1 临床放射治疗剂量学的质量控制

放射治疗是治疗恶性肿瘤的主要手段之一。国内外统计数字表明, 在临床治疗中有50%~70%的癌症患者需要不同程度地接受放射治疗。放射治疗的基本原则是给肿瘤靶区足够精确的治疗剂量, 使周围正常组织和器官受到照射最少, 以提高肿瘤局部的治疗增效比, 减少正常组织的并发症。从理论上讲, 放射治疗物理师制定的放疗计划使肿瘤患者得到一个理想的剂量分布, 但治疗计划软件采用的计算方法和给出的剂量与探测器实际测量的剂量存在偏差。如果这种偏差较大, 将对治疗效果产生影响。因此, 对于每一个治疗计划, 必须通过剂量验证确保剂量计算结果的准确性。2000年, 巴拿马发生了放射治疗事故, 事故原因就是放射治疗计划系统输入一个挡块或四个挡块的校准因子, 计算软件只按四个挡块的校准因子计算并给出治疗剂量, 这就导致了在2000年8月~2001年3月期间, 28个患宫颈癌和前列腺癌的病人接受了比处方剂量高的过量照射。受过量照射的28人中有8人已经死亡。20人的直肠受到严重损伤, 一部分病人的直肠已坏死, 溃疡, 持续便血的病人出现了贫血^[1]。在放射治疗中, 放射治疗效果的关键是对"临床放射治疗剂量学的质量控制"^[2]。①第一阶段:利用简单的模体(水模或固体模)和TLD核查在参考照射条件下机器输出量的校准和射束线质。②第二阶段:利用多用途模体(水模或固体模)和TLD或胶片剂量计核查临床剂量学基本数据, 诸如参考点剂量、中心束轴深部剂量、束对称、离轴比和楔穿透等。③第三阶段:利用人体剂量学方法, 验证个体病人的某些位置处实际接受的治疗剂量值是否偏离预定的数值。④第四阶段:利用过渡计量学方法, 验证病人在实施照射过程中所接受的实际剂量的分布。人体剂量的质量控制属于第三个发展阶段, 利用多种探测器直接放在病人的治疗部位^[3], 验证根据病人患肿瘤的部位, 形状, 病人胖瘦差异, 治疗计划系统根据照射野变化, 源到皮肤距离变化, 机架角度变化, 楔形角度变化和挡块变化等影响, 给出校准因子, 计算最佳治疗剂量, 并与多种探测器测量估算的治疗剂量相比较, 相对误差应在±5%内符合。由于巴拿马的直肠癌事件, 2004年IAEA立项开展"放射治疗中人体剂量测量方法学研究"国际协作。

2 人体剂量方法学概述

人体剂量学^{[4, 5]}, 是利用多种探测器中的任何一种探测器, 放在病人体表或自然体腔内进行剂量测量的方法。人体剂量测量是指直接监测放射治疗中给予病人照射的放疗剂量。目的是对处方剂量和照射剂量进行比较, 提出标准的放疗质量保证措施。人体剂量学方法, 通常用于检查病人实施照射的错误, 检查核心程序的错误, 评价特殊治疗技术质量, 或者评价某处位置的剂量计算准确与否。第一个目的, 对探测器置于病人体表获得的剂量和理论计算值, 如与治疗计划系统(TPS)剂量值进行比较。另一个目的, 检查靶区剂量, 以判断照射实施的正确性。如果计算的剂量和测量的剂量值有大的偏差, 有可能靶区剂量计算错误。导致产生以上误差的主要原因, 如检测仪的单位错误, 辐射参数错误, 未建立病人校准或机器输出未接受变化等。第三, 测量皮肤剂量。

目前用于人体剂量测量的探测器, 主要有热释光剂量计(TLD), 金属氧化物场效应管(MOSFET)探测器, 半导体二极管(Diodes)探测器, 和光致发光(OSL)探测器等。笔者将几种探测器的工作原理和使用现状介绍如下。

2.1 热释光剂量计(Thermoluminescence Dosimeter, TLD)

热释光剂量计是一种固态晶体物质。当固态晶体受辐照时, 晶体内的电子激发到传导带, 部分电子在激发时被捕获, 形成发光中心。加热后, 传导带的电子与发光中心复合, 放出可见光, 发光量与接受的剂量成正比。热释光剂量计(TLD)已有40多年的发展历史, 技术成熟, 国内外有多种成品出售, 其中我国的产品质量优秀, 远销发达国家。优点:探测灵敏度高, 测量数据准确, 可重复使用, 价格便宜。缺点:测量过程较复杂, 不能现场获得实时测量数据。目前, 世界范围内各国用TLD测量环境水平剂量、个人剂量、放射诊断剂量及治疗剂量较普遍, 而用于放射治疗中人体剂量(脑瘤、鼻咽癌、直肠癌、前列腺癌、子宫颈癌)实时监测, 由于测量程序复杂, 国际上有部分国家用TLD开展放射治疗剂量临床监测, 我国还没有一家医院用于临床监测。

