兩種材質(zhì)的金屬植入物對放療劑量分布影響的研究

何雪平，倪昕曄

1. 張家港市第一人民醫(yī)院 放射治療科，江蘇 蘇州 215600；2. 常州市第二人民醫(yī)院 放射治療科，江蘇 常州 213003

引言

在臨床放療工作中，患者體內(nèi)有時(shí)會(huì)有金屬植入物，原因如下：① 金屬植入物在腫瘤內(nèi)或非?？拷[瘤，外科手術(shù)（并置入植入物）結(jié)合放射治療是一種常見的治療骨科腫瘤方法[1]，惡性骨腫瘤的放療在腫瘤治療中取到了越來越重要的作用[2-4]；② 金屬植入物雖離腫瘤較遠(yuǎn)，但照射野有可能會(huì)穿過金屬植入物到達(dá)治療區(qū)域，如臨床中經(jīng)常有置入植入物的腫瘤患者（如植入人工股骨頭的宮頸癌、前列腺癌患者）接受放射治療[5-8]。

骨科金屬植入物目前常以不銹鋼、鈦合金為主，不銹鋼的密度為7.91 g/cm3，鈦合金的密度為4.54 g/cm3。不銹鋼主要成分為鐵、鉻、鎳，以及少量的氮、錳、硅、硫、鉬等，擁有良好的機(jī)械性，在體內(nèi)較易腐蝕，因此常作暫時(shí)性的內(nèi)置物。鈦基合金植入物，含有鋁和釩，耐腐蝕性好，價(jià)格較貴，常作永久性植入物使用。本文詳細(xì)研究不同材質(zhì)（不銹鋼、鈦合金）的植入物對放射治療的影響。

1 材料與方法

目前在金屬植入物、高低密度轉(zhuǎn)換處劑量最精確的算法是蒙特卡羅算法（Monte Carlo）[9]，加速器治療頭是影響射線品質(zhì)的主要因素，治療頭包括靶、初級準(zhǔn)直器、均準(zhǔn)塊、電離室和反射鏡等。在蒙特卡羅算法中模擬加速器治療頭最強(qiáng)大的軟件工具之一是EGS4，在此基礎(chǔ)上形成了EGSnrc軟件[10-11]，用此軟件對直線加速器進(jìn)行建模及計(jì)算，用BEAMnrc來建立加速器模型[12]，模擬的是醫(yī)科達(dá)Infinite直線加速器，由80對在離源100 cm處投影為0.5 cm寬的準(zhǔn)直器組成，由X、Y兩對準(zhǔn)直器組成的離源100 cm處的最大射野為40 cm×40 cm，X方向準(zhǔn)直器離源較遠(yuǎn)。BEAMnrc用的截面數(shù)據(jù)庫是700 icru.pegs4dat，模擬源為0號源，其半徑為0.5 mm，電子和光子的截止能量分別為0.7 Mev、0.01 Mev，計(jì)算網(wǎng)格大小為0.1 cm×0.1 cm×0.1 cm，模擬的粒子數(shù)為1×1012，以確保統(tǒng)計(jì)誤差在2%以內(nèi)，由BEAMnrc生成相空間文件，再得到三維劑量分布的文件，生成百分深度劑量（PDD）。

蒙特卡羅模擬的能量為6 MV線，源皮距（放射源沿射線的中心軸到被照射物體表面之間的距離）SSD（Source-Skin Distance）為100 cm，機(jī)頭角度和機(jī)架角度為0°，射野大小為10 cm×10 cm和3 cm×3 cm，植入物的上表面置于水下4.8 cm處，水箱的長、寬、高分別為40、40、50 cm。

共模擬不銹鋼、鈦合金兩種材質(zhì)植入物，都為國產(chǎn)。不銹鋼、鈦合金板植入物寬度都為1.3 cm，長度為14.0 cm，每一種材質(zhì)的植入物共模擬4種厚度，厚度分別為0.4、1.0、2.0、4.0 cm。

