空氣間隙、射線過濾模式、計算模型和光束傾角在不同補償膜厚度條件下對皮膚劑量的影響

桂龍剛，李軍

江蘇省蘇北人民醫院 放療中心，江蘇 揚州 225000

引言

利用高能X 射線進行外照射放射治療是腫瘤治療的重要手段之一，但對于表淺腫瘤（靶區靠近皮膚）的放射治療，由于存在建成效應，導致靶區劑量不足，從而降低治療效果[1-2]。因此，臨床上對于表淺腫瘤的放射治療，一般在照射區內的皮膚表面放置一定厚度的組織等效補償膜來補償建成效應的影響，增加表淺腫瘤的受照劑量。但皮膚表面放置補償膜，不可避免會引起皮膚劑量的增加，皮膚劑量的增加會帶來一定的臨床應用，例如不適、濕性脫屑、干性脫屑、刺激和疼痛等。因此，臨床醫師在評估放療計劃時，除了關注靶區和重要危及器官的劑量，也有必要關注皮膚劑量受量[3-4]。

補償膜厚度是影響皮膚劑量增量最直接的因素，此外皮膚劑量的增量還受到其他因素的影響。一方面，目前市售多種組織等效補償膜，多是硅膠、凡士林、石蠟等補償材料制作，一般常規制成各種大小、厚度的正方體，使用時直接將組織等效補償膜貼在人體皮膚表面[5]。但在實際使用時發現，由于患者的體位、皮膚松弛狀態等微小變化，以及頭部淺表腫瘤的患者面部輪廓的不規則，都會造成補償膜與人體皮膚表面存在一定的空間間隙，從而對皮膚劑量分布產生影響[6]。另一方面，放療物理師在利用治療計劃系統（Treatment Planning System，TPS）設計計劃時，必須對射線過濾器、機架角度、計算模型等參數進行設置或選擇，而這些參數有可能對皮膚劑量的增量產生一定的影響。

目前國內外文獻鮮有對相關問題進行專門研究，而本研究旨在評估上述5 類因素對皮膚劑量增量的影響，基于聯影uRT-TPS 平臺進行建模，研究在不同厚度的組織等效補償膜條件下，不同空氣間隙、射線束質量[有均整器（Flattening Filter，FF）模式與無均整器（Flattening Filter Free，FFF）模式]、計算模型、光束傾角對皮膚劑量的影響，以供臨床應用參考。

1 材料與方法

1.1 基本材料

本研究需要用到的材料包括：聯影linac-306 型加速器及其配套的TPS，通用電器（General Electric，GE）64 排大孔徑CT，不同厚度的固體水層板（長和寬均為300 mm）若干，厚度為2 mm 熱塑膜材質（該材質對高能X 射線的衰減可以忽略不計）的小墊片若干。此外，本研究單位雖然有不同厚度的組織補償膜，但其質地柔軟，缺乏剛性，不利于研究空氣間隙對皮膚劑量的影響，考慮到固體水模體與補償膜的電子密度幾乎相同，所以本研究擬通過用不同厚度的固體水模體（0、5、10、15、20 mm）代替補償膜。

1.2 模體搭建及CT掃描

如圖1 所示進行模體構建（共計17 個）：利用8 塊厚度為10 mm 的固體水層板構建長為300 mm、寬為300 mm、高為80 mm 的固體水模體（P0）；在P0的上表面分別放置厚度為0、5、10、15、20 mm 的固體水，并將其分別定義為P0-0、P0-5、P0-10、P0-15、P0-20；在P0的上表面4 個邊角處放置熱塑膜小墊片，以保證空氣間隙大小為2 mm，并在小墊片上分別放置厚度為5、10、15、20 mm 的固體水，將其分別定義為P2-5、P2-10、P2-15、P2-20；在P0的上表面4 個邊角處放置熱塑膜小墊片，以保證空氣間隙大小為4 mm，并在小墊片上分別放置厚度為5、10、15、20 mm 的固體水，將其分別定義為P4-5、P4-10、P4-15、P4-20；在P0的上表面4 個邊角處放置熱塑膜小墊片，以保證空氣間隙大小為6 mm，并在小墊片上分別放置厚度5、10、15、20 mm 的固體水，將其分別定義為P6-5、P6-10、P6-15、P6-20。

