腫瘤放射物理學

1、第五章 高能電子束射野劑量學,,介紹,主要用于治療表淺或偏心的腫瘤和浸潤的淋巴結(jié)。,第一節(jié) 治療電子束的產(chǎn)生,利用散射箔(scattering foil)，根據(jù)電子束易于散射的特點，將其射束展寬。經(jīng)過準直器和限光筒形成治療野。,,,利用電磁偏轉(zhuǎn)原理，采用類似電視光柵式掃描或螺旋式掃描的方法，將窄束電子擴散，從而使電子束展寬。除具有能譜窄，劑量跌落的梯度更為陡峭，較低的X射線污染等特點外，還具有較易形成電子束不規(guī)則調(diào)強射野的特

2、點。,第二節(jié) 電子束射野劑量學,一、中心軸百分深度劑量曲線,高能電子束的百分深度劑量分布，大致分４部分：劑量建成區(qū)、高劑量坪區(qū)、劑量跌落區(qū)、Ｘ線污染區(qū)。,,,任何醫(yī)用加速器產(chǎn)生的電子束都包含有一定數(shù)量的X射線，形成或表現(xiàn)為百分深度劑量分布曲線后部有一長長的“拖尾”。電子束經(jīng)過散射箔、監(jiān)測電離室、X射線準直器和電子限光筒裝置時相互作用，產(chǎn)生了X射線。對采用散射箔系統(tǒng)的醫(yī)用直線加速器，X射線污染水平，6～12 MeV電子束，約為0.5

3、％～2.0％；12～20 Mev電子束，約為2.0％～5.0％。,2．能量對電子束百分深度劑量的影響,,特點是：隨著射線能量的增加，表面劑量增加，高劑量坪區(qū)變寬，劑量梯度減小，x射線污染增加，電子束的臨床劑量學優(yōu)點逐漸消失。臨床中應用的高能電子束，其能量應在4～25 MeV范圍。,,,3．照射野對百分深度劑量的影響,照射野較小，因相當數(shù)量的電子被散射出照射野，中心軸百分深度劑量隨深度增加而迅速減少。照射野增大時，較淺部位中心軸上電

4、子的散射損失被照射野邊緣的散射電子補償逐漸達到平衡，百分深度劑量不再隨射野的增加而變化。一般條件下，當照射野的直徑大于電子束射程的二分之一時，百分深度劑量隨照射野增大而變化極微。,4．源皮距對百分深度劑量的影響,一些特殊的照射技術(shù)，如全身皮膚照射，或因患者照射部位體表的彎曲使擺位條件受到限制，或因使用大照射野，都必然會改變限光筒到皮膚之間的距離，從而造成源皮距的變化，這種變化會直接影響到百分深度劑量及劑量分布。,,表現(xiàn)為：當限光筒至皮

5、膚表面的距離增加時，表面劑量降低，最大劑量深度變深，劑量梯度變陡，x射線污染略有增加，而且高能電子束較低能電子束變化顯著。,二　電子束的等劑量分布,分布特點：低值劑量線向外擴張，高值內(nèi)收，和能量有關(guān)。,,,造成電子束等劑量分布曲線這些特點的主要原因，是電子束易于散射的特性。對于不同類型、不同限束系統(tǒng)的治療機，這些特點會有顯著的不同。限光筒的下端面與患者皮膚之間的距離，患者體表的彎曲程度，電子束的入射方向等，都會影響電子束等劑量分布曲線

6、的形狀。因此，在臨床應用時，要給予充分注意。,三、電子束射野均勻性及半影,四、電子束的“虛源”及有效源皮距,各類加速器產(chǎn)生的電子束源的位置，不同于X射線以靶位置表示，也不能用散射箔或出射窗口位置代替。電子束并非是由加速器治療頭中的一個實在的放射源輻射產(chǎn)生的，而是加速管中的一窄束加速的電子束，經(jīng)偏轉(zhuǎn)穿過出射窗、散射箔、監(jiān)測電離室、限束系統(tǒng)等而擴展成一寬束電子束，好像從某一位置(或點)發(fā)射出來，此位置(或點)稱為電子束的“虛源”(virt