2 結(jié)果

0.4 cm厚的金屬植入物6 MV Χ線照射的百分深度劑量模擬計(jì)算結(jié)果（10 cm×10 cm），見圖1。不銹鋼、鈦合金植入物比純水時(shí)，植入物表面劑量分別增加23.4%、19.2%，劑量影響小于2.0%的地方離不銹鋼和鈦合金植入物表面的距離分別為0.5、0.3 cm，離不銹鋼和鈦合金植入物表面的距離大于0.7、0.6 cm的地方劑量影響小于1.0%；射線穿過不銹鋼、鈦合金植入物后劑量比純水時(shí)分別減少16.2%、11.5%，隨著距離的增加劑量影響減小，5 cm處劑量比純水時(shí)分別減少6.5%、2.6%。射線穿過植入物后形成明顯的二次建成效應(yīng)，圖1觀察到0.4 cm厚不銹鋼植入物出射面以下的劑量與在水中的劑量相比差距較大，能看到兩條劑量線間存在明顯的劑量差異，鈦合金植入物射線出射面以下的劑量與在水中的劑量相比差距較小。當(dāng)射野面積為3 cm×3 cm時(shí)，不銹鋼、鈦合金與在水中相比時(shí)，植入物的射線入射面劑量分別增加23.8%、19.0%，植入物的射線出射面劑量分別減少16.2%、12.2%，與射野10 cm×10 cm模擬計(jì)算結(jié)果相比沒有明顯差異。

圖1 0.4 cm厚的植入物在水中的百分深度劑量

不同材質(zhì)(不銹鋼、鈦合金) 以及不同厚度（1、2和4 cm）的植入物在水中的百分深度劑量分布，見圖2。厚度為1、2和4 cm的不銹鋼植入物射線入射面劑量與在水中劑量相比分別增加23.8%、24.0%和24.3%，厚度為1、2和4 cm的鈦合金植入物射線入射面劑量與在水中劑量相比分別增加19.8%、20.3%和20.6%。不銹鋼、鈦合金兩種材質(zhì)厚度因素對植入物射線入射面劑量影響不大，4 cm厚的不銹鋼、鈦合金植入物射線入射面劑量與相同材質(zhì)0.4 cm厚的植入物劑量相比分別增加0.9%、1.4%。

1、2和4 cm厚不銹鋼植入物射線出射面的劑量與在水中劑量相比分別減少23.0%、35.2%和55.1%，1、2和4 cm厚鈦合金植入物射線出射面的劑量與在水中劑量相比分別減少18.4%、23.6%和35.0%。對于1 cm厚的不銹鋼、鈦合金植入物，離射線出射面距離為5 cm處劑量與在水中劑量相比分別減少16.3%、7.3%；對于2 cm厚的不銹鋼、鈦合金植入物，離射線出射面距離為5 cm處與在水中劑量相比分別減少30.6%、15.6%；對于4 cm厚的不銹鋼、鈦合金植入物，離射線出射面距離為5 cm處與在水中劑量相比分別減少53.7%、30.3%。隨著金屬植入物厚度的增加，在植入物射線出射面后的百分深度劑量與在水中的百分深度劑量相比差距越來越大。當(dāng)不銹鋼、鈦合金植入物厚度較薄時(shí)，射線出射面后能形成較明顯的二次建成效應(yīng)，隨著植入物厚度的增加，出射面后的二次建成效應(yīng)變得不明顯。

