劑量學(xué)系統(tǒng)在碘-125放射性粒子植入的應(yīng)用.doc

劑量學(xué)系統(tǒng)在碘-125放射性粒子植入的應(yīng)用徐建彬 范會(huì)革1 王娟 隋愛霞 賈漪濤（河北省人民醫(yī)院腫瘤科 石家莊 050051）通訊作者：范會(huì)革（ E-mail: xu_）隨著近距離照射技術(shù)的發(fā)展，曾相繼建立和發(fā)展了被廣泛采用的一些劑量學(xué)系統(tǒng)如曼切斯特系統(tǒng)、巴黎系統(tǒng)等。但目前推薦用于組織間插植的劑量學(xué)系統(tǒng)，是蒙特卡羅技術(shù)的劑量系統(tǒng)。劑量學(xué)系統(tǒng)，是指欲在治療體積內(nèi)獲得適宜的劑量分布，要求必須遵循的一系列放射源分布的規(guī)則，如使用放射源的類型、強(qiáng)度、應(yīng)用的方法和幾何設(shè)置；同時(shí)“系統(tǒng)”也明確了劑量表示和計(jì)算的方法。我們就劑量學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用問題陳述幾點(diǎn)意見。1.靶區(qū)確立及意義1.1 腫瘤區(qū)：指腫瘤的臨床灶，為一般的診斷手段（包括CT和MRI）能夠診斷出的可見的具有一定形狀和大小的惡性病變的范圍。1.2 臨床靶區(qū)：指按一定的劑量模式給予一定劑量的腫瘤的臨床灶（腫瘤區(qū)）、亞臨床灶以及腫瘤可能侵犯的范圍。1.3 治療區(qū)：對(duì)一定的照射技術(shù)及射野安排，某一條等劑量線面所包括的范圍。組織間照射對(duì)體積的描述，與外照射的定義類似，也是基于一般腫瘤學(xué)原則。主要需要明確腫瘤區(qū)、臨床靶區(qū)和治療區(qū)。2.照射劑量的區(qū)域及作用2.1 最小靶劑量（MTD）：是臨床靶區(qū)內(nèi)所接受的最小劑量。一般位于臨床靶區(qū)的周邊范圍。2.2 平均中心劑量(MCD)：是中心平面內(nèi)相鄰放射源之間最小劑量的算術(shù)平均值。2.3高劑量區(qū)：指150%平均中心劑量所包括的最大體積。為了討論晚期反應(yīng)與劑量的相關(guān)性，在近距離照射計(jì)劃設(shè)計(jì)中，應(yīng)該確切了解高劑量區(qū)的范圍。2.4 低劑量區(qū)：是在臨床靶區(qū)內(nèi)，由90%處方劑量所包括的最大體積。在組織間照射中，使用不同的劑量學(xué)系統(tǒng)，定義處方劑量的方法是有區(qū)別的。劑量分布不均勻是組織間照射的基本特點(diǎn)之一。即劑量梯度大，每一放射源周圍存在有高劑量區(qū)，但也有劑量梯度近似平緩的區(qū)域，即坪劑量區(qū)，一般與相鄰放射源的距離相等。由于組織間照射劑量學(xué)的特點(diǎn)，對(duì)其描述需確定相關(guān)參數(shù)。2.5 劑量體積直方圖（DVH）：在三維治療計(jì)劃系統(tǒng)中，劑量計(jì)算都是在三維網(wǎng)格矩陣中進(jìn)行的，因此就能夠計(jì)算和表示出在某一感興趣的區(qū)域如靶區(qū)、重要器官的體積內(nèi)有多少體積受到多高劑量水平的照射。這種表示方法稱為劑量體積直方圖（DH）。DH用于治療計(jì)劃的劑量分布的分析是治療計(jì)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一項(xiàng)極其重要的發(fā)展。2.6 D90：指90%的靶體積所受到的照射劑量。在立體插植治療中D90表示處方劑量的水平。2.7 V90： 指90%的處方劑量所覆蓋的靶體積的百分比。在立體插植治療中優(yōu)化的設(shè)計(jì)V90可95。3.