放射治疗计划系统是基于人体CT值到密度值转换而进行剂量计算的，CT值的变化和差别将会影响靶区剂量分布的准确性，Constantinou等人[1]在1992年曾应用电子密度模体研究不均匀组织的CT值的矫正，1993年研究不同密度组织肺-肌肉、肺-骨交界面的剂量学[2]，结果发现各组织CT值到密度转换错误将会引起显著剂量误差[3-4]。人体组织密度的不同在定位CT中将对应不同的CT值，这种差别则会使得治疗计划系统计算的各组织对射线吸收剂量不同，当射线依次穿过不同组织时，CT值出现变化，随深度增加改变了原来的剂量吸收曲线。射线在水中的百分深度剂量曲线我们都十分了解，然而当射线穿过不同组织时在两种组织界面和对后续的深度剂量曲线却关注不太多，由于使用CT数据无法保证不同组织的深度、厚度等参数的一致性及密度的均匀性，而且Eclipse计划系统采用的Acuros XB算法在非均匀组织及其边界剂量计算精度接近MC算法[5-7]，为此选择在Eclipse计划系统中建立不同人体替代组织均匀模体来进行研究[8], 能够帮助我们增强做治疗计划时对人体吸收剂量分布的理解，同时也具有指导计划设计的意义。
1 材料与方法 1.1 设备材料Varian Eclipse治疗计划系统(13.5版本)、加速器型号Varian23EX(X射线：6MV) Origin绘图软件。
1.2 人体组织替代材料[9]Eclipse治疗计划系统物理材料查找表AcurosXB-13.5中的水、肺组织、空气、骨骼肌组织、脂肪组织、肌肉组织、铝，见表 1。
|
表 1 物理材料查找表 |
在Eclipse Contouring功能区选择菜单栏Structure->New Phantom Image建立“Box”型20 cm×20 cm×20 cm均匀水模体，层厚设置0.1 cm。
1.3.2添加各个组织的Structure, 并在属性里的CT value and material选择AcurosXB-13.5物理材料查找表中相应组织材料的密度值和CT值，并且在进行剂量计算时必须只能选择一种当前所研究组织的物理材料，其它组织不予以设置。
1.3.3自动勾画所研究组织模体。由于在自动勾画功能里面只有肺和骨组织是包括在所研究组织，其它组织无法实现自动勾画，因此其它组织只能通过先选择物理材料为肺或者骨组织自动勾画，而后修改属性中的物理材料实现。组织模体设定为在水模体中心轴表面下3 cm, 对于密度较小的空气和肺组织厚度Z设定为为5 cm, 其余组织设定厚度Z为3 cm, X为10 cm, Y为10 cm。菜单栏Grid显示网格，并将网格设定为1 cm，根据网格定义组织模体在横断面、冠状面和矢状面的ROI，并自动勾画。
1.3.4添加计划射野。将等中心位置设置于模体中心轴表面，参考点设置于最大剂量深度处，6 MV为1.6 cm, 添加10 cm×10 cm射野, SSD照射, 给予处方100 cGy。(模型见图 1)
|
图 1 含肺组织模体模型图 |
用Eclipse计划系统中Dose Profile功能提取中心轴剂量数据并导出，所研究的最大深度15 cm, 在最大剂量深度附近和不同组织交界面附近取点间隔为0.1 cm，其余取点间隔为0.2 cm, 用Origin软件绘图。
2 结果根据组织密度与水的差异程度，将结果分为三组进行比较，第一组为为含空气、肺组织和水模体，第二组为含脂肪组织、骨骼肌组织和水模体，第三组为含骨组织、铝和水模体，抽取6 MV X射线照射时射野中心轴的深度剂量数据并绘图，结果如下。
2.1对于含空气模体在深度2.7~4 cm范围内剂量值低于水中的数值，对于含肺组织模体在深度2.7~4.6 cm围内剂量值低于水中的数值, 空气模体和含肺组织模体最大剂量差值均位于深度3.2 cm，含空气和肺组织模体中剂量差值分别为1.59%和1.53%，两者在4 cm和4.8 cm深度之后剂量值高于水中的数值，且差值呈逐渐增大趋势，在深度8 cm处剂量值突然增大，随后第二次在水中形成剂量建成区，最大剂量建成深度8.4 cm, 空气模体中剂量归一值为0.843, 比水模体中高出16.06%，含肺组织模体中剂量归一值为0.807，比水模体中高出11.03%。当深度到达9 cm以后三条剂量曲线趋于平行，含空气模体、肺组织模体与水模体中剂量差范围分别为18.56%~20.96%和13.06%~15.07%。(图 2 2a)
|
图 2 6 MV X射线不同替代组织的深度剂量曲线 |
对于含骨骼肌组织模体与水模体中的深度剂量差值小于0.05%，可认为两者一致。对于含脂肪组织模体，在深度2.8~4.8 cm范围内，剂量值略低于水模体中数值，于3.6 cm处最大差0.492%，5 cm之后含脂肪组织模体中深度剂量逐渐高于水模体中数值，没有明显剂量建成现象，当深度到达7 cm后，含脂肪组织模体与水模体深度剂量曲线基本平行，差值范围2.2%~2.8%。(图 2 2b)
2.3对于高密度的含骨组织和铝模体，当射线进入后会出现二次剂量建成效应，而物质密度越大建成效应越明显，二次建成最大剂量点均在深度3.1 cm处，分别为0.961和0.970，分别高出水模体中数值1.58%和2.54%。含骨组织模体在深度4.4 cm处剂量开始低于水模体中数值，含铝模体在深度4.2 cm处开始低于水模体中数值，而且含铝的深度剂量下降快于骨组织。当到达深度6 cm与水模体交界面后，剂量加快下降，当到达深度7 cm以后，含骨组织和铝模体的深度剂量线基本与水模体的深度剂量线平行，含骨组织、铝模体与水模体中的剂量差范围分别为6.7%~8%和12.2%~14.2%(图 2 2c)。
