辐射场分析介绍

肿瘤内碘-125放射性微粒辐射场图象分析兰州医学院第一附属医院陈大安放射性微粒插植疗法是恶性肿瘤近距离治疗的主要方法之一。基于CT、MR、超声等三维影像学图像资料的治疗计划、计划质量的评估、治疗计划的术后检验，是三个重要环节。确保TPS计划质量，使靶区域内剂量分布均匀、放射性微粒的空间定位较为合理、治疗更有效而对周围正常组织不损伤或轻微损伤，这是近距离放射治疗的剂量优化问题。治疗剂量优化的目标是，使求解的剂量分布满足临床要求：在PTV表面产生均匀剂量；限制PTV以内超高剂量范围；在PTV以外达到较为陡峭的剂量跌落。为教学、科研的需要，结合临床实践，应用计算机三维图象重建技术和医学影像分析技术，笔者设计开发了《肿瘤内辐射场图象分析系统》软件。该分析软件具有计划（含模板计划）编辑功能，并设计了计划质量评估、术后检验、分析若干功能，以下就计划评估和图象分析的相关内容作介绍。一、放射源辐射场的解析模型1介质中点源近距离辐射强度径向递减规律与熟知的平方反比律有一定差异，这种差异是因为介质中物质对辐射线的吸收和散射作用，通常用比例因子Sr=‘介质中吸收剂量/空气中吸收剂量’来表示，早期应用的解析模型有：径向距离r拟合多项式（Meisberger）和蒙特卡罗解析式(Montecalo)等。（径向距离r拟合的三次多项式Sr=a0＋a1.r＋a2.r2＋a3.r3，蒙特卡罗解析式Dr=Sre－r，其中Sr=1+a.(.r)b称为建成系数，系数a0…a4、常数a、b、都取决于介质和放射源的种类以及射线能量）。右面（图1）是由点源模型产生的辐射图。2用于治疗的放射源是线状源，它的几何结构和包装材料等多种因素都影响其辐射场分布，按照AAPMTaskGroup43推荐新的剂量公式为：DoseRate(r,q)=SkLg(r)F(r,q)G(r,q)/G(r0,q0)。公式中Sk是空气比释动能强度，各厂商的Sk数据略有差异；L是辐射量—吸收剂量转换系数，L与介质平均密度相关；其它校正因子是r和q的函数，r是测试点到线状源的轴线的垂直距离，q是测试点与线状源的轴两端的张角，g(r)是中垂线上“介质中吸收剂量/空气中吸收剂量”比例函数，用图1点源模型产生的辐射图r的高次多项式表示；F(r,q)是线状源各向异性函数，是对不同方向吸收剂量分布差异的校正；G(r,q)/G(r0,q0)是线状源的几何校正因子，它与比值q/r成正比。笔者实验观测用于治疗的碘-125辐射源在几种介质中辐射自显影图，用中垂线上的灰度比值代表“介质中吸收剂量”与“空气中吸收剂量”的比值，在r4.5厘米范围内，由灰度比值数据得到拟合多项式曲线与文献中试验曲线基本一致（图2）。线状源的辐射自显影图呈现轴向凹陷的苹果状分布（图3左）。按照线状源剂量公式由该软件产生的辐射图（图3右）与自显影图基本一致。图2辐射自显影图中垂线上的灰度比图3线状源的辐射图呈现轴向凹陷的苹果状分布二、多颗放射源的剂量分布在密度均匀分布的介质内，多源群体辐射的吸收剂量为各单个放射源吸收剂量的总和：Dj=ΣnDij。（图4）是由软件产生的多源辐射图。图4多颗放射源的辐射图三、植入治疗计划质量评估和图象分析TPS计划质量评估包括：1周边剂量分布曲线与有关参数（图5）。周边剂量分布直方图、剂量均数与标准差，可以用来评估各断层靶区边沿剂量分布的均匀性。该软件能够在计划的优化处理增删粒子操作时，随即给出周边剂量分布图形和数据。周边外1厘米剂量分布曲线，用以查看靶区边沿外1厘米处剂量分布情况，剂量均数与周边外1厘米剂量平均跌落率，可以作为减少靶区外组织辐射损伤的安全性指标；2靶区内断层剂量伪彩色图（图6），以及断层靶区剂量参数。其中断层影像与伪彩色剂量融合图，给出靶区剂量分布与断层影像的对比效果，便于更加直观地进行评估和分析；3剂量图剖线上的灰度分布直方图，直观地分析剂量变化（图7）；4兴趣区（ROI）剂量，等剂量线、面和有关参数。提供医师对感兴趣区进行分析的参考依据；图5周边剂量分布曲线图6靶区内断层剂量伪彩色图图7中位剖线灰度分布直方图5各断层靶区剂量频度统计直方图，分析靶区剂量分布范围；6剂量积分(微分)体积覆盖率DVD(DDVH)直方图和有关参数，提供D90、D100、D120、D150…等参数,分析处方剂量对靶区体积的覆盖情况；总计划靶区PTV内剂量频度统计直方图、FWHM测算，是由DDVH微分数据给出统计结果，其中FWHM是剂量峰值半高宽度，剂量峰值的位置和FWHM数值，用来分析PTV内剂量的均匀性和计量区域，通常FWHM值小一些，则均匀性较为好一些。DVH与DDVH直方图断层靶区剂量分布与DDVH直方图治疗计划的术后检验分为两步：1重建粒子三维分布。a基于术后正、侧位X平片，粒子投影线正交点重建；b基于术后3mmCT断层图重建；c靶区外误植入粒子检出（标记）；2对比分析。a重新应用8项质量评估方法，作术后TPS计划质量评估；b在PTV内30%处方剂量区域检出、需补充植入粒子位置标记；由于碘-125放射性种植源在机体内各器官的吸收剂量国内尚未有标准刻度，本分析软件给出的剂量数据只供参考，借此在植入治疗实践中不断总结经验，开拓应用范围，达到不断改善治疗效果的目的。