組織間照射劑量學(xué)系統(tǒng)的臨床應(yīng)用3.1 曼徹斯特系統(tǒng)是30年代以鐳-226直線源設(shè)計(jì)的平面插植劑量計(jì)算系統(tǒng)。典型的單平面插植，放射源必須相互平行且源之間的距離不能大于1cm。距輻射平面0.5cm為參考劑量平面。當(dāng)治療厚度大于2.5cm時(shí)需用雙平面插植，雙平面插植時(shí)，平面之間應(yīng)相互平行。因其劑量計(jì)算方法是按鐳源設(shè)計(jì)，現(xiàn)已很少使。 3.2 巴黎系統(tǒng)組織間照射的巴黎劑量學(xué)系統(tǒng)始于上世紀(jì)60年代，是依據(jù)銥192線狀放射源的物理特性所建立的。其基本插植規(guī)則是：1）所有放射源的線比釋動(dòng)能率相等；2）放射源是相互平行的直線源，插植時(shí)其強(qiáng)度、長(zhǎng)度及各放射源之間的距離相等，且各源的中心在同一平面，即中心平面。其劑量計(jì)算方法是，以中心平面各放射源之間的中點(diǎn)劑量率之和的平均值。通過控制和改變放射源在各植入點(diǎn)的駐留時(shí)間來實(shí)現(xiàn)劑量的優(yōu)化計(jì)算。3.3 蒙特卡羅技術(shù)是用隨機(jī)抽樣技術(shù)去模擬三個(gè)過程：1）原射線的能普及離軸分布；2）原射線及散射線光子在介質(zhì)中的運(yùn)輸過程；3）模擬由光子與物質(zhì)相互作用后產(chǎn)生的次級(jí)電子的運(yùn)輸和能量沉積過程。蒙特卡羅程序不僅能夠模擬均勻介質(zhì)中上述三個(gè)過程，而且能夠精確模擬不均勻介質(zhì)中，光子和經(jīng)一級(jí)和二級(jí)碰撞產(chǎn)生的次級(jí)電子的徑跡，和計(jì)算它們的能量沉積。隨著高速計(jì)算機(jī)的發(fā)展，利用蒙特卡羅技術(shù)開發(fā)的治療計(jì)劃系統(tǒng)軟件，不僅能準(zhǔn)確提供“體積劑量直方圖”（DVH）的詳細(xì)報(bào)告（包括治療靶體積和敏感體積），并且能觀察到任意平面及任意點(diǎn)的劑量，更能精確評(píng)估治療計(jì)劃的優(yōu)劣。4、近距離放射治療用放射源的物理特性4.1 200keV-2MeV能量段，鐳-226（0.83MeV）、銫-137（0.662MeV）、銥-192（0.36MeV）、金-198（0.412MeV）等。此能量段的所有同位素均為鐳的替代同位素，其物理特征是劑量率常數(shù)不變，不受射線能量和組織結(jié)構(gòu)的影響。但半價(jià)層值隨能量降低顯著減小。鐳療所建立的劑量學(xué)系統(tǒng)可移植到此能量段的所有同位素。4.2 60keV-200keV能量段，镅-241（60keV）、鐿-169（93keV）等,與生物組織的相互作用基本上服從康普頓彈性散射規(guī)律，而散射光子的建成基本補(bǔ)償了原射線在組織中的衰減，劑量率常數(shù)開始隨能量和組織結(jié)構(gòu)變化。4.3 當(dāng)能量低于40keV時(shí)，光電效應(yīng)占主要地位，劑量率常數(shù)隨射線能量和組織結(jié)構(gòu)的變化更大，組織結(jié)構(gòu)顯著的影響了劑量分布。射線的生物效應(yīng)對(duì)能量的依賴性提示我們，鐳療及其鐳的替代核素臨床上積累的經(jīng)驗(yàn)及組織劑量效應(yīng)數(shù)據(jù)，不能直接用于這些低能的同位素治療，同時(shí)相應(yīng)的治療計(jì)劃系統(tǒng)應(yīng)使用相應(yīng)的劑量計(jì)算模型。4.4 碘-125放射源，碘-125通常做成粒狀源，目前使用較多的為，直徑0.8mm,長(zhǎng)度4.5mm。能量27keV-35keV，半衰期為59.6天。目前主要用于低劑量率的永久性插植治療。 