剂量学系统在碘-125放射性粒子植入的应用.doc

剂量学系统在碘-125放射性粒子植入的应用徐建彬 范会革1 王娟 隋爱霞 贾漪涛（河北省人民医院肿瘤科 石家庄 050051）通讯作者：范会革（ E-mail: xu_）随着近距离照射技术的发展，曾相继建立和发展了被广泛采用的一些剂量学系统如曼切斯特系统、巴黎系统等。但目前推荐用于组织间插植的剂量学系统，是蒙特卡罗技术的剂量系统。剂量学系统，是指欲在治疗体积内获得适宜的剂量分布，要求必须遵循的一系列放射源分布的规则，如使用放射源的类型、强度、应用的方法和几何设置；同时“系统”也明确了剂量表示和计算的方法。我们就剂量学系统应用问题陈述几点意见。1.靶区确立及意义1.1 肿瘤区：指肿瘤的临床灶，为一般的诊断手段（包括CT和MRI）能够诊断出的可见的具有一定形状和大小的恶性病变的范围。1.2 临床靶区：指按一定的剂量模式给予一定剂量的肿瘤的临床灶（肿瘤区）、亚临床灶以及肿瘤可能侵犯的范围。1.3 治疗区：对一定的照射技术及射野安排，某一条等剂量线面所包括的范围。组织间照射对体积的描述，与外照射的定义类似，也是基于一般肿瘤学原则。主要需要明确肿瘤区、临床靶区和治疗区。2.照射剂量的区域及作用2.1 最小靶剂量（MTD）：是临床靶区内所接受的最小剂量。一般位于临床靶区的周边范围。2.2 平均中心剂量(MCD)：是中心平面内相邻放射源之间最小剂量的算术平均值。2.3高剂量区：指150%平均中心剂量所包括的最大体积。为了讨论晚期反应与剂量的相关性，在近距离照射计划设计中，应该确切了解高剂量区的范围。2.4 低剂量区：是在临床靶区内，由90%处方剂量所包括的最大体积。在组织间照射中，使用不同的剂量学系统，定义处方剂量的方法是有区别的。剂量分布不均匀是组织间照射的基本特点之一。即剂量梯度大，每一放射源周围存在有高剂量区，但也有剂量梯度近似平缓的区域，即坪剂量区，一般与相邻放射源的距离相等。由于组织间照射剂量学的特点，对其描述需确定相关参数。2.5 剂量体积直方图（DVH）：在三维治疗计划系统中，剂量计算都是在三维网格矩阵中进行的，因此就能够计算和表示出在某一感兴趣的区域如靶区、重要器官的体积内有多少体积受到多高剂量水平的照射。这种表示方法称为剂量体积直方图（DH）。DH用于治疗计划的剂量分布的分析是治疗计划设计系统的一项极其重要的发展。2.6 D90：指90%的靶体积所受到的照射剂量。在立体插植治疗中D90表示处方剂量的水平。2.7 V90： 指90%的处方剂量所覆盖的靶体积的百分比。在立体插植治疗中优化的设计V90可95。3.组织间照射剂量学系统的临床应用3.1 曼彻斯特系统是30年代以镭-226直线源设计的平面插植剂量计算系统。典型的单平面插植，放射源必须相互平行且源之间的距离不能大于1cm。距辐射平面0.5cm为参考剂量平面。当治疗厚度大于2.5cm时需用双平面插植，双平面插植时，平面之间应相互平行。因其剂量计算方法是按镭源设计，现已很少使。 3.2 巴黎系统组织间照射的巴黎剂量学系统始于上世纪60年代，是依据铱192线状放射源的物理特性所建立的。其基本插植规则是：1）所有放射源的线比释动能率相等；2）放射源是相互平行的直线源，插植时其强度、长度及各放射源之间的距离相等，且各源的中心在同一平面，即中心平面。其剂量计算方法是，以中心平面各放射源之间的中点剂量率之和的平均值。通过控制和改变放射源在各植入点的驻留时间来实现剂量的优化计算。3.3 蒙特卡罗技术是用随机抽样技术去模拟三个过程：1）原射线的能普及离轴分布；2）原射线及散射线光子在介质中的运输过程；3）模拟由光子与物质相互作用后产生的次级电子的运输和能量沉积过程。