王先良，王 培，袁 珂，康盛偉，黎 杰，肖明勇，李曉蘭，譚 燕

(四川省腫瘤醫(yī)院放療科，成都610041)

金屬或塑料的施源器在近距離治療中有廣泛的應(yīng)用，不同材料不同厚度的施源器對(duì)射線的吸收不同，必定造成放射源周圍劑量分布的差異，傳統(tǒng)的近距離放射治療劑量計(jì)算一般忽略了施源器對(duì)劑量分布的影響［1-2］，這顯然會(huì)降低放射治療的精確性，也不利于治療計(jì)劃的評(píng)估。多篇文獻(xiàn)報(bào)道了常用的施源器如不銹鋼 Fletcher施源器［3］，柱形施源器［4-5］對(duì)劑量的影響，但是目前施源器的種類很多，厚度不完全相同，對(duì)塑料施源器的研究也少有文獻(xiàn)報(bào)道。針對(duì)以上情況，本文選取兩種常用的施源器材料，不銹鋼和塑料，采用EGSnrc程序，模擬不同材料不同厚度下的劑量分布，比較施源器材料和厚度對(duì)劑量分布的影響。

1 材料與方法

1.1 源和施源器模型

本研究的體模是一個(gè)直徑30cm，高30cm的圓柱，源為核通公司192Ir源［6］，由于不銹鋼材料的成分大致相同，并且192Ir源導(dǎo)線對(duì)劑量分布的影響較小，所以假定源的包殼和導(dǎo)線為同種材料的不銹鋼。施源器為空心圓柱并假定源與施源器內(nèi)壁之間有0．01cm的空氣。施源器根據(jù)材料選取不同的厚度，本研究不銹鋼的厚度選取 0．05cm、0．1cm、0．2cm、0．3cm、0．4cm 和 0．5cm 六種，塑料的厚度選取0．1cm、0．3cm、0．5cm、1．0cm、1．5cm 和 2．0cm 六種。放射源處于體模中心，且與體模和施源器的對(duì)稱軸重合，模擬模型見圖1。

圖1 模擬模型示意圖(單位:cm)

1.2 蒙特卡洛模擬

本文的模擬采用EGSnrc蒙特卡羅程序［7-8］，只考慮光子與材料的相互作用，光子與材料相互作用的數(shù)據(jù)通過PEGS4程序計(jì)算得到，模擬中用到的各種材料信息，見表1。在模擬過程中，參照521 ICRU．pegs4dat已有材料的反應(yīng)截面數(shù)據(jù)條件，電子的截止能量下閾設(shè)為521KeV，光子的截止能量下閾設(shè)定為10KeV。為保證所取點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)誤差小于2%，每種情況統(tǒng)計(jì)108粒子。

表1 模擬中用到的各種材料、元素組成和密度信息表

1.3 劑量偏差評(píng)估

為了定量分析施源器產(chǎn)生的劑量偏差，根據(jù)施源器材料厚度不同，在徑向方向上施源器外部選取一些測(cè)量點(diǎn)，不銹鋼施源器，R 取 0．2cm、0．4cm、0．6cm、0．8cm、1．0cm、1．5cm、2．0cm，塑料施源器，R取 0．5cm、1．0cm、1．5cm、2．0cm、2．5cm、3．0 cm，利用公式(1)計(jì)算徑向方向R(單位:cm)處的劑量偏差ΔR，公式中Dwater和Dapp分別表示無施源器和有施源器時(shí)單個(gè)入射粒子在測(cè)量點(diǎn)R處沉積的能量。

2 結(jié)果

不同材料不同厚度下劑量分布的區(qū)別見圖2，不銹鋼施源器產(chǎn)生的劑量偏差比較明顯(圖2-a)，并且施源器越厚，產(chǎn)生的劑量偏差就越大。塑料施源器對(duì)劑量的影響很小(圖2-b)，施源器厚度與劑量偏差間的關(guān)系不明顯。