7、ual source)位置。,,影響虛源的位置因素很多,對同一能量的電子束，射野大小亦會影響它的位置 。不能用虛源到表面的距離去準確地按平方反比定律來校正延長源皮距后輸出劑量的變化。一些實際測量結(jié)果表明，根據(jù)虛源到皮膚的距離，按平方反比校正僅在較大射野條件下成立；對較小的射野，平方反比定律校正會低于輸出劑量的實際變化。由于較低能量的電子束，在較小射野條件下，輸出劑量會由于電子束本身在空氣和模體中缺少側(cè)向散射平衡，變化較大，而虛源皮

8、距按平方反比定律校正時無法給予考慮。,電子束有效源皮距的方法,,五、電子束的輸出劑量,,對X(γ)射線，射野輸出劑量隨射野的增大而呈單調(diào)增加。高能電子束由于其本身的物理特點，如具有一定的射程、易于散射等，加上限束系統(tǒng)的影響，使得電子束輸出劑量率隨射野變化的規(guī)律變得復雜。對每一個電子束限光筒，X射線治療準直器應取一個特定的位置。,源皮距的影響:空氣間隙對電子束輸出劑量的影響，低能量，小照射野時較大，高能量、大照射野時較小。,第三節(jié)

9、電子束治療的計劃設(shè)計,一是照射時應盡量保持射野中心軸垂直于入射表面，并保持限光筒端面至皮膚的正確距離。這是由于電子束的等劑量分布曲線極易受到諸如人體曲面、斜入射和空氣間隙的影響。二是電子束的一些重要劑量學參數(shù)，如百分深度劑量、輸出劑量等，會隨照射條件的改變發(fā)生較大的變化。這些變化雖然可以采用數(shù)學的方法進行校正，但必須進行實際測量，得到所使用的機器類型和具體照射條件的實驗數(shù)值，提供臨床作計劃設(shè)計時參考。,一、能量和照射野的選擇,優(yōu)點：單

10、野照射，靶區(qū)劑量均勻，靶區(qū)后正常組織和器官劑量很小。電子束的有效治療深度(cm)約等于1／3～1／4電子束的能量(MeV)。臨床中選擇電子束能量，一般應根據(jù)靶區(qū)深度，靶區(qū)劑量的最小值及危及器官可接受的耐受劑量等因素綜合考慮。,,電子束治療選擇照射野大小的原則，應確保特定的等劑量曲線完全包圍靶區(qū)。表面位置的照射野，應該按照靶區(qū)的最大橫徑而擴大。至少為1.18倍。并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)靶區(qū)最深部分的寬度的情況射野再放0．5～1．0 cm。,

11、二 、電子線的斜入射校正,影響：1 穿透能力減弱2 最大劑量深度向表面前移3 增加了最大劑量點的側(cè)向散射,,,,結(jié)果：電子束表淺部位的增加和較深部位的減少。同時百分深度劑量減少。原因：側(cè)向散射與距離平方反比的擴散作用。,,,12MeV電子束照射圓柱形固體模體,三、組織不均勻性校正,等效厚度系數(shù)法(coefficient of equivalent thickness，CET)再根據(jù)平方反比定律進行修正，得到結(jié)果。,,人

12、體骨組織的CET值的范圍為1.1(疏松骨)～1.65(致密骨)。對肺組織，實驗表明，其CET值平均約為0.5，并依賴于在肺組織中的深度。,,,肺組織對水的相對電子密度，近似等于其對水的相對密度。CT掃描結(jié)果顯示，肺相對于水的電子密度為0.2～0.25。如果假設(shè)CET值等于其對水的相對電子密度，(5—5)式中的CET值可用肺對水的相對密度代替來作肺劑量的校正。,,小塊不均勻組織的情況,,四、電子束的補償技術(shù),①補償人體不規(guī)則的外輪廓；

