医用发泡胶对粒子剂量影响的模拟研究

肖 杨 张庆贤

1（成都理工大学 成都610000）

2（重庆医科大学附属第二医院 重庆400010）

目前发泡胶在放疗体位固定中运用越来越广，黎文玲［1］、黄清秀［2］等报道了发泡胶相对于普通树脂头枕的摆位精度更高，原因为发泡胶采用主动塑性的方式形成个性化的固定装置，但是正是由于该特点，部分特殊体位患者，如脊柱弯曲、受肿瘤压迫不能平躺等使用的发泡胶相对较厚。由于发现在使用发泡胶进行治疗的患者其皮肤反应较其他使用普通树脂头枕患者更重，且无法预估发泡胶厚度对患者实际接受剂量的影响，覃仕瑞［3］等通过治疗计划系统（Treatment Planning System，TPS）比较了发泡胶对于鼻咽癌剂量的影响，结果表明：使用发泡胶对靶区剂量和正常组织均有不同程度的降低，但在允许误差范围之内。通过对本科室15 例发泡胶厚度实际测量，显示最厚在颈部C3-C4位置约8 cm，最薄在T6 位置约3 cm，平均厚度5 cm，1 例脊柱弯曲肺部肿瘤患者最厚达15 cm。所以关于发泡胶厚度对粒子剂量影响的探究显得尤为重要，而实际测量受制作均匀性、厚度准确性与测量设备的限制，所以通过蒙特卡罗方法来进行分析计算，金浩宇［4］、Mohan［5］等已经验证蒙特卡罗方法在模拟计算加速器产生的粒子剂量方面的可行性与优势，而且可从多方面、多角度等原始数据反映粒子剂量的变化。

首先对发泡胶的物理性质进行描述和建模，发现其是一种具有发泡特性和粘结特性的胶，其材质主要是聚氨酯预聚体（Polyurethane Foam Sealing Agent，PU FOAM），其化学分子式为（C10H8N2O2C6H14O3）x，密度为0.9 g·cm-3，实际使用时通过A料（异氰酸酯）与B料（复合聚醚类多元醇）混合，然后与空气反应，迅速发泡冷却定型，时间约为10 min，在发泡过后由于受发泡均匀性的影响，通过实际测量20组定型后的发泡胶，显示其在密度范围为0.09～0.11 g·cm-3，所以本次模拟取均值0.1 g·cm-3。目前发泡胶都用于头、颈和胸部的固定，而大脑、肺部和肝部肿瘤又都采用立体定向放射治疗，所以研究不同厚发泡胶对加速器不同模式剂量影响对临床使用有一定参考作用。

1 材料与方法

1.1 模型建立

使用加拿大国家研究院（National Research Council of Canada，NRCC）开发的EGSnrc 系列程序［6］进行模拟计算，首先建立发泡胶的材料数据库，利用EGSgui 通过PEGS Date 生成相应材料的反应截面以及系统能够识别的材料数据；然后利用BEAMnrc［7］建立加速器模型（图1），本次加速器模型采用Varian 公司（美国）提供的True Beam系列参数进行建模，机头主要由靶材料、初级准直器、均整器、监测电离室［8-9］、反射镜、次级准直器、多页光栅［10］和十字膜组成，同时首次将发泡胶模型纳入到加速器结构底端，保证相空间结构为100 cm，利用生成的相空间文件和BEAMdp 进行能谱（Spectral Distribution，SD）和 能 量 注 量（Energy Fluence Distribution，EFD）计算，再利用Dosexyznrc［11］进行体素能量沉淀计算，最后利用statdose 进行数据提取。

1.2 参数设置

选择在源皮距SSD=100 cm 处生成加速器相空间文件，射野大小10 cm×10 cm，BEAMnrc模拟粒子数109个，采用进行高斯分布半峰全宽FWHM=0.075 cm的6 MeV［12-13］电子源，利用辐射光子分裂技术（Bremstrahlung Photon Splitting，BPS）提高剂量产生效率，全局范围的电子截止能量（ECUT）=0.7 MeV，全局范围的光子截止能量（PCUT）=0.01 MeV，边界穿越算 法（Boundary Crossing Algorithm，BCA）采 用PRESTA-I以提高高能粒子的利用效率，利用直接韧致辐射（Directional Bremsstrahlung Splitting，DBS）技术减小误差［5］，以生成的相空间文件作为入射源，其余采用默认设置。Dosexyznrc 设置水箱尺寸为20 cm×20 cm×40 cm，体素大小为0.1 cm×0.1 cm×0.2 cm，水箱位置与发泡胶相接，模拟粒子数109个。引入深度剂量衰减百分（Dose Reduction Percentage，DRP）［14］。

