实验、声学干涉、目标检测
图 2. 实验装置示意图。 本图展示了AIC和LIC并排放置在水箱内（水深1.5 cm），位于声束中心，声束方向向下。箭头表示在每组测量之间加速器机头的移动轨迹，起始距离为60 cm（源皮距SSD为58.5 cm），终止距离为200 cm（源皮距SSD为198.5 cm）。

剂量-反应曲线、数据分析、图表，展示每次脉冲的剂量与f的关系及线性趋势线。
图3. 总体收集效率，方法A。 根据方法A获得的每次脉冲剂量（单位：mGy/脉冲）与总体收集效率f的关系图。

剂量-反应曲线、线性趋势、误差条；放射学暴露分析、数据可视化。
图 4. 总体收集效率，方法 B。 根据方法 B 的结果，绘制总体收集效率随每脉冲剂量的变化曲线。

PDD 与深度关系图，包含二极管、microLion、microLion 校正后数据；肿瘤剂量分析图。
图5. 相对深度剂量测量的应用。 由二极管测量获得的相对深度剂量以蓝色显示。LIC 测量结果由红色（未校正）和黄色（校正后）曲线表示。请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

上述方法可用于在较宽剂量率范围（0.14 至 1.58 mGy/脉冲）内评估液体电离室（LIC）中的复合效应。方法 A 简单，但相比方法 B 具有更大的不确定性；方法 B 可提供较为准确（且绝对）的收集效率值 f。在整个研究范围内，复合效应导致信号损失约 2%，但该范围大于常规测量中通常覆盖的范围。输出因子的最大误差为 0.35%，而在百分深度剂量测量中，该误差可达 1%，结果部分已对此进行了说明。

实施该方案的关键在于实验的初始设置，因为所有测量均相对于治疗头的初始位置进行。因此，应仔细准确测量初始源皮距（SSD），以便将探测器读数与每次脉冲的剂量相关联。探测器在水中的放置同样重要；需注意确保测量有效点（对于microLion探测器而言，位于入射窗后方1 mm处）位于水面以下1.5 cm的位置。此外，1小时的延迟和预照射剂量也至关重要，用以稳定800 V电源和温度。

直线加速器的重复频率直接影响每次脉冲的剂量。在800 MU/min和150 Hz频率下，每次脉冲的剂量为0.89 mGy/pulse。为确保距离是唯一影响每次脉冲剂量的变量，所有测量均应固定该频率。在连续束流情况下，该方法经适当调整后也可适用7。对于无法通过直接移动治疗头来改变源皮距（SSD）的其他设备，可通过调节重复频率以引入每次脉冲剂量的变化。若该参数亦被固定，则仍可通过移动电离室（LIC）及水箱中水面位置来改变SSD，但该方法的准确性可能低于本研究中采用的治疗头移动方式。

小野型液体电离室用于小野剂量学应用的表征过程中，下一步是研究其他可能引起响应扰动的因素，例如探测器材料和体积效应即 敏感体积与射束尺寸相比并不微小）这一事实。这可以通过蒙特卡罗模拟实现5考虑到这些因素后，可将全局校正因子应用于临床常规测量中获得的LIC读数（输出因子、百分深度剂量、剂量分布），以完全消除扰动影响。

在对这些扰动效应进行全面表征和校正后，LIC 可作为小束流剂量测量的附加探测器，用于独立验证其他探测器测量的剂量分布曲线、百分深度剂量和输出因子。其在纵向方向上极高的空间分辨率也适用于仅有一个维度较小的矩形射野的剂量测量。例如 螺旋断层放疗。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
MicroLion 电离室PTW31018http://www.ptw.de/2263.html
Unidos Webline 剂量计PTWhttp://www.ptw.de/unidos_webline_dosemeter_rt0.html
高压电源PTWhttp://www.ptw.de/2265.html
MP3 水扫描系统PTWhttp://www.ptw.de/2032.html
0.125 cm3 SemiFlex 电离室PTW31010http://www.ptw.de/semiflex_chambers0.html?&cId=6069
CyberknifeAccuray

参考文献

  1. Das, I. J., Din, G. X., Ahnesjö, A. Small fields: non-equlibrium radiation dosimetry. Med. Phys. 35 (1), 206-215 (2008).
  2. Wickmann, G., Nystrom, H. The use of liquids in ionization chambers for high precision radiotherapy dosimetry. Phys. Med. Biol. 37 (9), 1789-1812 (1992).
  3. Chung, E., Soisson, E., Seuntjens, J. Dose homogeneity specification for reference dosimetry of nonstandard fields. Med. Phys. 39 (1), 407-414 (2011).
  4. Francescon, P., Kilby, W., Satariano, N., Cora, S. Monte Carlo simulated correction factors for machine specific reference field dose calibration and output factor measurement using fixed and iris collimators on the Cyberknife system. Phys. Med. Biol. 57 (12), 3741-3758 (2012).
  5. Wagner, A., Crop, F., Lacornerie, T., Vandevelde, F., Reynaert, N. Use of a liquid ionization chamber for stereotactic radiotherapy dosimetry. Phys. Med. Biol. 58 (8), 2445-2459 (2013).
  6. Johansson, B., Wickman, G., Bahar-Gogani, J. General collection efficiency for liquid iso-octane and tetramethylsilane in pulsed radiation. Phys. Med. Biol. 42 (10), 1929-1938 (1997).
  7. Andersson, J., Tölli, H. Application of the two-dose-rate method for general recombination correction for liquid ionization chambers in continuous beams. Phys. Med. Biol. 56 (2), 299-314 (2010).
  8. Sjgren, R., Wendelsten, M. A two-dose-rate method for general recombination correction for liquid ionization chambers in pulsed beams. Phys. Med. Biol. 55 (15), 4247-4260 (2010).
  9. Boag, J. W. Ionization measurements at very high intensities: part I. Pulsed radiation beams. Br. J. Radiol. 23 (274), 601-611 (1950).
  10. Boag, J. W. The saturation curve for ionization measurements in pulsed radiation beams. Br. J. Radiol. 25 (300), 649-650 (1952).
  11. Stewart, K. J., Elliott, A., Seuntjens, J. P. Development of a guarded liquid ionization chamber for clinical dosimetry. Phys. Med. Biol. 52 (11), 3089-3104 (2007).
  12. Yin, Z., Hugtenburg, R. P., Beddoe, H. Response corrections for solid-state detectors in megavoltage photon dosimetry. Phys. Med. Biol. 49 (11), 3691-3702 (2004).
  13. Griessbach, I., Lapp, M., Bohsung, J., Gademann, G., Harder, D. Dosimetric characteristics of a new unshielded silicon diode and its application in clinical photon and electron beams. Med. Phys. 32, 3750-3754 (2005).
  14. Accuray Inc., Physics Essentials Guide P/N 032515A-ENG. Accuray Inc. , (2010).

重印与许可

标签

Cyberknife MicroLion
用于放射外科加速器剂量测量的液体电离室中复合效应的表征
联系我们
向图书馆推荐

隐私

使用条款

政策

版权所有 © 2026 MyJoVE Corporation。保留所有权利。