EDR2膠片對掃描質子碳離子束的能量響應研究

孫威，李永強

1.上海市質子重離子醫院 放射物理科，上海 201321；2.上海市放射腫瘤學重點實驗室，上海 201321 3.上海質子重離子放射治療工程技術研究中心，上海 201321

引言

與常規光子治療相比，質子重離子在國際上被廣泛應用于腫瘤放射治療[1-2]。束流傳輸采用主動式點掃描，是一種新型的治療方式[3]，該方式主要通過電子計算機將靶區垂直于束流入射方向模擬分層，再控制束流進行逐點逐層掃描，以提高射線照射的準確性和治療效果[4]，其劑量驗證是臨床質量保證工作的一個重要環節。劑量驗證一般采用點劑量測量和面劑量分布測量。膠片因其優良的劑量學特性和空間分辨率而被廣泛應用[5-6]，常作為放療質量驗證、質量控制工具。若采用膠片測量絕對劑量，其分析的可靠性很大程度上依賴于外部因素的穩定性及校準膠片掃描儀的精確性等，同時也受射線能量的影響。與EBT3、X-Omat V 等膠片相比[7]，EDR2膠片具有廣泛的劑量響應，在光子應用中，可測量劑量高達7 Gy。目前針對EDR2 膠片的質子重離子能量響應的研究較少[8]，本研究將進一步探討EDR2 膠片對不同能量的質子重離子的劑量響應，為計劃驗證和質量控制提供相應的參考數據。

1 材料與方法

1.1 膠片的輻照和劑量測量

將膠片固定在RW3 膠片支架上進行照射（圖1），膠片在束流方向覆蓋7 mm 聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate，PMMA）固體水，每張膠片接受同一能量、9 個不同劑量、掃描范圍為5.0 cm×5.0 cm 的質子或碳離子束垂直均勻照射，9 個不同劑量在同一物理計劃中執行（圖2a）。本研究使用的EDR2 膠片均為同一批次，減少因膠片涂層厚度不同而引起的偏差。

圖1 膠片照射和劑量測量示意圖

圖2 EDR2膠片同一能量的質子（或碳離子）不同劑量照射野分布示意圖（a）和柯達標準灰梯度膠片（b）

在劑量測量中，相應劑量的射野大小、粒子數、覆蓋PMMA 的厚度與膠片輻照對應的條件一致，每種劑量對應的物理計劃單獨執行，射野中心設定在治療中心處。絕對劑量使用標準電離室PTW TM30013 測量，該電離室在水中的吸收劑量刻度因子已通過德國計量認證聯盟的PTW 劑量學實驗室校準。根據電離室所測讀數和國際原子能機構TRS 398 號報告[9]，在治療室束流等中心處的固體水電離室支架上進行絕對劑量測量。劑量測量點在射束中心軸上（圖1），在不放置膠片的情況下，使探測器截面垂直于中心軸，將9 個不同劑量照射野（共9 個物理計劃）中心分別調至測量點處，將靈敏區面積置于照射野范圍內，每個物理計劃（相同劑量）重復照射3 次，取測量讀數平均值。

1.2 輻照EDR2膠片的數據分析程序

1.2.1 膠片掃描儀校準

在掃描EDR2 膠片之前對膠片掃描儀進行校準，以獲取準確的掃描數據。用膠片掃描儀掃描柯達標準灰梯度膠片（圖2b），該膠片不同灰度區域內的凈光度（Optical Density，OD）值均為已知，稱為標稱凈光度。掃描該標準膠片后，采用Image J 軟件，在對應已知標稱凈光度處選取大小為2.0 cm×2.0 cm 的區域，求得該區域的像素值，并轉換為OD 值。根據已知標稱凈光度和獲取的OD 值，采用最小二乘法擬合數據，得出標稱凈光度與掃描儀獲得的OD 值之間的關系。

1.2.2 膠片的OD值校準

照射完成后，EDR2 膠片在20 min 內利用洗片機（Carestream 公司的Dosimetry Pro，美國）完成沖洗。沖洗所用的顯影液與定影液由KODAK X-OMAT EX II 顯影液原液與KODAK RP X-OMAT 定影液原液加蒸餾水各定容至20 L 充分攪拌配制而成。沖洗時顯影液與定影液溫度設置為28℃，每張膠片的沖洗時間為105 s。之后使用膠片掃描儀（VIDAR 公司的DosimetryPRO Advantage，美國）掃描，掃描的分辨率為72 dpi，掃描圖片儲存為48 位TIFF 文件。通過軟件Image J 提取膠片紅色通道數據（像素）[10]，并轉成OD。本研究僅用膠片掃描后的紅光通道數據進行校準，每個校準野選取中心處固定區域（約1.0 cm × 1.0 cm），平均OD 值代表該區域OD 值。由膠片的像素灰度值計算得到OD 值，膠片OD 值的計算方式如公式（1）所示[11]。

式中，PV0、PV1分別為未曝光、曝光的像素灰度值。

OD 隨劑量的變化趨勢為劑量響應函數，劑量響應函數并不是一個線性函數[12]。由于EDR2 膠片校準曲線在劑量范圍（0～5.0 Gy）區間的劑量響應呈線性關系[13]，因此以該劑量區域的直線型劑量響應為研究對象，直線的斜率為劑量響應因子（Dose Response Factor，DRF）。獲取不同能量質子重離子的DRF 采取相同方法，不同能量的DRF 體現出EDR2 膠片對質子重離子的能量響應情況。

