李潔，汪暉，汪冬，鄭華慶，吳宜燦

1.中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所中子輸運(yùn)理論與輻射安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230031；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科學(xué)島分院，安徽合肥230026

前言

隨著放療技術(shù)的發(fā)展，調(diào)強(qiáng)放射治療（Intensity-Modulated Radiation Therapy, IMRT）、圖像引導(dǎo)放射治療（Image-Guided Radiation Therapy, IGRT）、容積調(diào)強(qiáng)放射治療（Volumetric Arc Therapy,VMAT）、螺旋斷層放療（Tomotherapy）、立體定向放射外科（Stereotactic Radiosurgery, SRS）、伽馬刀（Gamma Knife）、賽博刀（Cyberknife）等先進(jìn)放療技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，射野范圍從傳統(tǒng)的（4×4）cm2到（40×40）cm2擴(kuò)展到更小的亞厘米范圍，在IMRT 治療中小野可以小至（0.3×0.1）cm2［1］，在SRS、Gamma Knife 和Cyberknife 中，同樣使用僅幾毫米級(jí)的射野來(lái)照射腫瘤并達(dá)到保護(hù)正常組織和危及器官的目的［2］。小野照射情況下極易發(fā)生橫向電子不平衡并造成劑量的不確定性，電子不平衡的程度與射束能量、介質(zhì)組分特別是介質(zhì)密度緊密相關(guān)。健康肺組織的密度最大為0.35 g/cm3，但是疾病的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致氣腔密度和血容量改變從而改變肺密度，如肺氣腫患者肺密度可能小于0.1 g/cm3，此外肺在吸氣和呼氣時(shí)的密度也會(huì)發(fā)生改變，肺部密度的變化增加了小野照射情況下劑量的復(fù)雜性，更容易造成橫向電子不平衡。Mesbahi等［3］使用MCNPX蒙特卡羅程序研究（0.5×0.5）cm2～（3×3）cm2大小射野照射肺密度為0.25 g/cm3的模體內(nèi)的劑量分布情況。Beilla 等［4］使用GATE/Geant4 蒙特卡羅程序研究（3×3）、（5×5）、（10×10）、（20×20）cm2大小射野照射深呼吸屏氣狀態(tài)下的肺模體內(nèi)的劑量分布情況，但是對(duì)于小野照射不同密度肺模體內(nèi)的劑量分布情況的研究較少。由于蒙特卡羅方法在小野劑量計(jì)算中的準(zhǔn)確性已得到廣泛驗(yàn)證［5-7］，因此本文采用蒙特卡羅方法針對(duì)小野在不同密度肺模體中產(chǎn)生的橫向電子不平衡情況進(jìn)行研究，從而為肺部放射治療參數(shù)以及劑量計(jì)算方法的選擇提供參考。中科院核能安全技術(shù)研究所?FDS 鳳麟核能團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期對(duì)精準(zhǔn)放射治療關(guān)鍵物理與技術(shù)進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的精準(zhǔn)放射治療系統(tǒng)“麒麟刀”KylinRay［8-13］，本文研究工作是在前期“麒麟刀”研發(fā)工作基礎(chǔ)上開(kāi)展的。

1 材料與方法

本文使用加拿大國(guó)家研究院（National Research Council of Canada,NRCC）開(kāi)發(fā)的EGSnrc/DOSXYZnrc通用蒙特卡羅程序［14-15］來(lái)研究射野大小和肺密度對(duì)劑量分布的影響，主要模擬參數(shù)包括：全局電子截止能量（Global Electron Cutoff Energy,ECUT）為0.7 MeV，全局光子截止能量（Global Photon Cutoff Energy,PCUT）為0.01 MeV，使用直接韌致輻射分裂和電子射程截?cái)嗟葴p方差技術(shù)，韌致輻射分裂數(shù)為1 000，模擬計(jì)算中模擬粒子數(shù)為109量級(jí)［16］。

