施源器材料和厚度對近距離放射治療劑量的影響*

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用，不同材料不同厚度的施源器對射線的吸收不同，必定造成放射源周圍劑量分布的差異，傳統的近距離放射治療劑量計算一般忽略了施源器對劑量分布的影響［1-2］，這顯然會降低放射治療的精確性，也不利于治療計劃的評估。多篇文獻報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，對塑料施源器的研究也少有文獻報道。針對以上情況，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源導線對劑量分布的影響較小，所以假定源的包殼和導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壁之間有0．01cm的空氣。施源器根據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據通過PEGS4程序計算得到，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已有材料的反應截面數據條件，電子的截止能量下閾設為521KeV，光子的截止能量下閾設定為10KeV。為保證所取點的統計誤差小于2%，每種情況統計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 劑量偏差評估

為了定量分析施源器產生的劑量偏差，根據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量點，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單個入射粒子在測量點R處沉積的能量。

2 結果

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

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，當施源器厚度小于0．1cm時徑向方向R處的劑量編差ΔR不超過國家規定值3%［9］，當施源器厚度大于0．1cm時，劑量計算必須考慮不銹鋼施源器對劑量分布的影響。

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，表中的數據都在蒙特卡洛統計誤差2%的范圍內，可以認為在劑量計算過程中塑料施源器對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。

表3 塑料施源器ΔR分布表

3 討論

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

臨床中常用不銹鋼施源器的厚度一般不超過0．1cm，有時為了降低危及器官的受量，會在施源器內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際應用，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，劑量分布相對比較集中，不銹鋼施源器考慮徑向方向2cm以內產生的偏差，塑料施源器的厚度可以接近2cm，考慮徑向方向3cm以內產生的偏差。

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，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，結果表明不同材料和厚度的施源器對192Ir源的劑量影響不同。不銹鋼材料對劑量分布有顯著影響，偏差隨厚度的增加明顯增大。產生這種現象的主要原因是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的物質吸收。塑料施源器在厚度小于2cm的情況下，誤差在2%的范圍內。本文還測試了另一種常用塑料(PPO)，分子式為(C8H8O)n，密度 1．07 g/cm3，當施源器的厚度小于2cm時，徑向方向3cm范圍內的劑量偏差小于2%，與表3所列結果一致，這說明塑料施源器對劑量的影響很小且基本與厚度無關。

通過表2和表3可以看出，無論是不銹鋼還是塑料施源器，在各測量點，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病人實際受照量比計劃量小。有研究表明，劑量的不準確是導致腫瘤復發的主要原因［13］，因此，為達到預期的治療效果，很多學者研究了能進行非均勻修正的近距離放療劑量計算算法，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劃系統中實現，如Varian的Acuros BV計劃系統采用了LBTE算法，Oncentra Brachy計劃系統的4．5版本采用了collapsed cone算法，所以在時間要求不是太嚴格，尤其當含有高原子序數物質的施源器存在時應盡量選擇此類能進行非均勻修正的算法。

總的來說，對于現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的施源器，塑料施源器不僅沒有偽影，利于靶區勾畫，還比不銹鋼施源器有劑量上的優勢，計劃系統計算出的劑量分布更接近真實值。

［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，Feldmeier 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］ 全國電離輻射計量技術委員會．醫用γ射線后裝近距離治療輻射源檢定規程［R］．北京:國家質量監督檢驗檢疫總局，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．