2 結果

2.1 膠片掃描儀校準

標準灰梯度膠片掃描后，采用Image J 獲取像素值。將像素轉化為OD，建立OD 和標稱凈光度的對應關系（圖3）。曲線表示OD 與未照射區域的像素/照射區域（已知標稱凈光度區域）比值之間的關系。采用最小二乘法，建立標稱凈光度和OD 擬合關系，擬合相關系數R2為0.999（R2的大小反應擬合程度，理想值為1），標準灰梯度膠片標稱凈光度與掃描儀所得OD 之間具有較好的線性關系。

圖3 OD與標稱凈光度的對應關系

2.2 碳離子和質子輻照的DRF

同一能量的質子（碳離子）經過不同劑量照射后沖洗、掃描，并采用Image J 獲取像素，計算出OD 后，得到劑量與OD 的關系。如圖4 所示，隨著劑量的增加，OD 逐漸趨于飽和狀態。以能量為218.56 MeV（能量ID：290）的質子和424.89 MeV/u（能量ID：290）的碳離子為例，當劑量大于4 Gy 時，劑量與OD 為二次函數關系，OD 逐漸趨于飽和；當劑量小于4 Gy 時，EDR2 膠片的OD 與劑量呈線性變化趨勢。直線的斜率為DRF，單位為OD/Gy。劑量大于4 Gy 時，質子DRF隨劑量的增加而減小，而碳離子DRF 隨劑量的增加而增大。本研究選取線性部分進行分析，從線性部分擬合結果可以看出（圖4），選擇的擬合公式合理，碳離子擬合相關系數R2為0.996，質子擬合相關系數R2為0.9993。

圖4 EDR2膠片劑量響應函數

2.3 EDR2膠片能量響應曲線

將DRF 歸一到最大能量對應的DRF，為N_DRF（表 1）。EDR2 膠片在11 種能量的質子和碳離子下的能量響應曲線如圖5 所示，能量響應曲線采取多項式曲線擬合，質子重離子的能量響應趨勢一致。隨著能量增大，DRF 增大，說明EDR2 膠片DRF 依賴于質子重離子能量。對于碳離子的最高能量（424.89 MeV/u）和最低能量（97.87 MeV/u），DRF值分別為0.25 OD/Gy和0.11 OD/Gy，能量響應曲線多項式擬合相關系數R2為0.9995；對于質子最高能量（218.56 MeV）和最低能量（53.04 MeV），DRF值分別為0.52 OD/Gy和0.40 OD/Gy，能量響應曲線多項式擬合相關系數R2為0.9981。結果表明EDR2膠片的DRF對碳離子的能量響應更敏感。

表1 11種能量的質子和碳離子照射EDR2膠片對應的DRF

圖5 EDR2膠片在11種能量的質子和碳離子下對應的能量響應曲線圖

3 討論

僅在合適的校準后，膠片可用于測定相對或絕對劑量，但在實際情況下，由于不同批次的膠片乳膠涂層存在差異，OD 很難完全一致。即使是同一批次膠片，受沖洗條件、膠片掃描機的狀態等因素影響，膠片劑量測量也存在差異。本研究使用的EDR2 膠片為同一批次，減少了OD 因乳膠涂層厚度變化而產生的偏差，且對沖洗過程中使用的設備進行日常質量控制，減少了膠片沖洗過程對OD 值的影響。

Yonai 等[14]對于EBT3 和EBT-XD 膠片的研究顯示，膠片對于碳離子束的相對效率（Relative Efficiency，RE），即膠片在某一射線照射下得到某一OD 所需劑量與在標準射線（如60Co 射線）照射下得到相同OD 所需劑量的比值，與射線的傳能線密度（Linear Energy Transfer，LET）成反比。王巍偉等[15]研究顯示，受相同劑量照射時，EDR2 膠片的OD 與碳離子的LET 成反比。Smith 等[16]對于EBT3 膠片對質子的響應研究表明，隨著質子劑量平均LET 的增加，膠片的RE 呈下降趨勢。以上研究均表明，對于質子碳離子束，膠片的響應與射線的LET 呈負相關。由描述帶電粒子在介質中能量損失機制的Bethe-Bloch 理論[17]可知，LET 反比于入射粒子速度的平方，而入射粒子速度的平方則正比于粒子的能量，即粒子的能量越高，其LET 越低。本研究證實，對于碳離子照射，EDR2 膠片的DRF 隨著能量的增加而增加，因為能量越高，LET 越低，膠片的響應越明顯，這與王巍偉等[15]的研究結論一致。

膠片劑量學中的一個關鍵參數是DRF，該參數表示OD 和劑量間的函數關系。從本研究可以看出，OD 和劑量的函數關系受能量影響較大。由于常規分割單個質子碳離子束流通常物理劑量較低（＜1.0 Gy），在常規分割質子重離子放療中，膠片的OD 與劑量呈線性關系，膠片的劑量能量響應曲線可用于不同能量的質子碳離子劑量驗證。獲得質子重離子能量后，按照曲線公式計算對應的DRF，獲取劑量在4 Gy 以下的劑量值。當對膠片能量響應校準后，EDR2 膠片可適用于不同能量質子碳離子的測量。

綜上所述，使用EDR2 膠片測量碳離子和質子劑量，可得EDR2 膠片對能量依賴性顯著，且DRF 隨著能量的增加而增加。使用膠片測量不同能量質子和碳離子劑量時，需校準能量響應，以減小測量誤差。