13、②減弱電子束的穿透能力；③提高皮膚劑量。,,,補償材料：石蠟有機玻璃聚笨乙烯材料,五、電子束照射野的銜接技術(shù),對一些特殊部位的病變的照射，如全腦全脊髓照射中的脊髓野，乳腺癌術(shù)后的胸壁照射野等。單一電子束射野不可能包括整個靶區(qū)，需要采用多個相鄰野銜接構(gòu)成大野進行照射，必須恰當處理，避免靶區(qū)內(nèi)超、欠劑量的發(fā)生。,,電子束照射野銜接的基本原則是：根據(jù)射線束寬度隨深度變化的特點，在皮膚表面相鄰野之間，或留有一定的間隙，或使兩野共線

14、，最終使其50％等劑量曲線在所需深度相交，形成較好的劑量分布。具體采取何種方式銜接，要依據(jù)所使用的電子能量的電子射野的等劑量分布情況。,電子線與X線射野的銜接,常見問題：電子線一側(cè)出現(xiàn)冷點 X線一側(cè)出現(xiàn)熱點,,當靶區(qū)范圍較大，且治療深度不同時，如圖5-32所示，在兩個照射野相鄰的邊緣，放置用聚苯乙烯等組織替代材料制成的楔形板，改變射野邊緣的劑量分布，使包括銜接部位的整個靶區(qū)的劑量分布均勻。,,六、

15、電子束照射野的擋鉛技術(shù),附加鉛塊可固定在限光筒的末端，也可直接放在患者體表被遮擋的位置。,1．擋鉛厚度的確定,擋鉛厚度過薄，劑量不僅不會減少，反而會有所增加。一般情況下，擋鉛厚度應略大于所需要的最小鉛厚度值。但在有些情況下，特別在射野內(nèi)遮擋時如照射眼瞼部位的腫瘤，為保護晶體，擋鉛過厚使用起來不方便，而接近臨界值，特別是在大照射野情況下，1～2 mm微小的變化，都可能起不到對正常組織的保護作用。,,要最小的遮擋厚度，應對使用的電子束能

16、量、對特定的照射野和深度，作特殊的測量。,最低的擋鉛厚度(以mm為單位)應是電子束能量(以MeV為單位)數(shù)值的二分之一。同時從安全考慮，可將擋鉛厚度再增加1 mm。,擋鉛和組織的界面產(chǎn)生的反射，會使表面劑量增加30%-70%反向散射的因子：,2 內(nèi)遮擋,,３　擋鉛對劑量參數(shù)的影響,,第四節(jié) 電子束旋轉(zhuǎn)照射劑量學（理解）,電子束旋轉(zhuǎn)治療是一復雜的照射技術(shù)，它主要用來治療面積較大、體表面彎曲的淺表病變，如乳腺癌術(shù)后的胸壁及內(nèi)乳淋巴

17、引流區(qū)的照射。如采用前述的單野或多個相鄰野照射，會因電子束的多級散射、斜入射特別是當斜入射角大于30度時，劑量分布曲線發(fā)生畸變，并可能造成劑量熱點／冷點。采用電子束旋轉(zhuǎn)照射，可以很好地解決這些問題，可在有限深度治療區(qū)域內(nèi)得到均勻的劑量分布，又能避免敏感組織如肺受到過量照射。,一、電子束旋轉(zhuǎn)照射的實現(xiàn)方法,與X線旋轉(zhuǎn)照射的相同點：劑量的疊加與X線旋轉(zhuǎn)照射的不同點旋轉(zhuǎn)等中心不位于靶區(qū)內(nèi)，而在靶區(qū)的后方,,,電子束準直器是形成電子束

18、旋轉(zhuǎn)照射照射野的主要限束裝置。為實施旋轉(zhuǎn)，電子束準直器的端面距離患者體表應保持一定的自由空間，以避免與患者或治療床相碰，一般應為20 cm。對胸、腹部表淺病變的照射，其體表的曲率半徑約為15 cm，所以電子束準直器的端面距等中心的距離至少為35 cm。電子束準直器的幾何尺寸，沿機架旋轉(zhuǎn)軸方向，要大于靶區(qū)的長度，以使得半影區(qū)在靶區(qū)以外。,,射野寬，輸出劑量大，等中心在射野內(nèi)時間相對較短，則x射線污染較少，但體表限束器相對較大；射野窄

