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  中华放射医学与防护杂志  2016, Vol. 36 Issue (12): 939-942   PDF    
引用本文
李明生, 袁继龙, 程金生. 应用PEAKFINDER测量点扫描碳离子束深度剂量分布[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2016, 36(12): 939-942, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2016.12.013.
应用PEAKFINDER测量点扫描碳离子束深度剂量分布
李明生, 袁继龙, 程金生     
100088 北京, 中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所 辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室
收稿日期: 2016-06-28
通信作者: 程金生, Email:addila@qq.com
PEAKFINDER-based measurement of carbon ion beam depth dose distribution
Li Mingsheng, Yuan Jilong, Cheng Jinsheng     
Key Laboratory of Radiological Protection and Nuclear Emergency, China CDC, National Institute for Radiological Protection, Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 100088, China
Corresponding author: Cheng Jinsheng, Email: addila@qq.com

近些年, 国内出现了两家利用碳离子束流治疗癌症的放疗装置, 分别为兰州近代物理研究所研制的散射碳粒子束治疗设备与上海市质子重离子医院的主动式点扫描碳离子治疗设备。这两台设备代表了两种不同类型的碳离子束流:散射束流与点扫描束流。碳离子散射束流主要指的是经过散射体和射程调制器扩展后的碳离子束流; 主动式点扫描束流, 也称为笔形束, 它利用偏转磁铁控制束流扫描位置, 能量变化调节碳离子束流的深度分布形成类似笔形的碳离子束流[1-2]。碳离子治疗装置在投入临床治疗前, 需要进行大量的质量控制测试, 其中, 碳离子深度剂量分布是碳离子治疗装置质量控制检测的重要内容。通过测量碳离子束流深度剂量分布可以了解治疗装置的最大剂量点(布拉格峰)位置以及最大穿透深度等重要信息。

碳离子束流深度剂量分布可采用平行板电离室或者胶片进行测量[3-4]。本研究参考国外文献, 采用了PEAKFINDER (属于平行板电离室)对于上海市质子重离子医院的放疗设备碳离子束流深度剂量分布进行了质量控制测量, 获得相关的参数, 并对测量结果进行讨论。

一、 材料与方法

1.测量设备介绍:PEAKFINDER是德国PTW公司生产的用于测量质子和重离子水中剂量分布以及布拉格峰位置的工具。PEAKFINDER包含两个充满水的波纹管, 其中一个作为吸收射线的水吸收体, 另外一个在远端作为蓄水池, 水吸收体的厚度范围在1.5到35.5 cm, 厚度变化值最小可达0.01 mm (具体量厚度由用户设定)。PEAKFINDER内置两个布拉格峰电离室, 分别作为测量和参考电离室, 测量电离室电极直径81.6 mm, 测量体积10.5 cm3。该电离室可以收集所有散射粒子, 精确的确定粒子位置, 其空间精度在10 μm。PEAKFINDER测量步进精度可以调节, 本次测量对于重点关注区域设置了0.02 mm步进精度, 其余剂量分布区域设置了1 mm步进精度, 低能区域测量范围20~100 cm, 中能区域测量范围20~200 cm, 高能区域测量范围20~320 cm。

2.束流参数:上海质子重离子医院的粒子治疗设备可输出质子治疗束和碳离子治疗束。碳离子束流能量从86到430 MeV/u, 共291档能量。碳离子束流检测时选取了低能区、中能区和高能区作为检测能档, 分别为138.3、268.9和377.0 MeV/u, 测量时碳离子束流强度为6.5×107/s, 射野统一为10 cm×10 cm。

3.质量控制:由于国内尚未有关碳离子治疗设备的质量控制检测规范, 对该设备的质量控制检测主要依据厂家标准、国外相关类似设备的检测规范进行对比测量验证[5-7], 国际上一般要求布拉格峰位置与穿透深度的标称值和实测值偏差在±1 mm范围内, 重复性在±1 mm内。