圖1 模型構建示意圖（a）和TPS中模型展示圖（b）

使用大孔徑CT 對上述17 個模體進行掃描，共計掃描17 次，掃描層厚均為2.5 mm，并將獲取的CT 圖像傳至uRT-TPS。

1.3 靶區和皮膚定義及勾畫

利用uRT-TPS，如圖1 所示要求在長300 mm×寬300 mm×高（厚）的模體上分別勾畫靶區層和皮膚層，其中上面10 mm 為皮膚，皮膚下面20 mm 為靶區。

1.4 皮膚劑量增強因子div

本文定義皮膚劑量增強因子div=（Dt-Da）/Da來表征補償膜對皮膚劑量的影響，其中Dt代表有補償膜時的皮膚平均劑量，Da代表沒有補償膜時的皮膚平均劑量，div 越大則皮膚劑量增量越多。

1.5 計劃設計基本要求

治療計劃的基本要求如下：選擇3D-CRT 模式；單野照射；射野中心點均應設在靶區層CTV的幾何正中心，且SAD=100 cm；鎢門射野為16 cm×16 cm；劑量率為600 MU/min，靶區CTV 的平均劑量Dctv-mean為1000 cGy；多葉光柵（Multi-leave Collimators，MLC）完全放開。

2 測量條件及結果

2.1 不同空間間隙條件下，射線過濾模式、計算模型和補償膜厚度對div的影響

針對2.2 節所述的17 個模體，通過改變TPS 計算模型和均整模式（FF 和FFF）分別設計68 個治療計劃，在所有計劃Dctv-mean達到1000 cGy 時，統計并分析各計劃的皮膚劑量值。圖2 為通過其余16 個模體獲得的皮膚劑量Dt變化曲線。圖3 反映了不同空間間隙、射線過濾模式、計算模型和補償膜厚度條件下div 比較結果。表1 為在不同空間間隙條件下，通過Dt和Da計算得到各條件下的皮膚劑量增強因子div。

圖2 不同空間間隙、射線過濾模式、計算模型和補償膜厚度條件下皮膚劑量Dt曲線

圖3 div隨光束傾角變化曲線圖

2.2 機架角度對div的影響

當光束角度以10°為間隔從0°增加到80°時，利用uRT-TPS 通過改變射線過濾模式和計算模型這兩類變量對P0-0、P0-5、P0-10、P0-15、P0-20這五種模體模型設計180 個治療計劃，在所有計劃Dctv-mean達到1000 cGy 時，統計并分析各計劃的皮膚劑量值，光束傾角對div 的影響如圖3 所示。從圖3 中可知：① 機架角度在0°～20°時，div 值幾乎無變化，機架角度在20°～70°時，div 曲線變得“陡峭”起來，div 值隨機架角度增大而增大，但當機架角度大于70°時，FFF 模式下div 曲線隨機架角度增大而增大，但對于FF 模式且補償膜厚度為15 和20 mm 時，div 值隨角度增加而降低；② 在FFF 模式下，無論計算模型如何選擇，div 隨機架角度變化曲線大致相同，且補償膜厚度越厚，div 值越大；③ 在FF 模式下，無論計算模型如何選擇，div 隨機架角度變化曲線大致也相同，但補償膜厚度越厚，div 值越小。

3 討論和總結

從臨床應用角度，對于表淺腫瘤的治療，通常需要在皮膚表面增加補償膜來提高腫瘤劑量，但這必然會對皮膚劑量產生影響。根據本研究結果（圖2），無論空間間隙、射線過濾模式和計算模型如何變化，補償膜厚度對皮膚劑量的影響是最大的。補償膜厚度在0～10 mm 范圍內，Dt隨補償膜厚度增加而增加，但補償膜厚度在10～20 mm 區間內Dt變化曲線趨于平緩，當厚度繼續增加時，皮膚劑量還會降低。結合高能X 射線功率分配圖（Power Distribution Diagram，PDD）曲線分析：皮膚層因處于建成區其劑量上升比較陡峭，當補償膜到達一定厚度時，皮膚層離開建成區，到達最大劑量點附近，此時皮膚劑量值到達最高劑量段且波動變化；當補償膜繼續增加時，皮膚層進入指數衰減段，皮膚劑量會逐漸降低。

