高能电子束射野剂量学

1第六章高能电子束射野剂量学高能电子束应用于肿瘤的放射治疗始于50年代初期。据估计，当前在大的放射治疗中心，接受放射治疗的患者中，约15％左右的患者在治疗过程中要应用高能电子束。放射治疗的计划设计，要求在给予靶区足够剂量的同时，必须注意保护正常器官。高能电子束的特点：（1）对于x(γ)射线，沿射线入射方向靶体积后方的正常组织，不可避免的会接受到一定程度的辐射剂量，高能电子束则由于具有有限的射程，而可以有效地避免对靶区后深部组织的照射。这是高能电子束最重要的剂量学特点。（2）但对于高能电子束，因易于散射，皮肤剂量相对较高，且随电子能量的增加而增加；随着电子束限光筒到患者皮肤距离的增加，射野的剂量均匀性迅速变劣、半影增宽；百分深度剂量随射野大小特别在射野较小时变化明显；不均匀组织对百分深度剂量影响显著；拉长源皮距照射时，输出剂量不能准确按平方反比定律计算；不规则射野输出剂量的计算，仍存在问题。基于高能电子束的上述特点，它主要用于治疗表浅或偏心的肿瘤和浸润的淋巴结。第一节治疗电子束的产生临床最早使用的电子束多是由电子感应加速器产生的，60年代后期，医用直线加速器逐渐取代了电子感应加速器，成为放射治疗中产生电子束和高能x射线的最主要设备。对于医用直线加速器，经加速和偏转后引出的电子束，束流发散角很小，基本是单能窄束，必须加以改造，才能用于临床。治疗电子束产生的方法：方法之一是利用散射箔展宽电子束。根据电子束易于散射的特点，将其射束展宽。所用散射箔材料的原子序数和厚度，要依据电子束能量选择。散射箔可以有效地将电子束展宽到临床所需要的最大射野范围。电子束通过散射箔展宽后，先经x射线治疗准直器，再经电子束限光筒形成治疗用射野。电子束经x射线准直器及电子限光筒壁时，也会产的散射电子，从而改变电子束的角分布并使其能谱变宽，从而改善射野均匀性。它会使其剂量建成区的剂量显著增加，但随限光筒到表面的距离的增加而影响减少。将单一散射箔改用为双散射箔系统，可进一步改善电于束的能谱和角分布。第一散射箔的作用，是利用电子穿射时的多重散射，将射束展宽宽；第二散射箔类似于x射线系统中的均整器，增加射野周边的散射线，使整个射线束变得均匀平坦。使用双散射箔系统，电子束限光筒可不再使用单一散射箔通常采用的封闭筒壁式结构而改用边框式，此时边框式限光筒仅起确定射野大小(几何尺寸)的作用。方法之二是利用电磁偏转原理展宽电子束。可以减少或避免因电子束穿过散射箔时产生的x射线污染，它采用类似电视光栅式扫描或螺旋式扫描的方法，将窄束电子打散，从而使电于束展宽。其特点是能谱窄，剂量跌落的梯度更为陡峭，较低的x射线污染等。2第二节电子束射野剂量学一、中心轴百分深度剂量曲线1．百分深度剂量曲线的特点图6—5示出了模体内电子束中心轴百分深度剂量的基本特性及有关参数。有关参数：Ds：入射或表面剂量，以表面下0.5mm处的剂量表示；Dm：最大剂量点剂量；R100：最大剂量点深度；Dx：电子束中x射线剂量；Rt（R85）：有效治疗深度，即治疗剂量规定值(如85％Dm)处的深度；R50：50％Dm或半峰值处的深度（HVD）；Rp：电子束的射程；Rq：百分深度剂量曲线上，过剂量跌落最陡点的切线与Dm水平线交点的深度。高能电子束的百分深度剂量分布，大致可分为四部分：剂量建成区、高剂量坪区、剂量跌落区和x射线污染区。与高能x(γ)射线相比，高能电子束的剂量建成效应不明显，表现为：表面剂量高，一般都在75％～85％以上，并随能量增加而增加；随着深度的增加，百分深度剂量很快达到最大点；然后形成高剂量“坪区”。这主要是由于电子束在其运动径迹上，很容易被散射，使得单位截面上电子注量增加。剂量趺落是临床使用高能电子束时极为重要的一个概念。用剂量梯度G表示，记为G=Rp/(Rp-Rq)。该值一般在2.0～2.5之间。任何医用加速器产生的电子束都包含有一定数量的X射线，从而表现为百分深度剂量分布曲线后部有一长长的“拖尾”。