图1 模型结构（坐标单位：cm）Fig.1 Model structure(Coordinate unit:cm)

表示同一深度的PDD差值，差值绝对值越大表示该厚度对剂量影响越大。

2 结果

2.1 不同厚度发泡胶对机头结构能谱和能量注量的影响

首先比较了两种模式在10 cm×10 cm射野下对SD和EFD的影响，图2、3显示两种模式下有发泡胶对于SD 不同能量区域所占份额都有不同程度的减小，高份额对应能量区域并无明显前移或者后移现象，但是可看出FF模式在0.5～2 MeV区域受厚度影响较FFF 明显，而该区域正是射线能量份额最高和平均能量的区域。同时由两种模式EFD 结果可以看出，都有增加低能射线能量注量的现象，射野范围内的粒子注量随发泡胶厚度的增加呈逐渐降低的趋势，且FF模式较FFF更加明显。

图2 不同厚度发泡胶对X射线能谱的影响Fig.2 Effect of different thickness of styrofoam on X-ray spectral distribution

2.2 不同厚度发泡胶对射野剂量的影响

由两种模式在10 cm×10 cm 固定射野下水中PDD 曲线（图4、5，左）可以看出，随着厚度增加，PDD曲线都有向前移动的趋势，PDD0明显增大，表1显示最大高达96%，Dmax显著降低，D20/D10变化不大，说明对射线质影响不大，但在实际治疗过程当中会增加发泡胶处的皮肤剂量。FF模式下，当发泡胶厚度≤5 cm 时，最大DRP 为1%（一般分析建成区域后方），低于允许剂量误差2%，对应深度为水下5 cm；当发泡胶厚度为10 cm 时，最大DRP 为6%，对应深度为4.8 cm，不同厚度DRP 差值较大处位于2～10 cm。选择在水下DRP 较大处进行Profile 分析，由水下5 cm、10 cm 处Profile（图4、5，右）结果可以看出，发泡胶对于射野的平坦度和半影都影响较大，随射野深度的增加影响逐渐减小。FFF模式下在发泡胶≤5 cm 的情况下对PDD 的影响普遍较FF 模式大，最大DRP 为2%，对应深度为3 cm，但是当发泡胶厚度为10 cm 时，最大DRP 为4%，对应深度为2.7 cm，不同厚度DRP 差值较大处位于水下1.5～7 cm。由水下3 cm、5 cm 处Profile 结果可以看出，发泡胶对于射野的平坦度和半影都影响较大，随射野深度的增加影响逐渐减小。

图3 不同厚度发泡胶对X射线能量注量的影响Fig.3 Effect of different thickness of styrofoam on X-ray energy fluence distribution

表1 不同厚度发泡胶对射野剂量的影响Table 1 Effects of styrofoam with different thicknesses on dose

2.3 不同射野下发泡胶对剂量的影响

由表2 及图6～图11 可以看出，随着射野的减小，对PDD 和Profile 的影响也在降低，影响较大主要体现在PDD0和Dmax。DRP 偏差均在允许误差范围之内，射野为5 cm×5 cm 时最大DRP 为1%，对应深度均为3 cm，射野为3 cm×3 cm 和1 cm×1 cm 时最大DRP分别为0.8%和0.5%，对应深度均为2 cm。DRP差异集中在水下1～5 cm，在水下13 cm后，PDD趋于一致。射野为5 cm×5 cm时选择在水下3 cm处进行Profile 比较，结果显示射野平坦度和对称性并无明显差异，半影稍有增大；射野为3 cm×3 cm 和1 cm×1 cm 时选择在水下2 cm 处进行Profile 比较，结果显示射野平坦度、对称性和半影并无明显差异。

表2 厚度为5 cm的发泡胶在不同射野下对剂量的影响Table 2 Effect of 5 cm thick styrofoam on dose under different shooting fields

图4 FF模式下不同厚度发泡胶对射野剂量的影响Fig.4 The effect of different thickness of styrofoam on the field dose in FF mode

