陳 勇 張旭光 倪 婕 孔 棟 陳宏林 陳 迪 孫 亮

1 (蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)部放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)學(xué)院 蘇州 215123)

2 (徐州市腫瘤醫(yī)院放療科 徐州 221005)

加速器機(jī)頭中均整器(Flattening filter, FF)的作用是使劑量在模體的特定深度處(一般 10 cm)有均勻分布，但是，均整器會(huì)阻擋大部分光子，使劑量率下降，從而增加放射治療時(shí)間[1]。另外，均整器的應(yīng)用還增加了機(jī)頭的漏射和散射輻射[2,3]，使治療射野外的劑量增加[4?7]，引起放射治療后副反應(yīng)的發(fā)生。文獻(xiàn)研究表明，移除均整器會(huì)對(duì)光子束的劑量學(xué)特性帶來(lái)有益影響，比如增加中心軸的輸出劑量率[4,7?10]，減少射野外的劑量[7,9?11]，減少漏射輻射和全身的劑量受量[4]。研究發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)前的調(diào)強(qiáng)放射治療(Intensity modulated radiation therapy，IMRT)中應(yīng)用移除均整器射束(Flattening filter free，F(xiàn)FF)技術(shù)能有效減少IMRT治療的時(shí)間[1]，減少正常組織的劑量[12]，從而降低放療后二次癌癥發(fā)生的概率[6,13]。

實(shí)際測(cè)量中[4,7,14]，由于設(shè)備儀器的局限性，實(shí)際測(cè)量的點(diǎn)有限，限制了全面數(shù)據(jù)的獲取。而蒙特卡羅方法可計(jì)算出臨床上難以測(cè)量的數(shù)據(jù)，先前的研究是建立在直線加速器基礎(chǔ)上[8?11,15,16]，對(duì)于國(guó)內(nèi)醫(yī)院常用的西門子直線加速器還無(wú)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

1 材料與方法

1.1 加速器模型建立和參數(shù)設(shè)定

應(yīng)用蒙特卡羅方法BEAMnrc程序[17]模擬加速器機(jī)頭有均整器和無(wú)均整器兩種情況。記錄各射野離源距離(SSD)100 cm處的粒子信息，然后用DOSXYZnrc程序[18]計(jì)算30 cm×30 cm×30 cm 水模中的劑量分布，模擬的主要參數(shù)設(shè)置為：電子最低能量和電子輸運(yùn)終止能量為0.7 MeV，光子最低能量和光子輸運(yùn)終止能量0.01 MeV，每次輸運(yùn)損失的電子能量由PRESTA控制。

模擬的6 MV能量的光子束采用單能入射的電子束產(chǎn)生，但是加速器生產(chǎn)商不能提供具體的電子束能量，并且相同型號(hào)的加速器其電子束能量也不盡相同。對(duì)于最佳電子束能量的選擇，分別計(jì)算了6.0–6.5 MeV入射電子束能量的劑量分布，并與測(cè)量的百分深度劑量值(PDD)進(jìn)行比較，調(diào)整入射電子能量，使兩者差異在 2%以內(nèi)，選擇合適的入射電子能量。

1.2 Monte-Carlo 劑量計(jì)算

采用 DOSXYZnrc程序分別計(jì)算 30 cm×30 cm×30 cm水模體中5 cm×5 cm、6 cm×6 cm、8 cm×8 cm、10 cm×10 cm、12 cm×12 cm、15 cm×15 cm、18 cm×18 cm、20 cm×20 cm和25 cm×25 cm的劑量分布。計(jì)算用的體素大小根據(jù)不同射野選擇，模擬計(jì)算的歷程數(shù)為1.0×109，使劑量統(tǒng)計(jì)的不確定性控制在0.5%以下(劑量較小處除外)。