圖2 不同厚度、材質(zhì)的植入物在水中的百分深度劑量

3 討論

蒙特卡羅模擬計(jì)算的結(jié)果顯示，不同厚度（0.4、1、2和4 cm）的不銹鋼、鈦合金金屬植入物射線的入射面劑量與在水在的劑量相比分別有約23%、20%的提高，隨著厚度的增加稍有增加，但是劑量影響不大。不同厚度（0.4、1、2和4 cm）的不銹鋼、鈦合金材質(zhì)的金屬植入物射線出射面劑量與在水在的劑量相比分別減少約16.2%～55.1%、11.5%～35.0%，與厚度呈正比關(guān)系，較薄的植入物對劑量的影響較小[12]。金屬植入物射線入射面表面劑量的增加主要是由于金屬材料的背向散射引起，背向散射影響效果與植入物的原子序數(shù)大小有關(guān)，原子序數(shù)越高其散射截面越大[13]，背向散射效果還與射野大小、射線的能量大小有關(guān)。在本研究中背向散射影響范圍在0.8 cm以內(nèi)，劑量影響的距離較短，這有可能是射線與金屬植入物相互作用產(chǎn)生的次級電子射程短有關(guān)，造成在離開入射面后短距離內(nèi)劑量迅速下降。金屬植入物射線出射面后形成的二次建成效應(yīng)原因是原射線穿過金屬植入物后產(chǎn)生了散射光子和次級電子，在剛開始時(shí)隨著深度的增加劑量逐步增大，一定距離后由于原射線的衰減、散射光子的碰撞和次級電子超過最大射程后其作用減弱引起總劑量的減少，形成二次建成效應(yīng)。從模擬計(jì)算的結(jié)果看出不銹鋼植入物的二次建成效應(yīng)完成的距離要長于相同厚度的鈦合金植入物。

金屬植入物放射治療劑量精確計(jì)算的原因如下：金屬偽影[14-15]、金屬植入物CT值的準(zhǔn)確讀取[16-17]、金屬密度過高導(dǎo)致常用計(jì)算方法不適用[18]等。Lin等[18]用卷積疊加算法（convolution superposition）與蒙特卡羅算法得到的劑量分布進(jìn)行比較，在射線入射表面5 mm內(nèi)，鈦金屬與鈷鉻鉬合金（CoCrMo）計(jì)算結(jié)果相比有20%、27%的減少，而在射線出射面有2%、4%的增加，造成這種計(jì)算偏差的原因?yàn)椋悍?、空氣、脂肪、骨等認(rèn)為是不同密度的水，在不同密度組織界面處會(huì)產(chǎn)生劑量計(jì)算的偏差，隨著密度進(jìn)一步增加計(jì)算偏差會(huì)更大。本課題組的前期研究結(jié)果認(rèn)為CT的掃描條件特別是電壓值對金屬CT值的讀取影響很大，應(yīng)固定管電壓，同時(shí)擴(kuò)展CT值-電子密度校正范圍用[19]。劉明等[20]用卷積算法與實(shí)際測量值進(jìn)行比較，卷積算法在不銹鋼和鈦合金射線入射面計(jì)算結(jié)果比實(shí)際測量結(jié)果分別偏低13%和12%，在射線出射面偏高6%和5%。Mian等[21]用蒙特卡羅方法計(jì)算60Co射線照鈦合金植入物入射面時(shí)劑量有15%的增加，同時(shí)進(jìn)行了實(shí)際測量，與蒙特卡羅算法結(jié)果一致。因此目前蒙特卡羅算法是計(jì)算金屬植入物時(shí)放療劑量分布最準(zhǔn)確的算法。

出射面劑量增高的現(xiàn)象叫做背向散射[22]，金屬表面的劑量變化稱為背向散射因子，該因子與原子序數(shù)成正比，原子序數(shù)越大，因子也越大，因?yàn)樵有驍?shù)高的物質(zhì)有較高的散射截面[23]，鉛的背向散射因子可達(dá)1.7以上，背向散射因子還與金屬厚度、射野大小、射線的能量等因素有

關(guān)[22,24]。

4 結(jié)論

本文通過蒙特卡羅方法模擬了加速器6 MV的X射線照射在水中的不銹鋼、鈦合金植入物（0.4、1、2、4 cm厚），計(jì)算其表面（射線入射面和出射面）的劑量變化，在不銹鋼、鈦合金植入物的射線入射面相對于水分別大約有24%、20%的提高，不銹鋼、鈦合金金屬植入物出射面劑量相對于水分別減少大約16.2%～55.1%、11.5%～35.0%。不銹鋼植入物對放射劑量的影響大于鈦合金植入物。