醫(yī)用發(fā)泡膠對(duì)粒子劑量影響的模擬研究

肖 楊 張慶賢

1（成都理工大學(xué) 成都610000）

2（重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院 重慶400010）

目前發(fā)泡膠在放療體位固定中運(yùn)用越來越廣，黎文玲［1］、黃清秀［2］等報(bào)道了發(fā)泡膠相對(duì)于普通樹脂頭枕的擺位精度更高，原因?yàn)榘l(fā)泡膠采用主動(dòng)塑性的方式形成個(gè)性化的固定裝置，但是正是由于該特點(diǎn)，部分特殊體位患者，如脊柱彎曲、受腫瘤壓迫不能平躺等使用的發(fā)泡膠相對(duì)較厚。由于發(fā)現(xiàn)在使用發(fā)泡膠進(jìn)行治療的患者其皮膚反應(yīng)較其他使用普通樹脂頭枕患者更重，且無法預(yù)估發(fā)泡膠厚度對(duì)患者實(shí)際接受劑量的影響，覃仕瑞［3］等通過治療計(jì)劃系統(tǒng)（Treatment Planning System，TPS）比較了發(fā)泡膠對(duì)于鼻咽癌劑量的影響，結(jié)果表明：使用發(fā)泡膠對(duì)靶區(qū)劑量和正常組織均有不同程度的降低，但在允許誤差范圍之內(nèi)。通過對(duì)本科室15 例發(fā)泡膠厚度實(shí)際測量，顯示最厚在頸部C3-C4位置約8 cm，最薄在T6 位置約3 cm，平均厚度5 cm，1 例脊柱彎曲肺部腫瘤患者最厚達(dá)15 cm。所以關(guān)于發(fā)泡膠厚度對(duì)粒子劑量影響的探究顯得尤為重要，而實(shí)際測量受制作均勻性、厚度準(zhǔn)確性與測量設(shè)備的限制，所以通過蒙特卡羅方法來進(jìn)行分析計(jì)算，金浩宇［4］、Mohan［5］等已經(jīng)驗(yàn)證蒙特卡羅方法在模擬計(jì)算加速器產(chǎn)生的粒子劑量方面的可行性與優(yōu)勢，而且可從多方面、多角度等原始數(shù)據(jù)反映粒子劑量的變化。

首先對(duì)發(fā)泡膠的物理性質(zhì)進(jìn)行描述和建模，發(fā)現(xiàn)其是一種具有發(fā)泡特性和粘結(jié)特性的膠，其材質(zhì)主要是聚氨酯預(yù)聚體（Polyurethane Foam Sealing Agent，PU FOAM），其化學(xué)分子式為（C10H8N2O2C6H14O3）x，密度為0.9 g·cm-3，實(shí)際使用時(shí)通過A料（異氰酸酯）與B料（復(fù)合聚醚類多元醇）混合，然后與空氣反應(yīng)，迅速發(fā)泡冷卻定型，時(shí)間約為10 min，在發(fā)泡過后由于受發(fā)泡均勻性的影響，通過實(shí)際測量20組定型后的發(fā)泡膠，顯示其在密度范圍為0.09～0.11 g·cm-3，所以本次模擬取均值0.1 g·cm-3。目前發(fā)泡膠都用于頭、頸和胸部的固定，而大腦、肺部和肝部腫瘤又都采用立體定向放射治療，所以研究不同厚發(fā)泡膠對(duì)加速器不同模式劑量影響對(duì)臨床使用有一定參考作用。

1 材料與方法

1.1 模型建立

使用加拿大國家研究院（National Research Council of Canada，NRCC）開發(fā)的EGSnrc 系列程序［6］進(jìn)行模擬計(jì)算，首先建立發(fā)泡膠的材料數(shù)據(jù)庫，利用EGSgui 通過PEGS Date 生成相應(yīng)材料的反應(yīng)截面以及系統(tǒng)能夠識(shí)別的材料數(shù)據(jù)；然后利用BEAMnrc［7］建立加速器模型（圖1），本次加速器模型采用Varian 公司（美國）提供的True Beam系列參數(shù)進(jìn)行建模，機(jī)頭主要由靶材料、初級(jí)準(zhǔn)直器、均整器、監(jiān)測電離室［8-9］、反射鏡、次級(jí)準(zhǔn)直器、多頁光柵［10］和十字膜組成，同時(shí)首次將發(fā)泡膠模型納入到加速器結(jié)構(gòu)底端，保證相空間結(jié)構(gòu)為100 cm，利用生成的相空間文件和BEAMdp 進(jìn)行能譜（Spectral Distribution，SD）和 能 量 注 量（Energy Fluence Distribution，EFD）計(jì)算，再利用Dosexyznrc［11］進(jìn)行體素能量沉淀計(jì)算，最后利用statdose 進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。