蒙特卡罗程序不仅能够模拟均匀介质中上述三个过程，而且能够精确模拟不均匀介质中，光子和经一级和二级碰撞产生的次级电子的径迹，和计算它们的能量沉积。随着高速计算机的发展，利用蒙特卡罗技术开发的治疗计划系统软件，不仅能准确提供“体积剂量直方图”（DVH）的详细报告（包括治疗靶体积和敏感体积），并且能观察到任意平面及任意点的剂量，更能精确评估治疗计划的优劣。4、近距离放射治疗用放射源的物理特性4.1 200keV-2MeV能量段，镭-226（0.83MeV）、铯-137（0.662MeV）、铱-192（0.36MeV）、金-198（0.412MeV）等。此能量段的所有同位素均为镭的替代同位素，其物理特征是剂量率常数不变，不受射线能量和组织结构的影响。但半价层值随能量降低显著减小。镭疗所建立的剂量学系统可移植到此能量段的所有同位素。4.2 60keV-200keV能量段，镅-241（60keV）、镱-169（93keV）等,与生物组织的相互作用基本上服从康普顿弹性散射规律，而散射光子的建成基本补偿了原射线在组织中的衰减，剂量率常数开始随能量和组织结构变化。4.3 当能量低于40keV时，光电效应占主要地位，剂量率常数随射线能量和组织结构的变化更大，组织结构显著的影响了剂量分布。射线的生物效应对能量的依赖性提示我们，镭疗及其镭的替代核素临床上积累的经验及组织剂量效应数据，不能直接用于这些低能的同位素治疗，同时相应的治疗计划系统应使用相应的剂量计算模型。4.4 碘-125放射源，碘-125通常做成粒状源，目前使用较多的为，直径0.8mm,长度4.5mm。能量27keV-35keV，半衰期为59.6天。目前主要用于低剂量率的永久性插植治疗。 碘-125在不同组织中形成的剂量分布的蒙特卡罗一维计算得出，并经热释光剂量计剂量测量的证实：碘-125插植在水与脂肪组织界面处的剂量约减低25%-40%；在水与骨组织界面中约增加4-5倍。显然，组织的不均匀性将显著影响碘-125插植时的剂量分布，表明常规治疗计划系统假设组织为均一水样的计算结果的不可靠性。碘-125源的剂量分布明显的依赖于被插植组织的结构。如果充分利用现代影像设备，了解插植部位的组织结构的细节；再有较好的剂量计算模型，以表达组织边界的剂量分布的特征；通过粒源分布和粒源单颗活度的调整，临床可最大限度地得到治疗增益。5、剂量模式经典的近距离插植照射大多是暂时性插植，且布源规则不变。剂量率是决定照射方式的主要根据（分次、脉冲、连续），剂量率越高分次间隔时间越长，低剂量率则可进行连续照射。不同剂量率的照射时间和间隔时间的改变，放射源分布形态不变，通过调整放射源在某一点的停留时间，优化剂量分布，目的在于提高治疗增益，所以也称时间剂量模式。碘-125粒子源是永久性插植是连续照射。治疗时间是不变的常数。如何得到更好的治疗增益，只有改变粒子源的空间分布和单源活度。当空间分布和源的活度任意改变时，经典的剂量模式及剂量计算模型并不适合。蒙特卡罗技术用三维数学计算模型建立的体积剂量模式，可根据剂量需要调整粒子分布及数量，粒子分布始终围绕剂量需求，并能根据肿瘤形态达到最大剂量适形度及最大剂量坦度，是目前最适合碘-125、钯-103等永久插植粒子源剂量计算的系统。6. 小结近距离放射治疗是将封装好的放射源，通过施源器或输源导管及植入针将放射源直接植入患者的肿瘤部位进行照射。其基本特征是放射源贴近肿瘤组织，肿瘤组织可以得到有效的杀伤剂量，而邻近的正常组织受量较低。