圖2 兩種材料劑量偏差比較圖

不銹鋼施源器劑量偏差ΔR分布情況見表2，當(dāng)施源器厚度小于0．1cm時(shí)徑向方向R處的劑量編差ΔR不超過國(guó)家規(guī)定值3%［9］，當(dāng)施源器厚度大于0．1cm時(shí)，劑量計(jì)算必須考慮不銹鋼施源器對(duì)劑量分布的影響。

表2 不銹鋼施源器ΔR分布表

塑料施源器徑向方向劑量偏差ΔR分布見表3，表中的數(shù)據(jù)都在蒙特卡洛統(tǒng)計(jì)誤差2%的范圍內(nèi)，可以認(rèn)為在劑量計(jì)算過程中塑料施源器對(duì)劑量分布的影響很小且劑量偏差與塑料施源器的厚度無關(guān)。

表3 塑料施源器ΔR分布表

3 討論

在近距離治療中，根據(jù)治療部位和治療方式的不同，施源器材料和厚度會(huì)有很大變化?，F(xiàn)階段，絕大部分近距離放射治療劑量計(jì)算算法都參考TG-43報(bào)告中給出的公式，無論點(diǎn)源還是線源，公式中的參數(shù)多是在均勻水模中由蒙特卡洛方法模擬得到，在計(jì)算人體劑量分布時(shí)忽略了施源器對(duì)劑量分布的影響。施源器的衰減能導(dǎo)致劑量顯著差別［10-11］，歐洲放射治療協(xié)會(huì)(European Society for Therapeutic Radiology and Oncology，ESTRO)建議在計(jì)劃系統(tǒng)中考慮施源器對(duì)劑量的影響［12］。

臨床中常用不銹鋼施源器的厚度一般不超過0．1cm，有時(shí)為了降低危及器官的受量，會(huì)在施源器內(nèi)部插入一些厚度超過0．3cm金屬擋塊［4］，塑料施源器厚度變化很大，有厚度接近0．1cm的插值軟針，也有厚度接近2cm的柱形施源器，本研究考慮臨床中實(shí)際應(yīng)用，不銹鋼的厚度選取 0．05cm、0．1cm、0．2cm、0．3cm、0．4cm 和0．5cm 六種，塑料的厚度選取 0．1cm、0．3cm、0．5cm、1．0cm、1．5cm 和2．0cm六種。近距離放射治療劑量梯度很大，劑量分布相對(duì)比較集中，不銹鋼施源器考慮徑向方向2cm以內(nèi)產(chǎn)生的偏差，塑料施源器的厚度可以接近2cm，考慮徑向方向3cm以內(nèi)產(chǎn)生的偏差。

192Ir源衰變的主要輻射線為γ射線和β射線，近距離治療中使用的192Ir源均封裝在一定厚度的包殼內(nèi)，其封裝包殼可吸收放射性核素衰變的β射線，本研究只考慮光子與材料的相互作用，結(jié)果表明不同材料和厚度的施源器對(duì)192Ir源的劑量影響不同。不銹鋼材料對(duì)劑量分布有顯著影響，偏差隨厚度的增加明顯增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是192Ir源有很寬的光子能譜(14 KeV-885KeV)，能譜中低能光子容易被不銹鋼中高原子序數(shù)的物質(zhì)吸收。塑料施源器在厚度小于2cm的情況下，誤差在2%的范圍內(nèi)。本文還測(cè)試了另一種常用塑料(PPO)，分子式為(C8H8O)n，密度 1．07 g/cm3，當(dāng)施源器的厚度小于2cm時(shí)，徑向方向3cm范圍內(nèi)的劑量偏差小于2%，與表3所列結(jié)果一致，這說明塑料施源器對(duì)劑量的影響很小且基本與厚度無關(guān)。