DOSXYZnrc被用來(lái)模擬體元大小為（0.2×0.2×0.2）cm3、體積為（30×30×30）cm3的平板模體，將模體材料設(shè)定為水（z為0～10 cm）、肺（z為10～20 cm）和水（z為20～30 cm），其中z表示相應(yīng)材料在模體內(nèi)的深度。放射源能量選擇6、15 MV［17］，每個(gè)能量的放射源射野大小在（0.2×0.2）、（0.4×0.4）、（0.5×0.5）、（0.6×0.6）、（0.8×0.8）、（1.0×1.0）、（2.0×2.0）、（3.0×3.0）cm2之間變化，肺模體密度的取值包括0.001、0.100、0.260、0.400、0.600、0.800、1.000 g/cm3，對(duì)兩種能量、8種射野大小、7種肺密度的不同組合進(jìn)行模擬。對(duì)于每次模擬，在模體中心軸上大小為（0.2×0.2×0.2）cm3的體元中沉積的能量被記錄下；類似地，對(duì)相同大小的體元，模體內(nèi)不同深度處的橫向離軸劑量也記錄下來(lái)［18］。

深度的劑量衰減百分比（Dose Reduction Percentage,DRP）使用公式：

計(jì)算給定，表示射野及密度變化對(duì)肺內(nèi)劑量衰減程度的影響，從而衡量橫向電子不平衡的程度。DRP的絕對(duì)值越大表示肺部的劑量擾動(dòng)越強(qiáng)烈，電子不平衡現(xiàn)象越嚴(yán)重。

2 結(jié)果

圖1顯示射束能量為6MV、射野大小為（0.4×0.4）cm2條件下不同肺密度的百分深度劑量分布以及深度為11.9和21.9 cm處的橫向離軸劑量分布。圖2顯示結(jié)果與圖1類似，只是將射野大小增加到（1.0×1.0）cm2，能量增加至15 MV。從圖中可以看出，在水和肺交界處有明顯的劑量變化，在第一個(gè)水肺交界處劑量突降，并隨肺組織深度的增加逐步降低，在第二個(gè)肺與水的交界處劑量增加，并在水中達(dá)到第二個(gè)峰值，然后逐步下降。相對(duì)于純水模體，肺組織密度越低，肺內(nèi)劑量衰減程度越高，但在肺組織后方劑量增加程度也越高。另外從圖1a和圖2a中可以看出，當(dāng)肺密度極低為0.001 g/cm3時(shí)，在第一個(gè)水肺交界面上出現(xiàn)劑量躍變，劑量突然增加然后迅速減小。

圖3顯示能量為6 MV、肺密度為0.001 g/cm3條件下不同射野大小的百分深度劑量分布和橫向離軸劑量分布。圖4顯示結(jié)果與圖3類似，只是將肺密度增加到0.260 g/cm3，能量增加至15 MV。從圖中可以看出肺部劑量相對(duì)于純水劑量發(fā)生較大衰減，并且衰減程度隨射野的增加而減小，但在肺組織后方相對(duì)更小的野［（0.2×0.2）cm2］會(huì)有較大程度的劑量升高。

3 討論

3.1 密度影響

圖1 射束能量為6 MV、射野大小為（0.4×0.4）cm2條件下不同深度處的百分深度劑量（a）及11.9 cm（b）、21.9 cm（c）深度處的離軸劑量分布Fig.1 Percent depth dose at different depths(a)and the off-axis ratios at the depth of 11.9 cm(b)and 21.9 cm(c)when the energy is 6 MV and field size is(0.4×0.4)cm2

圖2 射束能量為15 MV、射野大小為（1.0×1.0）cm2條件下不同深度處的百分深度劑量（a）及11.9 cm（b）、21.9 cm（c）深度處的離軸劑量分布Fig.2 Percent depth dose at different depths(a)and the off-axis ratios at the depth of 11.9 cm(b)and 21.9 cm(c)when the energy is 15 MV and field size is(1.0 cm×1.0)cm2