1.3 光子束劑量學(xué)特性

本工作研究了有均整器和無(wú)均整器深度劑量、特定深度的離軸比劑量、總散射因子和中心軸劑量率變化。計(jì)算了兩種射束5 cm×5 cm至25 cm×25 cm射野的百分深度劑量值(PDD)，每個(gè)射野采用參考深度處的劑量歸一，比較了不同射野下PDD分布特點(diǎn)。計(jì)算并比較了兩種射束3、5、10、20 cm深度處半影寬度。傳統(tǒng)的半影寬度定義為中心軸劑量的80%–20%包含的距離。對(duì)于FFF射束半影寬度的計(jì)算，選取文獻(xiàn)[19]的定義方法，即 80%–20%的Dn包含的距離，即Dn= (Du/Df)DCAX, 式中，Du和Df分別為未均整射束和均整射束半影區(qū)拐點(diǎn)的劑量，DCAX為均整射束中心軸劑量。實(shí)驗(yàn)還比較了6 MV兩種光子射束在水模體中深度為3、5、10 cm處的離軸比劑量分布。

總散射因子(Sc,p)即準(zhǔn)直器和模體散射線造成的總散射校正因子，定義為射野在模體中的輸出劑量率與參考射野(10 cm×10 cm)在模體中的輸出劑量率之比。本文研究了總散射因子隨射野大小和深度的變化情況。

最后比較兩種射束的中心軸劑量率，研究中心軸劑量率隨射野大小和深度的變化情況。

2 結(jié)果

2.1 蒙特卡羅模型參數(shù)調(diào)整

圖1為計(jì)算和測(cè)量的PDD和離軸劑量比較，對(duì)于6 MV光子束入射電子束能量選擇6.2 MeV。由圖1(a)，均整6 MV光子束10 cm×10 cm射野計(jì)算和測(cè)量的PDD，在超過(guò)最大劑量深度的區(qū)域，兩者差異<2%；由圖1(b)，均整6 MV光子束10 cm×10 cm射野在參考深度處計(jì)算和測(cè)量離軸劑量，在±4.5 cm范圍兩者最大相差<3%，在射野外區(qū)域，兩者相差>15%。

圖1 計(jì)算和測(cè)量的PDD(a)和離軸劑量(b)比較Fig.1 Comparisons of calculated (■) and measured (○) depth dose profiles(a) and lateral profiles(b).

2.2 兩種射束光子能譜比較

圖2表示兩種射束不同射野下的光子能譜比較，由圖可見(jiàn)，各射野中未均整射束的光子注量均比均整射束的大。但是加均準(zhǔn)器后，射線束被硬化，10 cm×10 cm射野平均能量從均整的1.64 MeV降至未均整射束的 1.29 MeV。比較兩種射束的能譜差異，發(fā)現(xiàn)隨著射野的增加，兩種射束注量的差異逐漸下降。

2.3 百分深度劑量分布

各射野下兩種射束的歸一化劑量深度分布見(jiàn)圖3。所有射野的未均整射束的PDD值均比均整射束的低，深度超過(guò)5 cm區(qū)域差異顯著，且隨深度增加，差異越大。為驗(yàn)證兩種射束PDD差異隨射野大小的變化，引入?yún)?shù)D10，即深度為10 cm處的百分劑量值(表1)。由表1可見(jiàn)，F(xiàn)F射束和FFF射束的D10值及兩者差異均隨射野增加。

2.4 離軸比劑量分布

圖4為6 MV光子束兩種射束20 cm×20 cm射野的1.5、10、20 cm深度的離軸比劑量分布比較。由圖4(a)，F(xiàn)F射束隨著深度的變化離軸比劑量分布變化顯著。而FFF射束隨著深度的變化離軸比劑量分布變化較小(圖4b)。圖中縱坐標(biāo)中心軸劑量歸于1.0，橫坐標(biāo)離軸距離歸于X50，即為中心軸劑量50%的離軸距離。

計(jì)算了兩種射束各射野下射野外區(qū)域的劑量及半影寬度，結(jié)果見(jiàn)表2。從表中可見(jiàn)，未均整射束射野外的劑量比均整的射束射野外劑量低，且下降量隨射野大小增加。射野外劑量的快速下降有利于保護(hù)正常組織，從而減少放療后二次癌癥的發(fā)生概率。各射野兩種射束的半影寬度，F(xiàn)F比FFF稍大，但差異并不顯著。

圖2 兩種射束各射野下光子束能譜比較Fig.2 Photon energy spectra calculated of four field sizes for FF and FFF beams with (■) and without (●) FF.(a) 5 cm×5 cm, (b) 10 cm×10 cm, (c) 15 cm×15 cm, (d) 20 cm×20 cm.