电子束在经过散射箔、监测电离室、x射线准直器和电子限光筒装置时，与这些物质相互作用，产生了X射线。对采用散射箔系统的医用直线加速器，x射线污染水平随电子束能量的增加而增加。2.百分深度剂量的影响因素（1）能量的影响3可以看出，电子束百分深度剂量分布随电子束能量的改变有很大变化。基本特点是：由于电子束易于散射，所以随着射线能量的增加，表面剂量增加，高剂量坪区变宽，剂量梯度减小，X射线污染增加，电子束的临床剂量学优点逐渐消失。为了充分发挥高能电子束的临床剂量学优点，临床中应用的高能电子束，能量应在4～25MeV范围。（2）照射野的影响低能时，因射程较短，射野对百分深度剂量的影响较小；对较高能量的电子束，因射程较长，使用较小的照射野时，相当数量的电子被散射出照射野，百分深度剂量随射野的变化较大。当照射野增大时，较浅部位中心轴上电子的散射损失被照射野边缘的散射电子补偿逐渐达到平衡，百分深度剂量不再随射野的增加而变化。一般条件下，当照射野的直径大于电子束射程的二分之一时，百分深度剂量随照射野增大而变化极微。（3）源皮距的影响如图6-10，所示。4当源皮距不同时，百分深度剂量的一些主要参数的变化规律，主要表现为：当限光筒至皮肤表面的距离增加时，表面剂量降低，最大剂量深度变深，剂量梯度变陡，X射线污染略有增加，而且高能电子束较低能电子束变化显著。造成这一现象的主要原因，是由于电子束有效源皮距的影响和电子束的散射特性。由于电子束百分深度剂量随源皮距变化的这一特点，要求临床应用中，除非特殊需要，应保持源皮距不变，否则要根据实际的临床使用条件，具体测量百分深度剂量有关参数的变化。二、电子束的等剂量分布高能电子束等剂量分布的显著特点为：随深度的增加，低值等剂量线向外侧扩张，高值等剂量线向内侧收缩，并随电子束能量而变化。特别是能量大于7MeV以上时后一种情况更为突出。如图6-11所示。除能量的影响外，照射野大小也对高值等剂量线的形状有所影响。如图6-12所示，其90％等剂量线5的底部形状，由弧形逐渐变得平直。造成原因：主要是电子束易于散射的特点。三、电子束射野均匀性及半影定义和描述电子束照射野均匀性、平坦度和半影的特定平面：如图6-13所示．通过8512R深度与射野中心轴垂直的平面。6电子束射野均匀性表示：均匀性指数90/50U（ICRU建议）。其数值等于特定平面内90％与50％等剂量分布曲线所包括的面积之比。100cm2以上的照射野，此比值应大于0.70，即沿射野边和对角线方向90％，50％等剂量线的边长之比L90／L50≥O．85，同时必须避免在该平面内出现峰值剂量超过中心剂量的3％的剂量“热点”，它所包括的面积的直径应小于2cm。电子束的物理半影P80/20，由特定平面内80％与20％等剂量曲线之间的距离确定。一般条件下，当限光筒到表面距离在5cm以内，能量低于10MeV的电子束，半影约为10～12mm；能量为10～20MeV的电子束，半影约为8～10mm；而当限光筒到表面距离超过10cm时，半影可能会超过15mm。四、电子束的“虚源”及有效源皮距“虚源”：加速管中一窄束加速的电子束，经偏转穿过出射窗、散射箔、监测测电离室、限束系统等而扩展成一宽束电子束，好像从某一位置(或点)发射出来，此位置(或点)称为电子束的“虚源”位置。如图6—14所示。影响虚源位置的因素很多，对同一能量的电子束，射野大小亦会影响它的位置。因此，不能用虚源到表面的距离去准确校正延长源皮距后输出剂量的变化。实际临床上，用的是电子束有效源皮距。测量电子束有效源皮距的方法是，将电离室放置于水模体中射野中心轴上量大剂量点深度dm。首先使电子束限光筒接触水表面，测得电离室读数I0，然后不断改变限光筒与水表面之间的空气间隙g，至约20cm，得到相对不同空气间隙g的一组数据Ig，如果电子7束的辅出剂量率随源皮距的变化循平方反比定律，则有：20mgmIfdgIfd或01gmIgIfd由0gII相对于g可作一直线，则有效源皮距f等于：1mfd直线斜率8第三节电子束治疗的计划设计根据电子束的射野剂量学的基本特点，临床应用时应注意两个方面的问题：一是照射时应尽量保持射野中心轴垂直于入射表面，并保持限光筒端面至皮肤的正确距离。