碘-125在不同組織中形成的劑量分布的蒙特卡羅一維計(jì)算得出，并經(jīng)熱釋光劑量計(jì)劑量測(cè)量的證實(shí)：碘-125插植在水與脂肪組織界面處的劑量約減低25%-40%；在水與骨組織界面中約增加4-5倍。顯然，組織的不均勻性將顯著影響碘-125插植時(shí)的劑量分布，表明常規(guī)治療計(jì)劃系統(tǒng)假設(shè)組織為均一水樣的計(jì)算結(jié)果的不可靠性。碘-125源的劑量分布明顯的依賴于被插植組織的結(jié)構(gòu)。如果充分利用現(xiàn)代影像設(shè)備，了解插植部位的組織結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)；再有較好的劑量計(jì)算模型，以表達(dá)組織邊界的劑量分布的特征；通過粒源分布和粒源單顆活度的調(diào)整，臨床可最大限度地得到治療增益。5、劑量模式經(jīng)典的近距離插植照射大多是暫時(shí)性插植，且布源規(guī)則不變。劑量率是決定照射方式的主要根據(jù)（分次、脈沖、連續(xù)），劑量率越高分次間隔時(shí)間越長(zhǎng)，低劑量率則可進(jìn)行連續(xù)照射。不同劑量率的照射時(shí)間和間隔時(shí)間的改變，放射源分布形態(tài)不變，通過調(diào)整放射源在某一點(diǎn)的停留時(shí)間，優(yōu)化劑量分布，目的在于提高治療增益，所以也稱時(shí)間劑量模式。碘-125粒子源是永久性插植是連續(xù)照射。治療時(shí)間是不變的常數(shù)。如何得到更好的治療增益，只有改變粒子源的空間分布和單源活度。當(dāng)空間分布和源的活度任意改變時(shí)，經(jīng)典的劑量模式及劑量計(jì)算模型并不適合。蒙特卡羅技術(shù)用三維數(shù)學(xué)計(jì)算模型建立的體積劑量模式，可根據(jù)劑量需要調(diào)整粒子分布及數(shù)量，粒子分布始終圍繞劑量需求，并能根據(jù)腫瘤形態(tài)達(dá)到最大劑量適形度及最大劑量坦度，是目前最適合碘-125、鈀-103等永久插植粒子源劑量計(jì)算的系統(tǒng)。6. 小結(jié)近距離放射治療是將封裝好的放射源，通過施源器或輸源導(dǎo)管及植入針將放射源直接植入患者的腫瘤部位進(jìn)行照射。其基本特征是放射源貼近腫瘤組織，腫瘤組織可以得到有效的殺傷劑量，而鄰近的正常組織受量較低。近距離照射的劑量學(xué)最基本最重要的特點(diǎn)-平方反比定律，即放射源周圍的劑量分布，是按照與放射源之間距離的平方而下降。按照平方反比定律估算，1-2cm（125I使用mm）劑量差別為4倍。欲使病變邊緣劑量達(dá)到腫瘤致死劑量水平，近源處的劑量會(huì)高到臨床不可能接受的程度。因此對(duì)于不同體積的病變，只能按照特定的劑量學(xué)規(guī)則，選用不同的布源方式，以達(dá)到在不加重正常組織損傷的前提下，給予腫瘤組織較高劑量的照射。綜上可以看出，永久插植治療是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)，并受到諸多因素的影響，特別是能量低于40keV的同位素，劑量計(jì)算更為復(fù)雜。傳統(tǒng)的劑量學(xué)系統(tǒng)基本是按照特定放射源的物理特性及布源規(guī)則而設(shè)計(jì)，所以很難廣泛應(yīng)用于各種放射源的劑量計(jì)算。蒙特卡羅技術(shù)能模擬不同射線在不同介質(zhì)中的能量沉積，通過隨機(jī)抽樣精確計(jì)算某點(diǎn)或某一體積單位的劑量表達(dá)。目前是較為理想的劑量計(jì)算模型，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。7、展望在永久插植治療中，目前應(yīng)用最多的同位素是鈀-103、碘-125粒子源。