圖3 6 MV光子束各射野的劑量深度分布Fig.3 Dose depth distributions calculated for FF (■) and FFF (○) of 6 MV photon beams at different field sizes.

表1 各射野下兩種射束的D10比較結(jié)果Table 1 Comparison of D10 between flattened and unflattened beams for each field size.

考慮到離中心軸劑量50%劑量處的距離，計(jì)算了兩種射束5 cm深度處的X50%(表2)，F(xiàn)FF射束的X50%值比FF的稍小，兩者相差最大是在20 cm×20 cm射野(為1.3 mm)。說(shuō)明FFF射束在射野外區(qū)域劑量下降得比FF快，有利于保護(hù)射野外的正常組織。

2.5 總散射因子

計(jì)算了兩種射束不同射野和深度下的總散射校正因子，比較分析了總散射因子隨射野和深度的變化情況。選取四個(gè)射野的FF和FFF射束總散射因子，如圖5所示。圖中實(shí)線為FF射束的總散射因子，虛線為FFF射束的總散射因子。由圖5可見(jiàn)，當(dāng)射野>10 cm×10 cm時(shí)，總散射因子隨深度增大；當(dāng)射野<10 cm×10 cm時(shí)，總散射因子隨深度的增加而減小。從圖5還可見(jiàn)，對(duì)于同一射野下的FF和FFF射束，每個(gè)射野下FFF射束的總散射因子隨深度的變化幅度均比 FF射束的小。這主要是因?yàn)榭偵⑸湟蜃邮怯蓽?zhǔn)直器和模體的散射線共同引起的，而移除均整器后，減少了機(jī)頭的散射，即準(zhǔn)直器的散射線減少，因此總散射因子變化幅度也隨著減小。

圖4 兩種射束各深度離軸比劑量分布比較Fig.4 Comparison of lateral dose profiles for FF and FFF beams at three depths.

表2 兩種射束(FF, FFF)不同射野下射束特征計(jì)算結(jié)果比較Table 2 Characteristics of beam profiles calculated of the two beams for different field sizes.

2.6 中心軸劑量率變化

移除均整器可增加劑量率，圖6 (a)為兩種射束各射野10 cm深度處的劑量率比值曲線，可見(jiàn)隨著射野的增加，劑量率比值逐漸下降，這可能是因?yàn)殡S著射野增大模體散射逐漸增大，而均整器的影響相對(duì)減小。圖6(b)表示20 cm×20 cm射野，兩種射束劑量率比值隨深度變化曲線，隨著深度的增加，劑量率比值逐漸下降，這可能是由于移除均整器后光子束軟化，在表淺區(qū)域影響較大。

圖5 總散射因子隨深度的變化情況Fig.5 Variation of total scatter factor with depth for varies field sizes.

3 結(jié)語(yǔ)

利用蒙特卡羅方法模擬計(jì)算直線加速器中均整和未均整射束的劑量分布，并比較兩種射束的劑量學(xué)特性。研究結(jié)果表明，未均整射束有更好的劑量學(xué)特性，減少了機(jī)頭散射和漏射輻射，提高了劑量計(jì)算的準(zhǔn)確性，減少了全身的劑量受量，從而降低放射治療后二次癌癥的發(fā)生概率。研究結(jié)果還表明，減少散射可降低半影寬度、減小射野外區(qū)域劑量和減小散射因子隨深度變化的趨勢(shì)。然而，移除均整器后會(huì)增加污染電子(contaminant electrons)數(shù)量，從而增加模體表面的劑量，這是未均整射束在實(shí)際應(yīng)用時(shí)須考慮的問(wèn)題。

圖6 兩種射束劑量率比值隨射野(a)和深度(b)的變化情況Fig.6 Calculated values of the ratio of FFF to FF with field sizes(a) and depths(b).

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