磁共振引導放射治療中劑量分布的影響因素

劉莉軍 王艷曉 付 杰

目前圖像引導放射治療（IGRT）主要的引導方式是CBCT[1]，相對CBCT 成像技術，磁共振成像（MRI）有軟組織對比度高，無電離輻射等優(yōu)勢[2]。將放射治療系統(tǒng)與MRI 相結合有助于實現實時自適應放射治療，故磁共振引導放射治療系統(tǒng)是目前放射治療研究和發(fā)展的熱點。光子通過在人體產生次級電子沉積能量，磁場中次級電子在洛倫茲力作用下運動軌跡發(fā)生改變，導致劑量分布與無磁場情況不同，常規(guī)TPS 劑量運算無法滿足需求，需引入磁場作用因素。磁共振-放射源安裝模式、組織特征、磁感應強度和射線能量等都會影響劑量分布，可通過蒙特卡洛方法進行精確模擬。蒙特卡洛方法是研究光子輸運過程的重要工具，已有一些研究人員采用蒙特卡洛程序包如Geant4、EGSnrc 模擬磁場中的光子輸運過程。Geant4 對磁場中劑量分布計算的準確性得到了實驗驗證[3]，EGSnrc 的模擬結果亦滿足要求[4]。

磁共振- 放射源安裝模式對劑量分布的影響

磁共振-放射源安裝模式主要有以下幾種[4-5]：①FC（fixed cylindrical）：主磁場固定為水平方向，放射源旋轉過程中磁場保持與射束垂直；②TRBP（transverse rotating biplanar）：放射源與磁體相對固定，機架旋轉過程中磁場保持與射束垂直；③LRBP（longitudinal rotating biplanar）：放射源與磁體相對固定，機架旋轉過程中磁場保持與射束平行。

磁場垂直于射束情況下（FC、TRBP），劑量建成區(qū)縮短，離軸劑量分布向洛倫茲力方向偏移，電子回轉效應（electron return effect，ERE）在組織密度變化界面引起劑量升高和降低。FC 模式下，洛倫茲力方向在患者橫斷面內隨機架旋轉變化，對穿射野可補償該模式下磁場對劑量均勻性的影響；TRBP模式下，洛倫茲力方向平行于患者頭腳方向，與機架角度無關[4]。磁場平行于射束情況下（LRBP），磁場趨于將各向擴散的次級電子限制在射束方向，次級電子沿射束方向運動深度增加，劑量沿射束方向分布更集中，射野內劑量升高且劑量均勻性增加，射野外劑量降低，組織界面處劑量差異不明顯，但電子污染引起入射面劑量升高[5-6]。

組織特征對劑量分布的影響

1.均勻密度組織

橫向均勻磁場中，點擴散函數不再對稱（平均方向偏向洛倫茲力方向），劑量沉積區(qū)域減小；筆形束深度劑量曲線向入射表面偏移，半影不再對稱。因此橫向均勻磁場對均勻密度組織內劑量分布的影響主要體現在半影變化、建成區(qū)縮短和劑量分布偏移，影響程度還與射野面積有關。6MV X 射線垂直入射半無限均勻水模體的劑量分布受1.5T 橫向均勻磁場影響：對較小射野（1cm×1cm），側向電子平衡未建立，半影不對稱；對較大射野（5cm×5cm），劑量建成區(qū)縮短5mm，半影保持對稱且寬度增加1mm，射野整體偏移0.7mm。磁場對建成區(qū)和半影的影響可通過常規(guī)TPS 進行修正，但射野的整體偏移有方向性，需要特別考慮[7]。對腦部三維適形計劃，離軸劑量分布向洛倫茲力方向偏移，射野邊緣出現劑量升高和降低，ERE 引起部分區(qū)域皮膚劑量升高，0.2、1.5T 磁場在皮膚和射野邊緣引起最大劑量差異分別為+4/-2%、+10/-5%[4]。對IMRT 計劃，靶區(qū)劑量和正常組織受量在0、1.5T 磁場中的差異顯示，1.5T 橫向磁場對宮頸癌、腎癌IMRT 計劃無負面影響，對胰腺癌、前列腺癌IMRT 計劃質量影響＜5%[8-9]?？梢姍M向均勻磁場對組織密度均勻部位的計劃質量影響較小。

縱向均勻磁場中，點擴散函數保持對稱，次級電子在垂直于射束方向運動受限，在射束方向運動深度增加[6]；筆形束的離軸劑量分布保持對稱，水模體10cm 深度處，1.5T 磁場引起射野中心0.5cm 范圍內劑量升高，0.5 ～1.5cm 范圍內劑量明顯跌落。1.5T縱向磁場在肺部靶區(qū)的三維適形計劃中引起射野內劑量升高15%，射野外劑量明顯降低[5]。

在低密度均勻介質和空腔內，平均電子路徑長度增加，磁場對次級電子的偏轉作用更明顯，對劑量分布的影響更顯著，低場強即可對劑量分布產生較大影響，0.2T 磁場即可在肺部組織的射野邊緣產生±12%的劑量差異[4]。