19、，輸出劑量小，增加照射時間，等中心處x射線污染會增加。因此，電子束旋轉(zhuǎn)時使用的射野寬度在等中心處一般取5～6 cm。,,,X射線治療準直器的幾何尺寸要大于電子束照射野的大小。第三級即體表限束器，主要是用來消除因電子束準直器遠離皮膚造成的靶區(qū)邊緣的半影增寬，同時要使得靶區(qū)邊緣劑量與靶區(qū)內(nèi)其他位置劑量相同，保護非治療部位的正常組織。,,,二、電子束旋轉(zhuǎn)照射的劑量學特點,1．劑量分布特點與能量選擇在旋轉(zhuǎn)過程中，電子束總是會聚于旋轉(zhuǎn)中心，靶

20、區(qū)深層組織在射野內(nèi)的時間要比皮膚和表層組織長。其結(jié)果，相同能量的電子束的穿透能力，旋轉(zhuǎn)照射時要比固定野照射時深，即百分深度劑量提高；最大劑量深度后的劑量梯度變得陡峭；同時皮膚劑量減少,,,由于較深的正常組織在線束中的時間較長，與固定野照射相比，電子束旋轉(zhuǎn)照射時X射線劑量相對增加，射線能量越高，X射線劑量增加越多,,2 影響百分深度劑量的因素,3．射野寬度W的選擇與調(diào)整,,,電子束旋轉(zhuǎn)照射的劑量隨曲率半徑而變化，而且這一規(guī)律只有在等中心

21、深度大于電子束旋轉(zhuǎn)照射野寬度時才近似成立。,三、電子束旋轉(zhuǎn)照射的劑量計算與校準,①固定野的劑量分布疊加法；②直接測量法。第一種方法對旋轉(zhuǎn)使用的照射野，在固定照射方式下，測出其等劑量分布和劑量率。,,,直接測量法需利用一特制的圓柱形固體模體，電離室置放于治療深度d處，在所使用的。旋轉(zhuǎn)條件下，進行實際的積分劑量的測量。具體做法是測量旋轉(zhuǎn)常數(shù)Rc。Rc定義為在治療深度處，每旋轉(zhuǎn)1度劑量計算點處得到1cGy吸收計量所需要的加速器劑量單位M

22、U，即旋轉(zhuǎn)常數(shù)的單位MU.cGy-1度。,,四、電子束旋轉(zhuǎn)照射計劃設(shè)計了解,①按要求，在治療區(qū)段脫出橫截面圖，層數(shù)越多越好，最好利用CT，但不能少于三層。②根據(jù)橫截面圖，確定每層的照射范圍，定出體表(三級)準直器的位置，并標出組織填充蠟塊的位置和厚度，以使每層靶區(qū)在照射范圍內(nèi)厚度近似相同。③找出每層的平均曲率半徑，并在中心層面定出旋轉(zhuǎn)中心的位置。④根據(jù)中心層面的曲率半徑、源軸距、要求的靶區(qū)劑量分布確定β角，進而確定中心層面的射野

23、寬度Wo。⑤按相鄰層面的曲率半徑r值，由式子5-7或5-9、5-10來修正相領(lǐng)層面的射野寬度。,,用組織填充物(bolus)作組織補償，可調(diào)節(jié)電子束的穿透深度，其形狀和厚度應根據(jù)胸壁厚度的變化而定。具體作法是根據(jù)治療部位的多層面CT圖像(掃描間隔約1 cm)，逐層測量需充填的厚度，制成患者整個照射范圍的填充物(customized bolus)。,,填充物的使用，可以提高皮膚劑量。如在整個治療表面覆蓋1．5 cm厚的填充物，可使6 M

24、eV電子束的表面劑量從70％左右提高到100％，而9 MeV電子束可達90％左右。最大劑量深度和電子束射程也會減小。如果臨床要求從表面直至一特定深度的劑量均勻，除采用填充物外，還可使用上述多能量技術(shù)；即在一個旋轉(zhuǎn)區(qū)段內(nèi)，同時用幾種能量的電子束實施旋轉(zhuǎn)照射。,,單一能量6～20 MeV電子束旋轉(zhuǎn)的百分深度劑量，建成區(qū)劑量較低。運用多能量技術(shù)，配合使用組織填充在保持治療深度不變的前提下，建成區(qū)劑量增加，最大劑量深度向表面一側(cè)移至1．5～2