1.2 參數(shù)設(shè)置

選擇在源皮距SSD=100 cm 處生成加速器相空間文件，射野大小10 cm×10 cm，BEAMnrc模擬粒子數(shù)109個(gè)，采用進(jìn)行高斯分布半峰全寬FWHM=0.075 cm的6 MeV［12-13］電子源，利用輻射光子分裂技術(shù)（Bremstrahlung Photon Splitting，BPS）提高劑量產(chǎn)生效率，全局范圍的電子截止能量（ECUT）=0.7 MeV，全局范圍的光子截止能量（PCUT）=0.01 MeV，邊界穿越算 法（Boundary Crossing Algorithm，BCA）采 用PRESTA-I以提高高能粒子的利用效率，利用直接韌致輻射（Directional Bremsstrahlung Splitting，DBS）技術(shù)減小誤差［5］，以生成的相空間文件作為入射源，其余采用默認(rèn)設(shè)置。Dosexyznrc 設(shè)置水箱尺寸為20 cm×20 cm×40 cm，體素大小為0.1 cm×0.1 cm×0.2 cm，水箱位置與發(fā)泡膠相接，模擬粒子數(shù)109個(gè)。引入深度劑量衰減百分（Dose Reduction Percentage，DRP）［14］。

圖1 模型結(jié)構(gòu)（坐標(biāo)單位：cm）Fig.1 Model structure(Coordinate unit:cm)

表示同一深度的PDD差值，差值絕對(duì)值越大表示該厚度對(duì)劑量影響越大。

2 結(jié)果

2.1 不同厚度發(fā)泡膠對(duì)機(jī)頭結(jié)構(gòu)能譜和能量注量的影響

首先比較了兩種模式在10 cm×10 cm射野下對(duì)SD和EFD的影響，圖2、3顯示兩種模式下有發(fā)泡膠對(duì)于SD 不同能量區(qū)域所占份額都有不同程度的減小，高份額對(duì)應(yīng)能量區(qū)域并無明顯前移或者后移現(xiàn)象，但是可看出FF模式在0.5～2 MeV區(qū)域受厚度影響較FFF 明顯，而該區(qū)域正是射線能量份額最高和平均能量的區(qū)域。同時(shí)由兩種模式EFD 結(jié)果可以看出，都有增加低能射線能量注量的現(xiàn)象，射野范圍內(nèi)的粒子注量隨發(fā)泡膠厚度的增加呈逐漸降低的趨勢，且FF模式較FFF更加明顯。

圖2 不同厚度發(fā)泡膠對(duì)X射線能譜的影響Fig.2 Effect of different thickness of styrofoam on X-ray spectral distribution