以蒙特卡羅技術(shù)為劑量模型應(yīng)用現(xiàn)代高速計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的三維治療計(jì)劃系統(tǒng)，確保了靶體積劑量計(jì)算的相對(duì)精確及合理性。最大程度地滿足了臨床治療增益的需求，設(shè)計(jì)出高度適形的治療計(jì)劃。但是，在實(shí)施過程中，為得到更高的適形度，粒子源分布的自由度也很大，基本上是按照劑量需求分布粒子源。粒子源能否準(zhǔn)確植入計(jì)劃設(shè)計(jì)位置點(diǎn)，是治療質(zhì)量控制的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)外永久插植治療技術(shù)應(yīng)用較成熟的只有前列腺插植，它利用直腸腔內(nèi)超聲步進(jìn)裝置，采集前列腺的序列斷層圖像，進(jìn)行三維重建設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)治療計(jì)劃，利用模板引導(dǎo)固定植入位置點(diǎn)，放射源植入位置和治療計(jì)劃設(shè)計(jì)位置相吻合，使治療計(jì)劃的實(shí)施到了嚴(yán)格的控制。但是，前列腺以外的腫瘤的永久插植治療，因植入位置點(diǎn)缺乏嚴(yán)格的控制，致使治療計(jì)劃的執(zhí)行出現(xiàn)較大的誤差。目前前列腺外的腫瘤插植，只能控制靶體積的總劑量（根據(jù)治療計(jì)劃某一體積達(dá)到一定劑量所需某一活度放射粒子源的數(shù)量），無法控制放射源的優(yōu)化分布，由于植入技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的不同可能造成相當(dāng)大的劑量誤差。在永久性放射粒子植入治療中，等劑量線的適形度是治療成功與否的關(guān)鍵；劑量分布的相對(duì)坦度是規(guī)避正常組織及周圍重要器官免受損傷的主要因素；所以，粒子源的分布是劑量合理分布的關(guān)健，粒子源植入位置的準(zhǔn)確性決定治療計(jì)劃實(shí)施的可靠性。以蒙特卡羅技術(shù)建立劑量模型，設(shè)計(jì)的治療計(jì)劃，在三維空間粒子的分布可以達(dá)到最優(yōu)化狀態(tài)，并準(zhǔn)確描述了V200-V60、D100-D50的劑量分布。但是，目前只有前列腺粒子插植的粒子位置準(zhǔn)確性可以得到控制，治療計(jì)劃能準(zhǔn)確如實(shí)執(zhí)行。前列腺以外的其它部位腫瘤的粒子植入，雖可準(zhǔn)確計(jì)算體積劑量、粒子形態(tài)分布及所需數(shù)量，但粒子源位置的準(zhǔn)確性缺乏有效的控制方法，主要靠經(jīng)驗(yàn)控制分布，治療計(jì)劃的執(zhí)行存在較大誤差。可見只有好的模型和精確的計(jì)算及可行的治療計(jì)劃設(shè)計(jì)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，治療計(jì)劃的忠實(shí)準(zhǔn)確執(zhí)行是不可缺少的環(huán)節(jié)。如果沒有治療計(jì)劃設(shè)計(jì)的植入是完全盲目的，是無法預(yù)見治療結(jié)果的。劑量的準(zhǔn)確性始終是決定治療成敗的關(guān)鍵，蒙特卡羅系統(tǒng)解決了計(jì)算難題，但離子源位置的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步研究和完善。參考文獻(xiàn)1. 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