在用補償膜進行放射治療臨床運用時，還發現存在空氣間隙問題。由于大多數的組織等效補償物材料都有一定的硬度，在實際治療操作時會因為凹凸不平的人體體表不能完全緊密地貼合皮膚，往往在補償膜與患者皮膚之間存在一定的空氣間隙[7-8]，有必要研究空間間隙大小對皮膚劑量的影響。根據本研究結果，無論射線過濾模式和計算模型如何變化，當補償膜厚度為5 mm 時，4 mm 空間間隙條件下的Dt最大，0 mm 空間間隙條件下的div 最小，但當補償膜厚度為10、15 和20 mm時，不同空間間隙條件下的div 值較為接近。

從物理的角度，皮膚劑量受到光束質量（光子能量分布）的直接影響，而射線過濾模式是影響光束質量的重要因素。對于傳統的3D-CRT 放療計劃，通常要求醫用直性加速器提供均勻的光束,這可以通過安裝在機頭內的FF 來實現。然而，隨著調強放射治療的發展，由MLC 產生的調強光束可以更好地獲得目標靶區的劑量分布，因此FF 可以從直線加速器中移除。FFF 的一個優點是將光束輸出從每分鐘數百個增加到數千個，顯著縮短治療時間，并減少由于呼吸等內部器官運動引起的劑量不確定性，但FFF 光束中出現大量的低能光子會削弱光束硬化效應[9-10]。

從數據處理的角度，TPS 計劃系統在進行劑量計算時，選擇不同的計算模型必然會對皮膚劑量產生影響。目前，uRT-TPS 提供了Convolution 和MC 兩種劑量計算模型：MC 是一種基于概率密度函數的重復隨機抽樣得到問題數值結果的計算方法，作為劑量計算的“金標準”，包含豐富的物理過程（光子與物質相互作用），可以準確計算復雜情況下射線在介質中劑量，但其計算過程極其耗時，在臨床上實際運用并不多[11-12]。而Convolution 是以點核為能量沉積核（Energy Deposit Kernel，EDK），首先計算原射線在單位質量內釋放的總能量（Total Energy Released Per Unit Mass，Terma），再將Terma 和EDK 進行卷積/積分得到最終沉積的能量，Convolution 計算較快，精度僅次于MC 模型[13]，在臨床上得到了廣泛運用。

如表1 所示，射線過濾模式和計算模型對皮膚劑量的影響呈現下述規律：① 當采用FF 模式且無補償膜時，MC 計算模型條件下的Da值高于Convolution 計算模型。而采用FFF 模式且無補償膜時，MC 計算模型條件下的Da值低于Convolution 計算模型；② 當采用FF 模式且有補償膜時，MC 計算模型條件下的div 值比Convolution 計算模型要低。當采用FFF 模式且有補償膜時，MC 計算模型條件下的div 值比Convolution 計算模型要高。

由于實際患者的外部輪廓是圓形的，患者的表面通常不完全垂直于中心束軸，皮膚劑量是隨光束傾角變化而變化的，因此有必要研究皮膚劑量增強因子與光束傾角之間的關系。

綜上所述，對于淺表層的腫瘤放射治療，在滿足靶區劑量的同時，皮膚劑量也應給予充分考慮，以盡可能降低皮膚副反應。而皮膚劑量會受到補償膜厚度、空間間隙、射線過濾模式、計算模型和光束傾角5 類因素的綜合影響。在臨床應用中，應結合實際需求，靈活調整治療方案，盡可能降低皮膚劑量，而本研究成果可為此提供參考。