2.2 不同厚度發(fā)泡膠對(duì)射野劑量的影響

由兩種模式在10 cm×10 cm 固定射野下水中PDD 曲線（圖4、5，左）可以看出，隨著厚度增加，PDD曲線都有向前移動(dòng)的趨勢，PDD0明顯增大，表1顯示最大高達(dá)96%，Dmax顯著降低，D20/D10變化不大，說明對(duì)射線質(zhì)影響不大，但在實(shí)際治療過程當(dāng)中會(huì)增加發(fā)泡膠處的皮膚劑量。FF模式下，當(dāng)發(fā)泡膠厚度≤5 cm 時(shí)，最大DRP 為1%（一般分析建成區(qū)域后方），低于允許劑量誤差2%，對(duì)應(yīng)深度為水下5 cm；當(dāng)發(fā)泡膠厚度為10 cm 時(shí)，最大DRP 為6%，對(duì)應(yīng)深度為4.8 cm，不同厚度DRP 差值較大處位于2～10 cm。選擇在水下DRP 較大處進(jìn)行Profile 分析，由水下5 cm、10 cm 處Profile（圖4、5，右）結(jié)果可以看出，發(fā)泡膠對(duì)于射野的平坦度和半影都影響較大，隨射野深度的增加影響逐漸減小。FFF模式下在發(fā)泡膠≤5 cm 的情況下對(duì)PDD 的影響普遍較FF 模式大，最大DRP 為2%，對(duì)應(yīng)深度為3 cm，但是當(dāng)發(fā)泡膠厚度為10 cm 時(shí)，最大DRP 為4%，對(duì)應(yīng)深度為2.7 cm，不同厚度DRP 差值較大處位于水下1.5～7 cm。由水下3 cm、5 cm 處Profile 結(jié)果可以看出，發(fā)泡膠對(duì)于射野的平坦度和半影都影響較大，隨射野深度的增加影響逐漸減小。

圖3 不同厚度發(fā)泡膠對(duì)X射線能量注量的影響Fig.3 Effect of different thickness of styrofoam on X-ray energy fluence distribution

表1 不同厚度發(fā)泡膠對(duì)射野劑量的影響Table 1 Effects of styrofoam with different thicknesses on dose

2.3 不同射野下發(fā)泡膠對(duì)劑量的影響

由表2 及圖6～圖11 可以看出，隨著射野的減小，對(duì)PDD 和Profile 的影響也在降低，影響較大主要體現(xiàn)在PDD0和Dmax。DRP 偏差均在允許誤差范圍之內(nèi)，射野為5 cm×5 cm 時(shí)最大DRP 為1%，對(duì)應(yīng)深度均為3 cm，射野為3 cm×3 cm 和1 cm×1 cm 時(shí)最大DRP分別為0.8%和0.5%，對(duì)應(yīng)深度均為2 cm。DRP差異集中在水下1～5 cm，在水下13 cm后，PDD趨于一致。射野為5 cm×5 cm時(shí)選擇在水下3 cm處進(jìn)行Profile 比較，結(jié)果顯示射野平坦度和對(duì)稱性并無明顯差異，半影稍有增大；射野為3 cm×3 cm 和1 cm×1 cm 時(shí)選擇在水下2 cm 處進(jìn)行Profile 比較，結(jié)果顯示射野平坦度、對(duì)稱性和半影并無明顯差異。

表2 厚度為5 cm的發(fā)泡膠在不同射野下對(duì)劑量的影響Table 2 Effect of 5 cm thick styrofoam on dose under different shooting fields

圖4 FF模式下不同厚度發(fā)泡膠對(duì)射野劑量的影響Fig.4 The effect of different thickness of styrofoam on the field dose in FF mode

圖5 FFF模式下不同厚度發(fā)泡膠對(duì)射野劑量的影響Fig.5 The effect of different thickness of styrofoam on the field dose in FFF mode

圖6 FF模式下射野為5 cm×5 cm時(shí)5 cm發(fā)泡膠對(duì)劑量的影響Fig.6 The effect of 5 cm styrofoam on the dose when the shooting field is 5 cm×5 cm in FF mode

圖7 FFF模式下射野為5 cm×5 cm時(shí)5 cm發(fā)泡膠對(duì)劑量的影響Fig.7 The effect of 5 cm styrofoam on the dose when the shooting field is 5 cm×5 cm in FFF mode

2.4 結(jié)果分析

綜上所述，發(fā)泡膠對(duì)射線質(zhì)影響不大，使用發(fā)泡膠時(shí)會(huì)使PDD曲線向前移動(dòng)，主要體現(xiàn)在增加表面劑量，降低同一深度接收劑量。圖12顯示了兩種不同模式下隨厚度增加PDD0的差值與DRP值的變化趨勢?？偟目梢钥闯觯現(xiàn)F 模式較FFF 模式更大，尤其體現(xiàn)在較厚發(fā)泡膠。主要原因考慮為FF 模式下使用均整器過濾掉了SD的低能部分，提高了射線的平均能量，增加了康普頓散射與電子對(duì)效應(yīng)所占概率，從而增加了散射線與次級(jí)電子帶來的能量沉淀。但該分析僅限于6 MeV電子直線加速器產(chǎn)生的X射線，對(duì)于高能X射線或帶電粒子有待進(jìn)一步探究。

