移動式術(shù)中電子束加速器臨床使用中限光筒的選擇策略

周 含 吳天聰 景生華 沈澤天 袁 喜 朱錫旭 李 兵

術(shù)中放射治療(intraoperative radiation therapy，IORT)是經(jīng)手術(shù)切除腫瘤病灶后，借助手術(shù)暴露而不能切除的瘤床、殘存灶、淋巴引流區(qū)或原發(fā)病灶，在直視下進行一次性大劑量照射。1909年，Carl Beck博士試圖用IORT技術(shù)進行胃癌的治療，由于當時放射治療設(shè)備射束能量以及劑量率太低的原因，限制了其應(yīng)用[1]。1964年，Abe教授首次成功應(yīng)用于臨床，至今已有數(shù)十年的歷史，目前已成功的應(yīng)用于多種腫瘤的治療中[2-3]。使用常規(guī)直線加速器進行IORT，需要將已經(jīng)手術(shù)暴露的患者從手術(shù)室轉(zhuǎn)運到放療科機房中接受放射治療，極大增加了手術(shù)風險與感染概率。1997年，首臺可移動式術(shù)中電子束加速器放射治療系統(tǒng)投入使用，新式的IORT設(shè)備體積小、重量輕且防護要求低，使其可在手術(shù)中直接使用，自此IORT技術(shù)獲得了迅速發(fā)展[4-5]。

解放軍南京總醫(yī)院于2015年引進移動式Mobetron 2000型術(shù)中電子束加速器放射治療系統(tǒng)，設(shè)備投入臨床使用前測試近半年的時間，在原有高能電子直線加速器物理劑量學基礎(chǔ)上，測量并分析IORT中心軸深度劑量分布特性、表面劑量的測量與校正、剖面劑量分布、危及器官的保護以及限光筒外漏線、空氣間隙因子、斜入射對劑量分布的影響與校正等，充分研究術(shù)中放射治療臨床劑量特性及其優(yōu)化方法[6]。本研究針對電子束的特性，研究臨床IORT設(shè)備限光筒的使用策略，以對臨床IORT設(shè)備的使用提供參考。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備與材料

采用Mobetron 2000術(shù)中電子束放射治療系統(tǒng)(美國IntraOp公司)；劑量測量設(shè)備48 cm×48 cm×41 cm的三維水箱(德國PTW，BEAMSCAN)；Dose1劑量儀(德國IBA公司)；0.6 cc Farm電離室(德國PTW，F(xiàn)C65-P)；靜電計(美國CNMC，MODEL206)；1套10 cm的質(zhì)量控制限光筒和適配器，45個圓形不銹鋼限光筒(美國IntrOp公司)。

1.2 測量方法

(1)根據(jù)美國醫(yī)學物理家學會(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)TG51協(xié)議“高能光子和電子束參考劑量學議定書”推薦的方法，在水模體中做臨床級劑量學測定[7]。測量垂直于水模體表面中心軸百分深度劑量和平行于水模體表面的射野離軸比、輸出因子、限光筒外漏射劑量、鉛擋塊對電子束的衰減、輸出量校準、電離輻射質(zhì)以及各限光筒的平坦度與對稱性等。

(2)移動式Mobetron 2000型術(shù)中電子束加速器放射治療系統(tǒng)配置有4 MeV、6 MeV、9 MeV及12 MeV電子束，由于4 MeV為每檔能量的起步檔，其穿透能力較弱，穿過加速器的輸出窗時電子束的衰減很大，同時發(fā)熱也較大，對于機器的真空系統(tǒng)不利[8]。因此，4 MeV在臨床中應(yīng)用較少，本研究實際應(yīng)用中電子束使用6 MeV、9 MeV和12 MeV。