在非均勻密度組織中，橫向均勻磁場在組織密度變化界面引起的ERE 對劑量分布影響極大，較磁場引起的其他劑量效應顯著得多，主要體現在空腔、肺部組織和皮膚處劑量不均勻度增加。

2. 空腔

橫向均勻磁場中，空腔表面劑量受ERE 影響，影響程度與場強、空腔尺寸有關。

Raaijmakers 等[2]研究了1.5T 橫向磁場對垂直于射束的圓柱形空腔表面劑量的影響，結果顯示，ERE 引起空腔表面劑量升高，其分布情況受場強和空腔直徑影響很大。強磁場將返回的次級電子限制在更小區(qū)域內，導致ERE 引起的劑量升高幅度更大。對直徑3cm 的空腔，1.5T 磁場引起劑量升高62%；隨空腔直徑減小，劑量不均勻逐漸消失。1.5T 磁場中，直徑1mm 的空腔周圍仍有10%的劑量升高，可見對1.5T 及更高場強，更小尺寸空腔才能消除磁場對劑量均勻性的影響。Yanez 等[10]通過DPM 模擬橫向均勻磁場對60Coγ 射線在水-空氣-水模體內劑量分布的影響，結果表明0.3T 磁場引起的ERE 在尺寸小于次級電子運動半徑的小空腔界面不明顯，在大空腔界面引起劑量升高。1.5T 磁場中直徑2cm 空腔的劑量不均勻通過對穿射野得到明顯改善[11]。對FC 模式下喉癌計劃的臨床模擬結果表明，采用非對穿射野的IMRT 計劃即可消除磁場對空腔附近劑量的影響[12]?？梢姴捎脤Υ┥湟盎騃MRT 技術可消除磁場對空腔表面劑量的影響。

3.肺部組織

單射野在橫向均勻磁場中照射水-肺-水模體，ERE 引起水-肺界面劑量升高，肺-水界面劑量重新建成導致劑量降低。6MV X 射線在1.5T 橫向均勻磁場中照射半無限水-肺-水模體，水-肺界面的水側劑量升高28%、肺側劑量升高40%，肺-水界面的肺側劑量降低26%、水側劑量降低24%[4]，與Raaijmaker 等[2]的研究結果類似。若采用平均能量低于6MV X 射線的60Coγ 射線，其高劑量區(qū)范圍和相應的劑量升高幅度更小。

采用權重均分的對穿射野，FC 模式下兩對穿射野的次級電子所受洛倫茲力方向相反，模體內的劑量均勻性顯著改善但未完全抵消，60Coγ 射線對穿照射下0.2T 磁場引起劑量差異＜2%[4]。Wooten 等[13]通過FC 模式系統(tǒng)（0.35T，60Coγ 射線）對水-肺-水立方進行單射野照射，測量結果顯示ERE 引起＜10%的劑量變化，該效應在對穿射野和IMRT 計劃中抵消，驗證了對穿射野對劑量均勻性的改善。采用權重均分的對穿射野，TRBP 模式下兩對穿射野的次級電子所受洛倫茲力方向相同，離軸劑量分布在洛倫茲力方向的偏移較單射野情況更大，6MV X 射線對穿照射下0.2T 磁場在肺模型中射野邊緣劑量差異為±12%[4]。

縱向均勻磁場中，磁場趨于將各向擴散的次級電子限制在射束方向，劑量沿射束方向分布更集中，射野外組織受量降低，組織界面處劑量差異不明顯。可見LRBP 模式可以削減甚至消除TRBP 模式下磁場對肺部計劃的影響，且LRBP 模式下磁場只增加患側肺劑量的不均勻度，理論上LRBP 模式可以滿足PTV 劑量要求同時降低患側肺的絕對劑量[5]。

4.皮膚

影響皮膚劑量的污染電子及次級電子的數量與磁場方向和強度、射野面積、皮膚表面與射束夾角等因素有關。

對FC、TRBP 模式，磁場減少皮膚表面的污染電子數量，對大射野更顯著[14]；次級電子在皮膚表面的能量沉積受皮膚表面與射束夾角的影響很大。Raaijmaker 等[15]基于FC 模式的蒙特卡洛模擬表明，1.5T 磁場中射束與幾何模體表面的夾角對入射面劑量及出射面劑量的影響較無磁場情況更顯著。分別對入射面和出射面，定義垂直于射束方向為0°，逆時針方向為正、順時針方向為負，于±75°范圍內每隔15°取一平面角度進行模擬。結果顯示：①負角度入射面：點擴散函數平均方向偏向左下方，次級電子運動偏離入射面，表面劑量降低，建成距離增長。建成距離于-75°取得最大值35mm。②正角度入射面：次級電子運動偏向入射面，表面劑量升高，建成距離縮短。對于較大正角度如60°、75°，由于射野側面的ERE，建成區(qū)消失，75°入射面中心劑量為142% Dmax（Dmax 為B=0T 最大劑量）。③正角度出射面：與負角度入射面類似，次級電子運動偏離出射面，正角度越大，出射面劑量越低（75°出射面劑量降低16%Dmax）。④負角度出射面：出射電子通量隨 75°～-45°增加，隨-45°～-75°減小。另外，返回電子在出射面內運動深度隨0°～-60°變淺（對-60°和-75°深度相同），相同數量的次級電子沉積區(qū)域越淺，沉積能量越高。這兩種作用綜合影響下，出射面劑量升高于-60°達到最大，為56%Dmax；-75°出射面劑量升高較-60°有所降低。采用對穿射野，入射面和出射面的劑量差異可以相互補償，其中傾斜表面于±75°范圍內的劑量變化幅度為-12 ～7%。Oborn 等[16]基于Geant4 的幾何模體模擬表明，FC 模式（0.2 ～3.0T，6MV X 射線）下，-30°～-60°入射面（角度定義與Raaijmaker等[15]相同）對皮膚劑量影響較小，正角度入射面的皮膚劑量顯著升高；在0.2 ～0.6T 磁場中任一角度出射面劑量升高，0.8 ～3T 磁場中負角度出射面劑量顯著升高、正角度出射面劑量降低。在出射面覆蓋組織等效模體，可基本消除磁場對皮膚表面劑量的影響。對磁場前中列腺癌IMRT 計劃的模擬研究表明，合理的選擇射束角度、對皮膚進行IMRT 優(yōu)化等方法亦可降低皮膚劑量[12]。