图5 FFF模式下不同厚度发泡胶对射野剂量的影响Fig.5 The effect of different thickness of styrofoam on the field dose in FFF mode

图6 FF模式下射野为5 cm×5 cm时5 cm发泡胶对剂量的影响Fig.6 The effect of 5 cm styrofoam on the dose when the shooting field is 5 cm×5 cm in FF mode

图7 FFF模式下射野为5 cm×5 cm时5 cm发泡胶对剂量的影响Fig.7 The effect of 5 cm styrofoam on the dose when the shooting field is 5 cm×5 cm in FFF mode

2.4 结果分析

综上所述，发泡胶对射线质影响不大，使用发泡胶时会使PDD曲线向前移动，主要体现在增加表面剂量，降低同一深度接收剂量。图12显示了两种不同模式下随厚度增加PDD0的差值与DRP值的变化趋势。总的可以看出，FF 模式较FFF 模式更大，尤其体现在较厚发泡胶。主要原因考虑为FF 模式下使用均整器过滤掉了SD的低能部分，提高了射线的平均能量，增加了康普顿散射与电子对效应所占概率，从而增加了散射线与次级电子带来的能量沉淀。但该分析仅限于6 MeV电子直线加速器产生的X射线，对于高能X射线或带电粒子有待进一步探究。

图8 FF模式下射野为3 cm×3 cm时5 cm发泡胶对剂量的影响Fig.8 The effect of 5 cm styrofoam on the dose when the shooting field is 3 cm×3 cm in FF mode

图9 FFF模式下射野为3 cm×3 cm时5 cm发泡胶对剂量的影响Fig.9 The effect of 5 cm styrofoam on the dose when the shooting field is 3 cm×3 cm in FFF mode

图10 FF模式下射野为1 cm×1 cm时5 cm发泡胶对剂量的影响Fig.10 The effect of 5 cm styrofoam on the dose when the shooting field is 1 cm×1 cm in FF mode

3 讨论

目前国内外有不少报道比较了发泡胶与其他固定装置的摆位精度，结果表明：发泡胶在体位固定方面具有一定优势，为精准放射治疗起了一定的推动作用，但是却鲜有关于其对基础剂量影响的报道。不同类型的材料对于患者接受剂量的影响主要体现在材料的密度和材料的元素构成［18］，但是后者往往被忽略，潜意识认为低密度材料对射线能量沉淀影响不大。尽管本次分析选取的材料厚度和射野大小不具有普遍的代表性，但是也能看出其厚度变化对剂量的影响趋势。可以看出随发泡胶使用厚度的增加而不同程度地降低靶区剂量，并提高皮肤剂量，同时对靶区剂量的适形度和均匀性有一定影响。所以建议在靶区较大时，发泡胶厚度控制在5 cm 以内，如果因患者体位需求发泡胶较厚时，应尽量选择FFF模式。均整器的使用在于提高较大射野的平坦度，从而提高靶区剂量分布的均匀性，但是在小野剂量方面，平坦度的意义不大，为立体定向放射治疗量身定做的FFF 模式主要优点在于大大提高了剂量率，以满足单次或多次大剂量的照射，减少治疗周期，这也将是未来放射治疗发展的趋势。而立体定向放射治疗由于单次接受剂量较大，所以对于患者体位固定精度要求较高，所以在针对于小野的立体定向放射治疗时采用发泡胶固定是较好的选择。

图11 FFF模式下射野为1 cm×1 cm时5 cm发泡胶对剂量的影响Fig.11 The effect of 5 cm styrofoam on the dose when the shooting field is 1 cm×1 cm in FFF mode

在计划设计时，如果TPS 能够识别发泡胶电子密度则可以考虑增加相应射野权重进行优化修正，如果TPS不能够识别就应该计算不同厚度发泡胶对射线影响系数，并生成相应模板导入TPS 进行计算［19-20］。由于目前越来越多的材料运用到放射治疗体位固定，其对射线的影响无法直接计算，也并非所有医院都有三维水箱能够实际测量。主要目的在于利用蒙特卡罗方法比较发泡胶对剂量的影响，同时也在于向一些条件不允许的医院分享如何利用开源的软件进行加速器建模和探索不同材料对于射线剂量的影响。

图12 加速器两种不同模式下随发泡胶厚度增加对粒子剂量的影响趋势Fig.12 The influence trend of the particle dosage with the increase of foam thickness under two different accelerator modes