这是由于电子束的等剂量分布曲线极易受到诸如人体曲面、斜入射和空气间隙的影响。二是一些重要剂量学参数，必须进行实际测量，得到所使用的机器类型和具体照射条件下的实验数值，为临床作计划设计时提供参考。百分深度剂量、输出剂量等，会随照射条件的改变发生较大的变化，这些变化虽然可以采用数学的方法进行校正，但必须进行实际测量。一、能量和照射野的选择如前所述，电子束的表面剂量较高，很快到达最大剂量点深度后，进入剂量“坪区”，至射程末端，剂量急剧跌落。因此，不同能量的电子束具有确定的不同的有效治疗深度。电子束的这一剂量分布特点，决定了临床用它来治疗表浅的、偏体位一侧的病变时，具有高能X(γ)射线所不能及的突出优点：单野照射，靶区剂量均匀，靶区后正常组织和器官剂量很小。根据电子束百分深度剂量随深度变化的规律，电子束的有效治疗深度(cm)约等于1／3—1／4电子束的能量(MeV)。临床中电子束能量的选择，一般应根据靶区深度，靶区剂量的最小值及危及器官可接受的耐受剂量等因素综合考虑。如果靶区后部的正常组织的耐受剂量较高，可以90％等剂量线包括靶区来选择电子束的能量；如果靶区后部的正常组织的耐受剂量低，如乳腺癌的术后治疗，往往以保证胸壁和肺的界面处百分深度剂量不超过80％(甚至70％左右)来选择射线能量，以尽量减少肺组织的受量。选择照射野大小的原则，应确保特定的等剂量曲线完全包围靶区。电子束高值等剂量曲线，随深度增加而内收，在小野时此现象尤为突出．因此，表面位置的照射野，应按靶区的最大横径而适当扩大。根据L90／L50≥0.85的规定，所选电子束射野应至少等于或大于靶区横径的1.18倍。并在此基础上，根据靶区最深部分的宽度的情况将射野再放0.5～1.0cm。二、电子束的斜入射校正电子束治疗经常遇到的一个问题是，由于患者治疗部位皮肤表面的弯曲，或由于摆位条件的限制，致使电子束限光筒的端面不能很好平行和接触于皮肤表面，引起空气间隙和形成电子束的斜入射，导致电子束等剂量分布曲线的畸变。校正方法：参照图6-22A，设D0（f，d）为电子束垂直入射模体时有效源皮距为f，深度d处的剂量。斜入射时，设空气间隙为g，斜入射角为θ(入射点切线与射野中心轴的交角)，则深度d处的剂量D(f+g，d)为：20(,)(,)(,)fdDfgdDfdOFdfgd式中(,)OFd定义为斜入射校正因子，表示射线束垂直入射与斜入射的剂量比值。其值由表6—1给出，表中的相对深度用实际深度d与电子束射程RP的比值表示，射程RP的值约等于E(MeV)／2的值。9利用电子束的笔形束模型，可以对对电子束斜入射进行较为精确的校正。三、组织不均匀性校正在不均匀性组织如骨、肺和气腔中，电子束的剂量分布会发生显著变化，应对其校正。通常采用的校正方法为等效厚度系数法(CET法)。假设某种不均匀组织的厚度为Z，它对电子束的吸收的等效水的厚度为Z×CET，其中CET由不均匀组织对水的相对电子密度求得。如果计算位于厚度为Z的不均匀性组织后的某一点深度d处的剂量，应先计算该点的等效深度deff，然后经平方反比定律2efffdfd校正(f为有效源皮距)，可得到该点剂量。deff的计算公式为：deff=d－Z×CET－Z=d＋Z（CET－1)人体骨组织的CET值的范围为l.l(疏松骨)-1.65(致密骨)。对肺组织，实验表明，其CET值乎均约为0.5，并依赖于在肺组织中的深度。校正不均匀组织对剂量分布的影响的较精确的计算方法是，使用以多级散射理论为基础的计算模型，如笔形束模型等。四、电子束的补偿技术电子束的补偿技术用于：①补偿人体不规则的外轮廓；②减弱电子束的穿透能力；○3提高皮肤剂量。图6-29示出胸壁照射的示例：不加补偿时，肺前缘的剂量较高