25、 em處。再增加6 MeV電子束，同時覆蓋1．5 cm填充物旋轉(zhuǎn)照射，致使整個建成區(qū)劑量保持均勻分布。多能量技術(shù)的總劑量與相對單一能量技術(shù)的比約為1．25～1．43，其增加部分主要作用于建成區(qū)的劑量貢獻。,圖中例1的照射范圍包括雙側(cè)胸壁和淋巴結(jié)；例2的照射范圍包括右側(cè)胸壁和淋巴結(jié)。,,電子束旋轉(zhuǎn)照射計劃設(shè)計時，首先應根據(jù)CT圖像確定治療范圍、治療深度、設(shè)計體表限束器的形狀和范圍。然后依次確定電子束能量(包括多能量技術(shù))，填充物厚度，

26、選擇等中心位置，根據(jù)曲率半徑計算不同層面的次級電子束準直器寬度，應用旋轉(zhuǎn)常數(shù)Rc，根據(jù)靶劑量求出處方劑量，并在可能條件下計算劑量分布，最后實施治療。,第五節(jié) 電子束全身皮膚照射（了解）,電子束全身皮膚照射(total skin electron irradiation，TSEI)主要用來治療蕈樣霉菌病，皮下的T細胞淋巴瘤等全身范圍的淺表病變。在常規(guī)照射條件下，加速器產(chǎn)生的電子束，單一照射野不可能覆蓋患者全身。兩種方式：①延長治療距

27、離，利用電子束的擴散和散射特性，以獲得足夠大的照射野；②采用電子束旋轉(zhuǎn)照射技術(shù)或掃描照射技術(shù)，適當延長治療距離，以滿足患者橫軸方向劑量分布的需要，而長軸方向則利用機架的旋轉(zhuǎn)或患者的水平運動來實現(xiàn)。前一種方式實施起來，較為簡單，不需要增設(shè)特別的輔助裝置，應用也較為廣泛。,1．雙機架角多野技術(shù),美國斯坦福大學醫(yī)學院首先采用的。該技術(shù)的基本要點和劑量學參數(shù)為：①如圖5—57所示，治療距離為3～4 m。機架角沿水平方向上下轉(zhuǎn)動±20

28、。左右，以獲得在沿患者縱軸方向(垂直方向)足夠大的均勻照射野。②患者采用站立位(圖5—58)，每一機架角度分別接受2個前后野及4個斜野的照射，每野間隔60。。全身共12個照射野。4天為一個治療周期，每天采用3個照射野照射。③劑量學特點為，患者體表處電子束平均能量為2．3 MeV，合成照射野的幾何尺寸為60 cm×200 cm，均勻性±5％，x射線污染小于1％?；颊呷砀鱾€部位實際接受劑量的差別小于±1％

29、。,,,,實施時有些放療中心稍有改進。將每一機架角分為4個或8個照射野，照射野間隔為90度或40度，目的是減少照射時間或提高劑量的均勻性?；蛘咴诿恳粰C架角照射時，患者站立在一特制的旋轉(zhuǎn)盤上，呈均勻慢速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，照射與患者旋轉(zhuǎn)同步，可獲得更為均勻的劑量分布。,2．雙對稱旋轉(zhuǎn)技術(shù),①電子束能量為6 MeV，源皮距200 cm，照射野為9．5 cm×40 cm(等中心位置)?；颊卟捎盟窖雠P位，頭、腳兩端分別為兩個弧形野的旋轉(zhuǎn)中心

30、，旋轉(zhuǎn)角度為±48度。兩弧形野的交點在患者體中心點的上方，射野重合后的最大范圍為118 cm。②每一弧形野分成6個射野，即前后2個和4個斜野，間隔60度，一個治療周期仍為4天。③圖5—60和圖5—61分別給出了該技術(shù)在沿照射野長、短軸方向的劑量分布和在橫斷面的百分深度劑量分布(均為膠片法測量結(jié)果)。治療部位的電子束平均能量為4．4 MeV，皮膚劑量的變化范圍為85%～100％，X射線污染2％左右。45 cm ×