圖3 能量為6 MV、肺密度為0.001 g/cm3條件下不同深度處的百分深度劑量（a）及11.9 cm（b）、21.9 cm（c）深度處的離軸劑量分布Fig.3 Percent depth dose at different depths(a)and the off-axis ratios at the depth of 11.9 cm(b)and 21.9 cm(c)when the energy is 6 MV and the density of lung is 0.001 g/cm3

圖1顯示了射束能量為6MV、射野大小為（0.4×0.4）cm2條件下不同肺密度的百分深度劑量分布和橫向離軸劑量分布，最大DRP出現(xiàn)在10～12 cm之間，當(dāng)肺密度為0.001、0.100、0.260和0.800 g/cm3時(shí)，最大DRP從48.5%、37.9%、25.7%降至4.5%，相應(yīng)深度從11.3 cm 降至10.7 cm，當(dāng)密度大于0.4 g/cm3時(shí)，最大DRP出現(xiàn)的深度基本相同，如表1所示。

對(duì)6 MV射束，不同射野條件下不同肺密度的最大DRP如圖5所示，當(dāng)肺密度低于0.4 g/cm3，最大DRP隨密度變化幅度較大；但當(dāng)密度大于0.4 g/cm3時(shí)，最大DRP隨密度變化幅度減緩。當(dāng)發(fā)生電子不平衡時(shí)，肺部劑量與肺密度密切相關(guān)，特別是在低密度范圍內(nèi)，密度的改變會(huì)引起肺部劑量的劇烈變化，因此在放射治療過(guò)程中，CT-電子密度轉(zhuǎn)換曲線的準(zhǔn)確性對(duì)劑量計(jì)算的準(zhǔn)確性是相當(dāng)重要的。目前放射治療計(jì)劃系統(tǒng)中使用的某些劑量計(jì)算方法及非均勻修正方法的前提是假設(shè)計(jì)算點(diǎn)存在電子平衡，當(dāng)電子平衡不成立時(shí)，由該類方法計(jì)算出的劑量要高于材料中實(shí)際沉積的能量，從而造成劑量誤差，容易造成危及器官的劑量過(guò)高，從而引起嚴(yán)重并發(fā)癥。楊振等［16］對(duì)小野照射情況下治療計(jì)劃系統(tǒng)中不同劑量計(jì)算方法的效果進(jìn)行比較研究，發(fā)現(xiàn)卷積疊加算法與蒙特卡羅模擬的深度劑量一致性很好，而筆形束算法高估了肺介質(zhì)內(nèi)的深度劑量，劑量偏差范圍較大。Elcim等［19］比較了筆形束算法和蒙特卡羅方法在肺部三維適形放射治療中靶區(qū)以及肺等關(guān)鍵器官的劑量差異，發(fā)現(xiàn)二者肺平均劑量差異為9.1%。Jones等［1］對(duì)小野照射情況下劑量計(jì)算中不同非均勻修正方法的效果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)當(dāng)射野小于（3×3）cm2時(shí)，Batho修正方法和等效路徑長(zhǎng)度法與蒙卡結(jié)果有較大差異，而卷積疊加方法與蒙卡模擬結(jié)果一致性相對(duì)較好，因此放射治療過(guò)程中應(yīng)選擇更精確的考慮電子不平衡的劑量計(jì)算方法［20］。另外在肺密度極低的肺氣腫患者治療過(guò)程中，在肺與其他組織的交界面處可能會(huì)出現(xiàn)劑量的躍變，造成肺內(nèi)劑量的瞬態(tài)增加，應(yīng)注意保護(hù)正常肺組織。

圖4 能量為15 MV、肺密度為0.260 g/cm3條件下不同深度處的百分深度劑量（a）及11.9 cm（b）、21.9 cm（c）深度處的離軸劑量分布Fig.4 Percent depth dose at different depths(a)and the off-axis ratios at the depth of 11.9 cm(b)and 21.9 cm(c)when the energy is 15 MV and the density of lung is 0.260 g/cm3