圖8 FF模式下射野為3 cm×3 cm時(shí)5 cm發(fā)泡膠對(duì)劑量的影響Fig.8 The effect of 5 cm styrofoam on the dose when the shooting field is 3 cm×3 cm in FF mode

圖9 FFF模式下射野為3 cm×3 cm時(shí)5 cm發(fā)泡膠對(duì)劑量的影響Fig.9 The effect of 5 cm styrofoam on the dose when the shooting field is 3 cm×3 cm in FFF mode

圖10 FF模式下射野為1 cm×1 cm時(shí)5 cm發(fā)泡膠對(duì)劑量的影響Fig.10 The effect of 5 cm styrofoam on the dose when the shooting field is 1 cm×1 cm in FF mode

3 討論

目前國內(nèi)外有不少報(bào)道比較了發(fā)泡膠與其他固定裝置的擺位精度，結(jié)果表明：發(fā)泡膠在體位固定方面具有一定優(yōu)勢，為精準(zhǔn)放射治療起了一定的推動(dòng)作用，但是卻鮮有關(guān)于其對(duì)基礎(chǔ)劑量影響的報(bào)道。不同類型的材料對(duì)于患者接受劑量的影響主要體現(xiàn)在材料的密度和材料的元素構(gòu)成［18］，但是后者往往被忽略，潛意識(shí)認(rèn)為低密度材料對(duì)射線能量沉淀影響不大。盡管本次分析選取的材料厚度和射野大小不具有普遍的代表性，但是也能看出其厚度變化對(duì)劑量的影響趨勢?？梢钥闯鲭S發(fā)泡膠使用厚度的增加而不同程度地降低靶區(qū)劑量，并提高皮膚劑量，同時(shí)對(duì)靶區(qū)劑量的適形度和均勻性有一定影響。所以建議在靶區(qū)較大時(shí)，發(fā)泡膠厚度控制在5 cm 以內(nèi)，如果因患者體位需求發(fā)泡膠較厚時(shí)，應(yīng)盡量選擇FFF模式。均整器的使用在于提高較大射野的平坦度，從而提高靶區(qū)劑量分布的均勻性，但是在小野劑量方面，平坦度的意義不大，為立體定向放射治療量身定做的FFF 模式主要優(yōu)點(diǎn)在于大大提高了劑量率，以滿足單次或多次大劑量的照射，減少治療周期，這也將是未來放射治療發(fā)展的趨勢。而立體定向放射治療由于單次接受劑量較大，所以對(duì)于患者體位固定精度要求較高，所以在針對(duì)于小野的立體定向放射治療時(shí)采用發(fā)泡膠固定是較好的選擇。

圖11 FFF模式下射野為1 cm×1 cm時(shí)5 cm發(fā)泡膠對(duì)劑量的影響Fig.11 The effect of 5 cm styrofoam on the dose when the shooting field is 1 cm×1 cm in FFF mode

在計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)，如果TPS 能夠識(shí)別發(fā)泡膠電子密度則可以考慮增加相應(yīng)射野權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化修正，如果TPS不能夠識(shí)別就應(yīng)該計(jì)算不同厚度發(fā)泡膠對(duì)射線影響系數(shù)，并生成相應(yīng)模板導(dǎo)入TPS 進(jìn)行計(jì)算［19-20］。由于目前越來越多的材料運(yùn)用到放射治療體位固定，其對(duì)射線的影響無法直接計(jì)算，也并非所有醫(yī)院都有三維水箱能夠?qū)嶋H測量。主要目的在于利用蒙特卡羅方法比較發(fā)泡膠對(duì)劑量的影響，同時(shí)也在于向一些條件不允許的醫(yī)院分享如何利用開源的軟件進(jìn)行加速器建模和探索不同材料對(duì)于射線劑量的影響。

圖12 加速器兩種不同模式下隨發(fā)泡膠厚度增加對(duì)粒子劑量的影響趨勢Fig.12 The influence trend of the particle dosage with the increase of foam thickness under two different accelerator modes