应用PEAKFINDER主要验证最大剂量点与穿透深度的重复性, 同时也可验证最大剂量点与穿透深度实际位置。测量时按照设定先测量3次, 比较测量结果与标称值差异大小, 如果接近可按照3次测量结果计算重复性, 若差异较大则至少测量5次作为计算重复性依据。数值的标准差作为重复性的结果。

二、 结果

低、中、高能碳离子束水中深度剂量分布及峰值重点关注区域见图 1~3。重点关注的指标为最大剂量点和穿透深度位置, 分别标记为100%和90%。138.3、268.9、377.0 MeV 3挡能量最大剂量点测量结果分别为(46.16±0.02)、(144.18±0.03)和(251.27±0.03) mm, 穿透深度测量结果分别为(46.31±0.00)、(144.49±0.00)和(251.50±0.01) mm, 标准差即测量重复性, 根据参考标准[2]均 < ±1, 符合要求。

图 1 138.3 MeV/u碳离子水中深度剂量分布示意图A.第1次测量结果; B.图A峰值部分的放大结果; C.第2次测量结果; D.图C峰值部分的放大结果; E.第3次测量结果; F.图E峰值部分的放大结果 Figure 1 The carbon ions depth dose distribution in water with energy 138.3 MeV/u A. The first measurement results; B. The amplified results of A peak; C. The second measurement results; D. The amplified results of C peak; E. The third measurement results; F. The amplified results of E peak

图 2 268.9 MeV/u碳离子水中深度剂量分布示意图A.第1次测量结果; B.图A峰值部分的放大结果; C.第2次测量结果; D.图C峰值部分的放大结果; E.第3次测量结果; F.图E峰值部分的放大结果 Figure 2 The carbon ions depth dose distribution in water with energy 268.9 MeV/u A. The first measurement results; B. The amplified results of A peak; C. The second measurement results; D. The amplified results of C peak; E. The third measurement results; F. The amplified results of E peak

图 3 377.0 MeV/u碳离子水中深度剂量分布示意图A.第1次测量结果; B.图A峰值部分的放大结果; C.第2次测量结果; D.图C峰值部分的放大结果; E.第3次测量结果; F.图E峰值部分的放大结果 Figure 3 The carbon ions depth dose distribution in water with energy 377.0 MeV/u A. The first measurement results; B. The amplified results of A peak part; C. The second measurement results; D. The amplified results of C peak; E. The third measurement results; F. The amplified results of E peak

三、 讨论

点扫描碳离子束的深度剂量分布是离子治疗设备质量控制内容的重要指标, 通过测量束流深度剂量分布, 可以获取碳离子束流多项指标, 包括最大剂量点与穿透深度等。采用PEAKFINDER可以快速(实时显示)、精确(精确度0.01 mm)测量最大剂量点和穿透深度的位置与重复性。

国内的碳离子束流治疗刚刚起步, 质量控制工作也刚开始, 尚未有相应的质量控制标准与规范, 对于碳离子的标称最大剂量点以及穿透深度的标称值尚不明确, 因此本研究仅仅对于其重复性进行了评定。按照厂家标准和国际上通用的质量控制规范, 最大剂量点与穿透深度重复性偏差在±1 mm范围内, 从本研究测量结果的标准差来看, 该设备的最大剂量点与穿透深度符合规范的要求。

PEAKFINDER测量数据为各个步点的剂量值, 出于测量结果需要, 测量结果改为相对剂量, 这样更容易获得最大剂量点以及穿透深度的位置, 同时PEAKFINDER内置电离室未经校准, 测量结果准确性尚未评估。在本研究放大图中可看到一些异常剂量点, 在连续区域的剂量值突然变大或者突然变小现象, 现在尚不清楚这些异常剂量点是由碳离子能量波动引起还是由PEAKFINDER引起, 对此需作进一步研究。

利益冲突 本文涉及内容和其他个人及组织没有任何利益冲突
作者贡献声明 李明生设计实验和撰写论文; 袁继龙协助实验; 程金生数据处理和修改论文
参考文献
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[5] Karger CP, Jäkel O, Palmans H, et al. Dosimetry for ion beam radiotherapy[J]. Phys Med Biol, 2010, 55 (21) : R193-234 DOI:10.1088/0031-9155/55/21/R01
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