2 臨床限光筒的數(shù)據(jù)與性能測量

2.1 平坦度與對稱性

測量時將Dmax處profile曲線上80%深度(R80)對應(yīng)的寬度各內(nèi)收1 cm，其間的區(qū)域定義為平坦度區(qū)域，對稱區(qū)域的定義同平坦度區(qū)域，此區(qū)域同樣為臨床手術(shù)中IORT的照射區(qū)域，此區(qū)域也是臨床限光筒選擇的參考區(qū)域。電子束為6 MeV、9 MeV和12 MeV的10 cm×10 cm限光筒的Inline隨著能量變化的趨勢如圖1所示。

圖1 限光筒Inline隨能量變化趨勢圖

2.2 電子束劑量特性

電子束劑量學特性表明，從表面到Dmax為劑量建成區(qū)，從Dmax到D90為治療區(qū)，D90之后為劑量跌落區(qū)，若將靶區(qū)后緣深度(d后)取在90%的劑量線，電子束的能量近似選為：E0(MeV)≈3×d后+2-3。實際的臨床使用中，選擇治療的深度為R80，能量的衰減符合臨床的治療。本研究中R80的大小隨著射野的變化見表1～3。

表1 在6 MeV時R80大小隨能量射野角度的變化情況

表2 在9 MeV時R80大小隨能量射野角度的變化情況

表3 在12 MeV時R80大小隨能量射野角度的變化情況

根據(jù)電子束劑量學特點，選擇合適的能量及合適的限光筒，可以有效的使靶區(qū)得到較高的劑量包繞，以及有效地避免對靶區(qū)后深部組織的照射[9-10]。

2.3 臨床限光筒的R80影響因素

2.3.1 參考深度Dm

取最大射野?10 cm，測量的最大點深度，作為該能量不同限光筒不同傾斜角的參考深度，隨著限光筒傾斜角度的變大，Dm變小，即最大劑量深度往水面平移[11-12]。

2.3.2 表面劑量

表面劑量的測量結(jié)果隨著能量的升高而增加。這是由于電子束易于散射，造成表面劑量隨能量增加而增加，但是由于移動式IORT機器電子束流不需要偏轉(zhuǎn)磁鐵，使其表面劑量比常規(guī)加速器要高。此外，由于限光筒導致的機頭散射線增加，也將導致表面劑量的增加，同時由于表面劑量的增加，使得R80的值稍微偏高[13-14](見表4)。

表4 不同能量不同角度的表面劑量分布(%)

2.4 線形擬合

測量結(jié)束后，對3種能量，15種射野大小，3種能量的限光筒進行數(shù)據(jù)分析，其線形擬合計算為公式1：

式中y為R80的數(shù)值，x為限光筒的大小，b為曲線斜率。

3 臨床限光筒的數(shù)據(jù)與性能測量結(jié)果

3.1 與能量相關(guān)的測量結(jié)果

R80的大小隨著射野的變化顯示，在能量相同的情況下，隨著限光筒的變大，R80逐漸增大；當射野大小及能量相同的情況下，隨著角度的增加R80減少，且隨著能量的增加，變化的幅度增加。6 MeV、9 MeV及12 MeV的R80隨著射野及角度的變化趨勢如圖2所示。

圖2 R80隨著角度能量射野大小的變化趨勢圖

3.2 與限光筒相關(guān)的測量結(jié)果

能量越高R80隨著射野的變化越顯著，對于＜5 cm限光筒R80變化較顯著，＞5 cm限光筒R80增加緩慢，能量越低，緩慢程度越大，對于6 MeV幾乎趨于直線。因此，R80擬合的過程中，分為限光筒≤5 cm及限光筒＞5 cm兩種情況。兩類擬合結(jié)果為：①限光筒≤5 cm結(jié)果3種能量3種角度，6種射野大小；②限光筒＞5 cm且＜10 cm結(jié)果3種能量3種角度，9種射野大小，其差異有統(tǒng)計學意義，見表5～8。