表1 不同肺密度的最大劑量衰減百分比Tab.1 Maximum dose reduction percentage of different lung densities

3.2 射野影響

從圖3和圖4可以看出，肺部劑量相對(duì)于純水劑量發(fā)生很大衰減，并且衰減程度隨射野的增加而減小，另外在肺組織后方相對(duì)更小的野［（0.2×0.2）cm2］會(huì)有較大程度的劑量升高。中心軸上第一個(gè)水肺交界面后0.9 cm深度處不同射野大小、不同肺密度的DRP如圖6所示。當(dāng)肺密度為0.001 g/cm3、射野為（0.2×0.2）cm2時(shí)，中心軸DRP相對(duì)于射野為（0.6×0.6）cm2時(shí)增加了9.01%，相對(duì)于肺密度為0.26 g/cm3時(shí)增加了24.39%。當(dāng)射野大小小于電子射程時(shí)，射野內(nèi)產(chǎn)生的電子和散射光子大量逸出，將大量能量沉積在射野外，造成介質(zhì)中劑量減少，發(fā)生電子不平衡現(xiàn)象［21］。尤其在小野照射低密度介質(zhì)時(shí)，光子衰減減少且電子射程增加，電子將其能量沉積在下游更遠(yuǎn)的位置，同時(shí)更多電子離開(kāi)射野范圍，橫向電子不平衡更加嚴(yán)重，在低密度介質(zhì)內(nèi)造成更多能量虧損。另外在小野照射情況下，在肺組織后容易出現(xiàn)劑量增加，因此當(dāng)肺周圍有需要保護(hù)的重要器官時(shí)需要謹(jǐn)慎選擇放射治療參數(shù)。

圖5 不同射野條件下不同肺密度的最大劑量衰減百分比Fig.5 Maximum dose reduction percentage of different lung densities at different field sizes

4 結(jié)論

本文使用蒙特卡羅方法研究了小野照射不同密度肺模體時(shí)的橫向電子不平衡現(xiàn)象，可以為肺部小野放射治療參數(shù)的選擇提供參考。在低密度范圍內(nèi)，密度改變會(huì)引起肺部劑量的劇烈變化，因此在使用小野對(duì)肺部腫瘤進(jìn)行治療時(shí)，應(yīng)更加注意CT-電子密度轉(zhuǎn)換曲線的準(zhǔn)確性并謹(jǐn)慎選擇治療參數(shù)。在密度極低的肺氣腫患者的治療過(guò)程中，在肺與其他組織的交界處可能會(huì)出現(xiàn)劑量躍變并造成肺內(nèi)劑量的瞬態(tài)增加，應(yīng)注意保護(hù)正常肺組織。在小野照射情況下，在肺組織后容易出現(xiàn)劑量增加，因此當(dāng)肺周圍有需要保護(hù)的重要器官時(shí)需要謹(jǐn)慎選擇放射治療參數(shù)。肺部橫向電子不平衡與肺密度和射野大小有關(guān)，當(dāng)肺密度較低或射野較小時(shí)，橫向電子不平衡會(huì)造成肺部劑量的較大衰減。目前使用的某些劑量計(jì)算方法及非均勻修正方法并沒(méi)有考慮肺部橫向電子不平衡的影響，這會(huì)造成對(duì)肺部劑量計(jì)算結(jié)果的高估，因此此類方法如需在肺部小野劑量計(jì)算中得到更精確的計(jì)算結(jié)果仍需繼續(xù)改進(jìn)，或選擇考慮電子不平衡的卷積疊加、蒙特卡羅等方法。

圖6 不同密度肺模體條件下不同射野的劑量衰減百分比Fig.6 Dose reduction percentage of different field sizes at different lung densities

致謝：本文工作是在中科院核能安全技術(shù)研究所?FDS 鳳麟核能團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的，感謝FDS 鳳麟核能團(tuán)隊(duì)其他成員提供的各項(xiàng)幫助和支持。