强调放射治疗头-颈部仿生模型及临床应用.doc

期刊文献强调放射治疗头-颈部仿生模型及临床应用林大全,宋锦平,王远萍,黄志伟（1四川大学 人机工程及医疗设备研究所 ,四川 成都 610065；2.四川省人民医院X刀治疗中心 , 四川 成都 610072；3. 四川新医药研究所 ,四川 成都 610065） 摘要：强调放射治疗仿真体模按中国人体50百分位参数，用透明全能谱组织等效材料制成，使体模具有高度仿生性、可视性，模拟了十个器官组织。既是人体解剖的模型，又是组织等效的放射诊断模型和放射治疗模型，是医学影像训练的操作模型。这样，可实现多种剂量计(适合电离室，半导体探测器，热释光剂量计，胶片剂量计)的归一化对比。应用表明，该模型可用于机械精度的校正，靶点、靶体积剂量验证，临近重要器官剂量分布测定，保证剂量不确定度小于5%。 关键词： 强调放射治疗 仿真体模 临床应用一、前言科学的进步，社会的发展，放射治疗技术已成为肿瘤的三大治疗手段.其中6070%肿瘤患者需单纯放射治疗与外科手术化疗治疗相结合。近40年来立体定向放射治疗（Stereotactic Radiotherapy SRT）提高了靶点的几何精度和剂量精度。实形放射治疗（Conformal Radiotherapy CRT）保证了靶体积与肿瘤病灶的形态相一致；强调放射治疗(Intensity Modulated Radiotherapy MRT)使射线的能量调整保障肿瘤靶区有最佳的透射、散射、能量沉积的效果，使肿瘤靶点、靶体积剂量大大提高，使临近和紧要器官剂量大幅度减小。这样，不仅提高了放射治疗的生存率，又提高了患者的生存质量，是放射治疗的巨大进步。放射治疗新方法的研究、临床治疗剂量学的研究、放射治疗计算机计划系统研究开发、数学模型的科学性、放射治疗的安全性、临床可操作性都必须用仿真体模来检验和验证。为保证放射治疗全过程的质量控制和质量保证，强调放射治疗新型体模(IMRT phantoms)的研究和应用为国内外所关注。林大全 生物医学工程及仪器教授，国家级有突出贡献的专家，四川大学人机工程及医疗设备研究中心主任、四川省人机系统及仿生工程重点实验室学科带头人、北京大学兼职教授、中国创造学会、中国医学物理学会理事。20余年来，从事仿生材料及仿生人体模型研究，“中国人仿真人体模型”系列产品，1992年被国际辐射剂量单位与测量委员会（ICRU）命名为“成都剂量体模”（Chengdu Dosmitry Phatom）是向全世界推荐的最新剂量体模之一。二、材料与方法强调治疗头，颈部体模具有如下6个特点： 1 .中国人体参数的特征性 按中国人体50百分位（平均值+标准差K），计算出相关的外形尺寸、脏器尺寸和颅骨尺寸，可避免与西方人种前后径大于左右径引入的剂量偏差。2.采用新型的全能谱等效材料 按人体十一种主要元素相似的“基本元素等效法”对碳，氢，氧，氮进行“互补替代法”，避免了微量金属元素的加入，特征谱线对剂量能谱的干扰在50KEV20MEV能谱范围内与人体组织的等效误差小于2%，不均匀性误差小于1.2%。因此具有全能谱等效吸收的特性，提高了体模材料的仿真性。3. 体模的仿生性和可视性 为保证实验中对器官剂量点的定位，采用光学半透明材料（对可见光透过率约70%），从外部见解剖学的特征，脏器的空间分布，模拟了颅骨，鼻咽腔，下颌骨，牙齿，大脑半球，晶状体，腮，腺，舌。既是人体解剖的模型，又是组织等效的放射诊断模型和放射治疗模型，是医学影像训练的操作模型。 4. 多种剂量计的可测性 设置了专门的测试孔，测试棒和可调换的鼻咽部体模板，适合电离室(Ionization Chambers)，半导体探测器(Semiconductor Detectors)，热释光剂量计(Thermolumine Dosmitry)，胶片剂量计(Film Dosmitry)进行体内外剂量分布的测定。A.电离室 由颈部插入和下颚插入，避免电缆导线的干扰。B.半导体探测器（6010mm椭圆体，组织等效厚度相当于5mm）十通道剂量分布测试仪具有十个并行接口，各探测器采用一一对应的线性和能量曲线输出，减小探测器分散可能引起的偏差。可测定靶区或感兴趣区域的剂量，临近区域和紧要器官的剂量。C. 热释光剂量 鼻咽腔部分设置可替换的非均匀结构的体模板按需要打出33,55(mm)TLD孔，不用的孔可用组织等效材料填塞块。D. 