31、200 cm照射野內(nèi)，均勻性變化±2％～±5％。,,,,,另一種改進形式，機架垂直照射，患者水平平臥在一特制的馬達驅(qū)動平臺上。開始照射時，患者在照射野以外，然后以馬達驅(qū)動平臺，患者一側(cè)平穩(wěn)進入照射野，按所需累積劑量勻速、緩慢平動前進，形成掃描式照射。,二、劑量學參數(shù),①適宜的電子束能量；②足夠大的照射野；③照射野內(nèi)較為均勻的劑量分布；④足夠低的X射線污染；⑤較高的劑量率；⑥正確的劑量校準方法。,,TSEI技

32、術(shù)的適應癥，主要是淺表病變，治療深度一般為皮下1～2 cm，電子束能量應為3～7 MeV。由于延長源皮距以后，電子束能量在空氣中的衰減，適合作電子束全身皮膚照射的標稱電子束能量應為4～9 MeV。實施TSEI技術(shù)時，根據(jù)所選擇的電子束能量，在受照射患者前應安置一厚約3～10 mm的散射屏，以提高患者的表面劑量。,,,,X射線污染是制約TSEI技術(shù)應用的一個重要因素。減小X射線污染的有效方法是，盡力減少電子通過電子束限束系統(tǒng)時與其發(fā)生碰

33、撞與散射的機會另一方面，如圖5-65所示，水平電子束照射，X射線主要沿射束中心軸分布。當照射呈一特定角度時，X射線對患者的劑量會有所減少。,,,采用雙機架角多野照射，延長源皮距以后，電子束的輸出劑量率隨距離平方反比迅速下降，一般在治療位置的輸出劑量率只有每分鐘10～20 cGy。如此低的劑量率，會使治療時間增加，不利于患者體位的固定。一些加速器(如Varian C系列機器)具有電子束高劑量率治療模式，在標稱治療距離處，劑量率可達每分

34、鐘2000 MU。如果對不具備這類治療模式的加速器進行調(diào)整，需謹慎行事。特別要考慮加速器的劑量系統(tǒng)和聯(lián)鎖系統(tǒng)的改變，可能造成的對正常治療的影響。必要時，需附加劑量監(jiān)測系統(tǒng)，以確保劑量的準確。,,常規(guī)的TSEI技術(shù)，總治療時間會持續(xù)8～9周。為縮短治療時間，可改變標準治療模式為每天雙機架角同時治療，即第一天雙機架角分別治療前中野和2后斜野，共6個照射野，第二天為雙機架角2前斜野和1后中野。則1個周期12個野2天完成，可將總治療時間縮短為4

35、～4.5周。,,第六節(jié)　術(shù)中照射劑量學（了解）,術(shù)中照射的主要目的是減少正常組織的放射并發(fā)癥和提高腫瘤的局部控制率。因為術(shù)中照射是在精確直視下進行照射，進一步減少了體外縮野加量照射(boost irradiation)的照射范圍，通過手術(shù)固定或加適當遮擋和使用恰當?shù)碾娮幽芰炕蜻x擇使用布置放射源，可有效地保護病灶周圍的正常敏感組織(或器官)不受照射，因此有效地增加了靶區(qū)的劑量。,,第一類主要是使用6～20 MeV能量的高能電子束，充分利用

36、電子束的有限射程保護靶區(qū)后方組織的物理特點。第二類主要是使用放射性核素進行術(shù)中組織間插植。,,論使用何種治療機，電子束術(shù)中照射都必須配備一套專用限光筒，限光筒通過適配器聯(lián)結(jié)于加速器治療頭上，限制一個大小均勻的治療用射野，將線束準確地照射到靶體積上，有效地保護腫瘤以外的正常組織和敏感器官。典型的電子束術(shù)中照射限光筒主要由適配器、主限束器和治療限光筒三部分組成。,,homework,1電子束展寬的方式，簡單敘述。2掌握電子束百分深度劑