近距离照射的剂量学最基本最重要的特点-平方反比定律，即放射源周围的剂量分布，是按照与放射源之间距离的平方而下降。按照平方反比定律估算，1-2cm（125I使用mm）剂量差别为4倍。欲使病变边缘剂量达到肿瘤致死剂量水平，近源处的剂量会高到临床不可能接受的程度。因此对于不同体积的病变，只能按照特定的剂量学规则，选用不同的布源方式，以达到在不加重正常组织损伤的前提下，给予肿瘤组织较高剂量的照射。综上可以看出，永久插植治疗是一项复杂的技术，并受到诸多因素的影响，特别是能量低于40keV的同位素，剂量计算更为复杂。传统的剂量学系统基本是按照特定放射源的物理特性及布源规则而设计，所以很难广泛应用于各种放射源的剂量计算。蒙特卡罗技术能模拟不同射线在不同介质中的能量沉积，通过随机抽样精确计算某点或某一体积单位的剂量表达。目前是较为理想的剂量计算模型，应用领域也越来越广。7、展望在永久插植治疗中，目前应用最多的同位素是钯-103、碘-125粒子源。以蒙特卡罗技术为剂量模型应用现代高速计算机创建的三维治疗计划系统，确保了靶体积剂量计算的相对精确及合理性。最大程度地满足了临床治疗增益的需求，设计出高度适形的治疗计划。但是，在实施过程中，为得到更高的适形度，粒子源分布的自由度也很大，基本上是按照剂量需求分布粒子源。粒子源能否准确植入计划设计位置点，是治疗质量控制的关键。目前，国内外永久插植治疗技术应用较成熟的只有前列腺插植，它利用直肠腔内超声步进装置，采集前列腺的序列断层图像，进行三维重建设计实时治疗计划，利用模板引导固定植入位置点，放射源植入位置和治疗计划设计位置相吻合，使治疗计划的实施到了严格的控制。但是，前列腺以外的肿瘤的永久插植治疗，因植入位置点缺乏严格的控制，致使治疗计划的执行出现较大的误差。目前前列腺外的肿瘤插植，只能控制靶体积的总剂量（根据治疗计划某一体积达到一定剂量所需某一活度放射粒子源的数量），无法控制放射源的优化分布，由于植入技术和经验的不同可能造成相当大的剂量误差。在永久性放射粒子植入治疗中，等剂量线的适形度是治疗成功与否的关键；剂量分布的相对坦度是规避正常组织及周围重要器官免受损伤的主要因素；所以，粒子源的分布是剂量合理分布的关健，粒子源植入位置的准确性决定治疗计划实施的可靠性。以蒙特卡罗技术建立剂量模型，设计的治疗计划，在三维空间粒子的分布可以达到最优化状态，并准确描述了V200-V60、D100-D50的剂量分布。但是，目前只有前列腺粒子插植的粒子位置准确性可以得到控制，治疗计划能准确如实执行。前列腺以外的其它部位肿瘤的粒子植入，虽可准确计算体积剂量、粒子形态分布及所需数量，但粒子源位置的准确性缺乏有效的控制方法，主要靠经验控制分布，治疗计划的执行存在较大误差。可见只有好的模型和精确的计算及可行的治疗计划设计，还远远不够，治疗计划的忠实准确执行是不可缺少的环节。如果没有治疗计划设计的植入是完全盲目的，是无法预见治疗结果的。剂量的准确性始终是决定治疗成败的关键，蒙特卡罗系统解决了计算难题，但离子源位置的准确性有待进一步研究和完善。参考文献1. Tim D，Bohm，Paul M，et al. Brachytherapy dosimetry of 125 I and 103 Pd sources using an updated cross section library for the MCNP Monte Carlo transport code. Medical Physics, 2003, 30(4): 701-711.2. 胡逸民,主编.肿瘤放射物理学：第1版.北京：原子能出版社，1999.99-104.279-