通過表2和表3可以看出，無論是不銹鋼還是塑料施源器，在各測(cè)量點(diǎn)，有施源器的劑量比無施源器的劑量低，這說明有不銹鋼或塑料施源器存在時(shí)病人實(shí)際受照量比計(jì)劃量小。有研究表明，劑量的不準(zhǔn)確是導(dǎo)致腫瘤復(fù)發(fā)的主要原因［13］，因此，為達(dá)到預(yù)期的治療效果，很多學(xué)者研究了能進(jìn)行非均勻修正的近距離放療劑量計(jì)算算法，如collapsed cone算法，LBTE(Linear Boltzmann Transport Equation)算法和蒙特卡洛算法［1］，并且有些算法也已在商用計(jì)劃系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，如Varian的Acuros BV計(jì)劃系統(tǒng)采用了LBTE算法，Oncentra Brachy計(jì)劃系統(tǒng)的4．5版本采用了collapsed cone算法，所以在時(shí)間要求不是太嚴(yán)格，尤其當(dāng)含有高原子序數(shù)物質(zhì)的施源器存在時(shí)應(yīng)盡量選擇此類能進(jìn)行非均勻修正的算法。

總的來說，對(duì)于現(xiàn)階段近距離放射治療，在條件允許的情況下盡量選用塑料材質(zhì)的施源器，塑料施源器不僅沒有偽影，利于靶區(qū)勾畫，還比不銹鋼施源器有劑量上的優(yōu)勢(shì)，計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算出的劑量分布更接近真實(shí)值。

［1］ Beaulieu L，Tedgren ?C，Carrier J-F，et al．Report of the Task Group 186 on model-based dose calculation methods in brachytherapy beyond the TG-43 formalism:current status and recommendations for clinical implementation［J］．Med phys，2012，39(10):6208-6236．

［2］ Rivard MJ，Venselaar JL，Beaulieu L．The evolution of brachythe-rapy treatment planning［J］．Med Phys，2009，36(6):2136-2153．

［3］ Parsai E，Zhang Z，F(xiàn)eldmeier JJ．A quantitative three-dimensional dose attenuation analysis around Fletcher-Suit-Delclos due to stainless steel tube for high-dose-rate brachytherapy by Monte Carlo calculations［J］．Brachytherapy，2009，8(3):318-323．

［4］ Lymperopoulou G，Pantelis E，Papagiannis P，et al．A Monte Carlo dosimetry study of vaginal Ir brachytherapy applications with a shielded cylindrical applicator set［J］．Med Phys，2004，31(11):3080-3086．

［5］ Petrokokkinos L，Zourari K，Pantelis E，et al．Dosimetric accuracy of a deterministic radiation transport based192Ir brachytherapy treatment planning system．Part II:Monte Carlo and experimental verification of a multiple source dwell position plan employing a shielded applicator［J］．Med Phys，2011，38(4):1981-1992．

［6］ Borg J，Rogers D．Monte Carlo calculations of photon spectra in air from192Ir sources［R］．Ottawa:National Research Council，1999．

［7］ Kawrakow I，Rogers D．The EGSnrc code system［R］．Ottawa:National Research Council，2000．

［8］ Rogers D，Kawrakow I，Seuntjens J，et al．NRC user codes for EGSnrc［R］．Ottawa:National Research Council，2003．

［9］ 全國(guó)電離輻射計(jì)量技術(shù)委員會(huì)．醫(yī)用γ射線后裝近距離治療輻射源檢定規(guī)程［R］．北京:國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2013．

［10］ Howlett S，Denham J，Kron T．Evaluation of rectal shielding in a Henschke system applicator［J］．Strahlentherapie und Onkologie，1996，172(5):265-269．

［11］ Yan X，Poon E，Reniers B，et al．Comparison of dose calculation algorithms for colorectal cancer brachytherapy treatment with a shielded applicator［J］．Med Phys，2008，35(11):4824-4830．

［12］ Venselaar J，Pérez-Calatayud J．A practical guide to quality control of brachytherapy equipment:European guidelines for quality assurance in radiotherapy［J］．ESTRO Booklet，2004(8):89-93．

［13］ Venselaar J，Welleweerd H，Mijnheer B．Tolerances for the accuracy of photon beam dose calculations of treatment planning systems［J］．Radiother Oncol，2001，60(2):191-201．