2.2 金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)探测器^[6-8]

场效应管由输入极、输出极和金属门控级构成。当门控级电压为零时, P型输入、输出极与N型基底座之间形成P-N结, 通道处于"关闭"状态。当门控极加足够大的负电压时, 来自于基底座、输入和输出极的正电荷被电场吸引积聚在二氧化硅界面, 形成导电通道, MOSFET探测器处于"开放"状态。当MOSFET探测器受到电离辐射时, 会在二氧化硅层产生电子空穴对, 电离产生的电子迅速向阳极移动, 一部分正电荷和电子重新复合, 未复合的正电荷短暂停留在原地附近。在电场作用下, 正电荷缓慢移向硅-二氧化硅界面, 并被氧化层的深空穴陷阱所俘获, 造成一定的正电荷累积。如果MOSFET通道内的电流稳定, 那么阈值电压发生相应的负向偏移。门控极电压的偏移程度与电离辐射形成的吸收剂量呈正比。MOSFET探测器是近十年刚发展起来用于人体剂量监测。优点:尺寸小, 灵敏度高, 剂量线性好, 测量范围宽, 适用于外照射中使用的高能光子和电子线束。缺点: MOSFET探测器价格较高, 有使用寿命(累积照射剂量上限约为200Gy)。目前, 世界范围内部分发达国家用于临床(脑瘤、鼻咽癌、直肠癌、前列腺癌、子宫颈癌的治疗剂量)监测, 国内仅有极少数医院用于临床(乳腺癌的治疗剂量)监测, 其他部位的监测处于停滞状态。

对TLD和MOSFET两种探测器, 2004年IAEA选择用于放射治疗中人体剂量的实时监测, 并在世界范围内开展国际合作。我国是参与国之一, 在光子治疗线束中, 对放射治疗病人头颈部及腹部等部位治疗剂量的测量方法、技术和程序已开展研究。

2.3 半导体二极管(Semiconductor Diode)探测器^{[4, 9]}

该探测器是以硅作为衬底的P-N结构成。当二极管受辐照时, 在耗尽区产生电子空穴对, 同时在该区域传播产生的电子信号。电荷载流子快速穿过耗尽区并迅速集聚产生电流, 与二极管电流方向相反, 上升时间很快, 约比在电离室里快1 000倍, 像直线加速器的一个脉冲。半导体二极管收集电流的大小与所受辐射量的大小成正比。半导体二极管探测器已有20多年的发展历史。优点:灵敏度高, 重复性好, 灵敏体积较小, 寿命长(可受照剂量约为100kGy), 可实时监测病人剂量。缺点:受温度影响较大。目前, 世界发达国家, 如美国、德国、加拿大、比利时等用于放射治疗病人(脑瘤、鼻咽癌、直肠癌、前列腺癌、子宫颈癌)实时剂量监测。我国有少数医院仅用于全身放射治疗剂量(TBI)验证测量。2004年, IAEA选择了该探测器用于放射治疗中人体剂量监测, 并在世界范围内开展国际合作。

2.4 光致发光(Optically Stimulated Luminescence, OSL)探测器^{[10, 11]}

OSL是一个圆形的Al 2O3:C圆片, 由两片聚酯胶片夹住Al 2O 3:C粉末构成, 厚度约为0.3mm。Al 2O3:C受到电离辐射后, 所产生的电子空穴对被物质内的晶格缺陷捕获, 被捕获的离子对受到外界激发后发射出光。发射光的强度与所受辐射剂量的强度和激发的强度成正比。优点:体积小, 重复性好, 灵敏度高, 无衰退, 无加热, 高速、重复测读, 测量范围宽(10μ Gy到100Gy), 即可用于放射诊断、放射治疗、环境水平和个人剂量监测。缺点:对光比较敏感, 测量读出仪价格昂贵。目前, OSL探测器在国际上一些发达国家, 如美国用于临床放射治疗剂量监测处于起步阶段, 我国在临床应用的研究还没开始。

综上所述, 国际上推荐使用以上几种探测器所进行的人体剂量验证方法, 涉及到多种因子的校准, 如角度、源皮距、照射野、挡块、楔形以及病人生理体征等, 影响因素多, 程序复杂, 在世界范围内还没有形成一套统一标准的程序, 方法和技术。放射治疗人体剂量质量保证验证方法的实施, 对于防止过量或过低照射, 以及防止放射治疗事故的发生, 保证病人接受准确的治疗剂量, 起到关键的作用。在我国, 放射治疗人体剂量质量保证验证工作, 还没有纳入到放射治疗的日常质量保证体系中, 这将是今后放射治疗质量保证工作的一项重要内容。