LRBP 模式中磁場將污染電子限制在射束方向引起皮膚劑量升高，對小射野更顯著。Oborn 等[17]采用Geant4 模擬了磁場對LRBP 模式下皮膚劑量的影響，結果表明皮膚劑量受準直器附近的場強影響很大，無磁屏蔽條件下皮膚劑量可達1000%Dmax，但是該研究僅考慮一維磁場的影響。Keyvanloo 等[18]采用有限元方法（FEM）模擬了LRBP 模式（0.56T，6MV X 線）的真實磁場分布，通過EGSnrc 模擬發(fā)現LRBP 模式下磁場引起的皮膚劑量升高＜15%。

磁感應強度對劑量分布的影響

場強設置與系統(tǒng)安裝模式、磁體類型等因素有關，不同磁場方向下場強影響劑量分布的模式不同，但總體上磁場對劑量分布的影響程度與場強成正比。

磁場垂直于射束情況下，隨場強增加，磁場對次級電子運動的約束增強，劑量建成區(qū)縮短、次級電子運動半徑減小、平行于洛倫茲力的平面內點擴散函數面積減小、點擴散函數平均方向偏向洛倫茲力方向等現象更明顯。不同場強下ERE 引起的劑量變化幅度不同：①在平行于射束的模體側面或垂直于射束的圓柱形空腔表面，強磁場將返回的次級電子限制在更小區(qū)域內，ERE 引起劑量升高幅度與場強成正比。圓柱形空腔表面的劑量分布情況還與空腔直徑有關，對直徑3cm 的空腔，0.2、0.75、1.5、3T 磁場分別引起劑量升高38%、53%、62%和76%。②在垂直于射束的模體出射面，ERE效應受磁場影響，0.2、0.75、1.5 和3 T 磁場分別引起出射劑量最多增加20%、50%、40%和20%，ERE 對0.75T 磁場最顯著。隨場強增加，ERE 引起劑量增加的區(qū)域相對射束方向的偏移量減小，3、1.5、0.75 和0.2T 磁場分別引起4、8、15.5和33mm 偏移。③在水-肺-水模體的組織界面，ERE 表現為水-肺界面劑量升高，肺-水界面劑量降低，0.75、1.5 和3T 磁場引起的劑量升高和降低分別為：+40/-25%、+49/-36%和+27/-31%，0.2T磁場中ERE 不明顯[2]。

磁場垂直于射束情況下三維適形計劃的劑量分布也受場強影響。對腦部計劃，0.2T 磁場在皮膚和射野邊緣引起最大劑量差異為+4/-2%，1.5T 磁場在皮膚和射野邊緣引起最大劑量差異為+10/-5%。對肺部計劃，0.2T 磁場在組織-肺界面和射野邊緣射野邊緣產生±12%的劑量差異，1.5T 磁場在組織-肺界面和射野邊緣引起最大劑量差異為+30/-15%[4-5]。

磁場平行于射束情況下，隨場強增加，次級電子在垂直于射束方向運動受限、運動范圍縮小的現象更明顯，次級電子在射束方向運動深度增加，劑量沿射束方向分布更集中，對肺部靶區(qū)的三維適形計劃，0.5、1.5 和3T 縱向磁場分別引起射野內劑量升高5%、15%和20%[5]。

總結與展望

磁場作用于電子影響射線的劑量分布，在皮膚、組織密度變化界面、空腔附近和低密度組織尤其顯著，但磁場對IMRT 計劃影響較小。FC 模式的MRLinac 應用于臨床通過IMRT 對4 例腰椎骨轉移瘤患者進行姑息治療，獲得理想的劑量精度和幾何精度，表明了MRIGRT 的臨床可行性與安全性[19]。但仍需對不同腫瘤特征在磁場中的劑量分布做進一步研究，明確MRIGRT 治療腫瘤患者的適應癥，實現實時自適應放射治療。