表5 不同能量0°限光筒＜5 cm的R80與射野大小的擬合統(tǒng)計表

表6 不同能量0°限光筒＞5 cm的R80與射野大小的擬合統(tǒng)計表

表7 不同能量30°限光筒＜5 cm的R80與射野大小的擬合統(tǒng)計表

表8 不同能量30°限光筒＞5 cm的R80與射野大小的擬合統(tǒng)計表

線形回歸采用逐步回歸去多重共線性，顯著性水平0.05水平下，認為0°限光筒受射野影響不顯著(見表5)，30°限光筒R80與射野大小的線性擬合，對于6 MeV得到的回歸方程：Y=6.04+0.186X1；對于9 MeV得到的回歸方程：Y=3.4+0.348X1；對于12 MeV得到的回歸方程：Y=2.48+0.448X1(X1為射野大小，Y為R80)。

正如圖2(a)所示，對于0°限光筒的治療時，R80的大小隨著射野大小的變化較小，趨向直線，因此在實際手術(shù)過程中，使用0°限光筒時，一般限光筒的直徑包繞腫瘤范圍1 cm左右[15]；對于15°及30 °限光筒而言，圖2(c)和圖2(d)可得，能量越大，R80的值隨著射野大小的變化越明顯，因此手術(shù)切緣照射時，角度較大時，臨床選擇限光筒時盡量選擇＞9 MeV的能量，以達到更好的劑量給予。

3.3 臨床術(shù)中限光筒選擇應(yīng)用

由于斜端面的限光筒照射野的平坦度和對稱性明顯變差，因此驗收過程中，移動式術(shù)中電子束加速器放射治療系統(tǒng)的profile數(shù)據(jù)的測量條件為限光筒尺寸：?10 cm，0°。因此選擇10 cm×10 cm限光筒的時候，角度的選擇根據(jù)靶區(qū)的后緣深度來選擇[16-17]。根據(jù)醫(yī)院的移動式術(shù)中電子束放射治療系統(tǒng)的使用，臨床限光筒的選擇如圖3所示。

圖3 術(shù)中放射治療的臨床限光筒選擇步驟框圖

4 結(jié)論

相關(guān)系數(shù)分析是用相關(guān)系數(shù)來表示兩個變量間的相互直線關(guān)系，度量擬合優(yōu)度的統(tǒng)計量是線性相關(guān)系數(shù)R，其取值范圍是[-1，1]的值越接近1，兩個變量間的直線相關(guān)越密切；反之值越接近0，表明回歸直線對觀測值的擬合程度越差。標準差也稱均方差，是各數(shù)據(jù)偏離平均數(shù)距離的平均數(shù)，是離均方平方和進行平均計算后的方根，反映的是一個數(shù)據(jù)距離平均值的離散程度，其值越大表明各個數(shù)據(jù)之間越分散，對于0°的限光筒，擬合曲線近似為一條斜率為0的平行直線，因此對于0°限光筒治療時，限光筒的直徑包繞腫瘤范圍為1 cm左右。對于臨床限光筒＜5 cm，角度越大，線形相關(guān)系數(shù)越大，擬合程度越好，R80受射野大小的影響越大。此時選擇臨床限光筒時，需結(jié)合射野大小的R80數(shù)值，及能量的劑量學特性進行選擇。而對于限光筒選擇＞5 cm時，線性相關(guān)明顯變差。

通過對Mobetron 2000型術(shù)中電子束加速器的劑量學特性的測量，更加明確其射線特性適合對術(shù)后瘤床、殘存灶、淋巴引流區(qū)或者原發(fā)灶的治療，其射線的表面劑量高，達到最大劑量點深度后急劇衰減，使得腫瘤靶區(qū)得到均勻的劑量同時又保護了靶區(qū)之后的正常組織的劑量[18]。電子束照射野的劑量與限光筒的大小角度密切相關(guān)，這主要是因為加速器以及限光筒的特性直接影響入射人體組織表面的電子能譜。限光筒的特殊劑量學特性，從而適用于手術(shù)中的放射治療，本研究的數(shù)據(jù)分析為本設(shè)備的臨床應(yīng)用提供了更直觀的參考。