胶片剂量计 由于采用半透明和弹性体的仿生材料，邹氏强度70，压缩和恢复时间小于1.5秒，加之采用了平面涂层理保证胶片间的间隙小于0.02mm，肉眼看不见压缝透光间隙。三、临床应用用德国西门子Sotatom-plus4螺旋CT扫描仪进行体模的定位扫描。用美国Radionics计算机治疗计划系统及定位框架进行头模的放疗计划设计及空间定位。用德国西门子Siemens6740直线加速器作辐照源。用英国Farmer2570剂量仪和激光胶片扫描仪，进行剂量测定。仪器经中国计量科学院校正误差小于3。1.用仿生体模进行机械精度的校正 将直径mm的不锈钢小球置于模型的颅底用CT扫描定位后，检查定位框架，治疗床，激光定位系统，坐标转换系统的精度，确保治疗床轴和等中心位移误差1 mm。2. 用仿生体模进行靶点及靶区剂量的验证 头模加定位框后用螺旋CT机进行扫描从颅底到颅顶每3mm薄层扫描35层，感兴趣的部位扫描可交叉，扫描0.6cc电离室中心点前后位(AP)，左右位(LAT)，上下位(VRT)的坐标在X刀计算机工作站上进行三维重建和治疗的方案的设计，并将体模及定位框架牢固置于加速器的治疗床上，用3个野从颅顶45度，90度，120度进行照射。计算的结果和实测剂量的剂量偏差小于3%。3用仿生体模进行临近器官和紧要器官剂量分布测定 用夹入颅底的慢感光胶片测量颅底的中心剂量临近的鼻咽部剂量，脑部，甲状腺和腮部的剂量，从而对靶区剂量的几何精度，对临近区域剂量大小的安全性作出评价。四、结果与讨论1. 现代放射治疗技术包括立体放射治疗，适行放射治疗，强调放射治疗都是应用小照射野立体照射，动态和静态对肿瘤部位进行照射，必须应用现代小野剂量学的方法对辐射场进行完整的描述。肿瘤治疗靶体积剂量是对照射空间立体角的全积分，照射时间的全积分，粒子注量、能量注量的全积分。设T时间内，在X，Y，Z标志任何位置X上。沿，确定的方向上，辐射粒子注量和能量注量的谱分布，P，E（x.t）时，空间某靶点总的剂量D是辐射时间（T），空间分布P（x.t）d,粒子注量（x.t），能量注量(x.t)的四重积分。数学表达式：D（X.T）=T4E P,E(x,t)ddtdE *K其物理意义： 时间积分T 包含单次照射，多次照射，时间积分立体角积分4包含动态照射，静态照射，单野照射，多野照射，适形野积分能量积分E 包含不同能量的射线，能量注量的总和。2. 为了控制靶区，靶点真实剂量的误差必须对照射全过程各项误差来源，大小进行总体分析和控制，保证总的剂量误差小于5%。包括：坐标定位系统机械偏差照射野等中心位置的剂量偏差仿生体模预设的靶中心与照射野中心附加几何和剂量偏差。当用仿生体模检验和验证各项分量的不确定度小于2%， 其总的剂量不确定度D小于4.0%，可满足国际放射治疗剂量的偏差要求。D=几何定位+剂量输出+能量注量+测量误差=100% =4.0%3.仿真体模是调强放射治疗，实现全过程质量保证、质量控制简单可靠易行的方法，并可实现用半导体探测器、热释光剂量计、胶片剂量计之间剂量归一化对比分析。图1 调强放射治疗头颈部人体模型及剂量测试系统IMRT Head & Neck Phanotom and Dose Measurement System 参考文献:1 Kelowna,British Columbia ,Canada 2001 COMP Annual Meeting Medical Physics 2001,92 Daquan Lin,Changqiong Zheng, Yuanping Wang et al Design and Synthesis of Artificial Radiological Equivalent Tissue and Bone Materials,Polymers and Biomaterials,NorthHOLL and 1991.3913963 Samule w.Alderson,Mario Basic,Tim Solberg,John Demarco et al Anthropomorphic Phantoms for Evaluation of Precision Radiation Therapy Medical Imaging and Precision Radiotherapy 2000,24 林大全，吴大可 仿真辐照人体模型的现状与医学应用