3 讨论当射线由含空气和肺组织模体进入水材料或者由水材料进入含骨组织和铝模体后，可形成二次剂量建成效应，且含空气模体比含肺组织模体效应更明显，含铝比含骨组织模体效应更明显，说明射线由低密度物质进入高密度物质后会产生二次剂量建成效应，且密度差异越大建成效应越明显。当射线由水材料进入含空气、肺组织模体后深度剂量值高，且密度越小效应越明显。而当射线由骨组织和铝模体进入水材料后深度吸剂量降低，而且密度越大的物质效应越明显。当射线穿过与水材料密度相近的物质如骨骼肌组织和脂肪组织时，深度剂量值相近，而密度差大的物质深度剂量差大。在做放射治疗计划时，人体内部会有空气腔、肺、脂肪、肌肉骨骼、甚至人工器官会使得密度分布不均，在给定肿瘤靶区剂量时不同方向射野穿过组织的不同、射线能量选择的不同都会影响靶区剂量分布，因此研究这种深度剂量特性将会对治疗计划的设计给予一定的指导作用。本文研究只是从纵向深度方面去考虑剂量的变化，下一步还可以结合蒙特卡洛模拟的方法对横向不同密度组织的剂量沉积的差异进行研究[10-11]。
| [1] |
Constantinou C, Harrington JC, Dewerd LA. An electron density phantom for calibration CT based planning computers to correct for heterogeneities[J]. Med Phys, 1992, 19(2): 325-332. DOI:10.1118/1.596862 |
| [2] |
Constantinou C, Harrington JC, Cadieux RA, et al. Dosimetry lung-muscle and lung-bone interfaces using 6MV and 10MV x-rays and 12-18 MeV electrons[J]. Int Radiat Oncol Biol Phys, 1993, 15(suppl 1): 244. |
| [3] |
Mackie TR, El-khatib E, Battista J. Lung dose correction for 6 and 15MV X-rays[J]. Med Phys, 1985, 12(3): 327. DOI:10.1118/1.595691 |
| [4] |
Tissue inhomogeneity corrections for MV photon beams Report of Task Group No.85 of the Radiation Therapy Committee of the American Association of Physicists in Medicine(AAPM). AAPM Report 85.2004.
|
| [5] |
Fogiata A, Ncolini G, Clivio A, et al. Dosimetric evaluation of Acuros XB advanced dose calculation algorithm in heterogeneous media[J]. Radiat Oncol, 2011, 6: 82. DOI:10.1186/1748-717X-6-82 |
| [6] |
Bush K, Gagne IM, Zavgorodni S, et al. Dosimetric validation of Acuros XB with Monte Carlo methods for photon dose calculations[J]. Med Phys, 2011, 38(4): 2208-2221. DOI:10.1118/1.3567146 |
| [7] |
吕晓平, 张艺宝, 吴昊, 等. Acuros XB、各向异性解析算法与蒙特卡罗算法在非均匀组织中剂量计算准确性对比研究[J]. 中国医学物理学杂志, 2016, 33(4): 348-352. DOI:10.3969/j.issn.1005-202X.2016.04.005 |
| [8] |
C.-M.Ma, E.Mok, A.Kapur, et al. Clinical implementation of a Monte Carlo treatment planning system[J]. Med Phys, 1999, 26(10): 2133-2342. DOI:10.1118/1.598729 |
| [9] |
Tissue Substitutes in Radiation Dosimetry and Measurement (Report 44) ICRU (1989).
|
| [10] |
Kirkby C, Sloboda R. Comprehensive Monte Carlo calculation of the point spread function for a commercial a-Si EPID[J]. Med Phys, 2005, 32(4): 1115-1127. DOI:10.1118/1.1869072 |
| [11] |
苗利, 刘胜堂, 孙彦泽, 等. 基于蒙特卡罗方法对光子束剂量沉积核的研究[J]. 核技术, 2013, 36(1): 45-49. |