高能电子束剂量学课件.ppt

1、高能电子束剂量学,医用加速器所产生的高能电子束由于具有有限的射程，在临床肿瘤放射治疗中，可以有效地避免对靶区后深部组织的照射，这是高能电子束最重要的剂量学特点。 对于高能电子束，因其易于散射，皮肤剂量相对较高，且随着电子束能量的增加而增加；随着电子束限束筒到患者皮肤距离的增加，射野的剂量均匀性迅速变劣、半影增宽；百分深度剂量随射野尺寸的变化而变化，特别是在射野较小时变化尤为明显；不均匀组织对百分深度剂量影响显著：拉长源皮距照射时，输出剂量不能按平方反比定律计,算；不规则射野输出剂量的计算，仍存在着一定的问题。基于高能电子束的上述特点而言，电子束治疗主要用于治疗表浅或偏心的肿瘤和侵润的淋巴结。

2、在医用加速器中，加速电子从治疗头引出时，束流发散角很小，基本是单能窄束，通过改造，例如：用散射箔或电磁场扫描原理，将电子束展宽到临床所需要的最大射野范围，而后，经过射线治疗准直器，再经电子束限束筒形成治疗用射野。为了进一步改善剂量分布和减轻限束筒的重量，现代加速器配有射野跟随系统。,电子束限光筒,限光筒形成不同尺寸规则的电子束照射野，它和射线准直器内壁都产生散射电子，由此，会改变电子束的角分布并使能谱变宽。从而改善射野的均匀性。也由此会使其剂量建成区的剂量显著增加，但随限光筒到治疗表面距离的增加而影响减少,双散射系统,X射线治疗准直器的射野跟随系统，目的是为了进一步改善电子束射野剂量分布特性和

3、减轻电子限光筒的重量。双散射箔系统可进一步改善电子束的能谱和角分布。第一散射箔作用是利用电子穿射时的多重散射，而将射束展宽；第二个散射箔类似X射线匀整器，用以增加射野周边的散射线，使整个射线束变得均匀平坦。用双散射箔系统，可不在使用单一散射箔通常的封闭筒壁（solid-wall）式结构，而改成用边框式，此时，它仅起确定射野大小（几何尺寸）的作用。 电子束射野的等效转换：实验表明，当不考虑治疗准直器的开口变化时，长方野的深度剂量分别等于它的长Y和宽X边大小相等方形野深度量乘积的平方根。,中心轴百分深度剂量曲线,分四个区：剂量建成区高剂量坪区、剂量跌落区和X射线污染区,表面剂量Ds75% 剂量跌落

4、区的剂量梯度 G=Rp/(Rp-Rq) 一般在2.02.5之间 X射线污染水平 6-12MeV, 0.5%-2% 12-20MeV, 2%-5%,中心轴百分深度剂量曲线特性,上图所示：模体内电子束中心轴百分深度剂量的基本特性及有关参数。入射或表面剂量Ds，以表面下0.5mm处的剂量表示；Dm，最大剂量点剂量；R100，最大剂量点深度；Dx.电子束中X射线剂量；Rt (R85),有效治疗深度，即治疗剂量规定值（85%Dm)处的深度；R50,50%Dm或半峰值深度（HVD）；Rp，电子束的射程；Rq，百分深度剂量曲线上，过跌落最陡点的切线与Dm水平线交点的深度。,能量对百分深度剂量的影响,从上图中

5、可以看出，由于电子束易于散射，随着电子束能量的增加，表面剂量就随着增加，高剂量坪区变宽，剂量梯度(G)减小，X射线污染增加，电子束的临床剂量学的优点逐渐消失。具体表现为：46MeV电子束，表面剂量约为75%；而2025MeV电子束，则高达90%以上，表面剂量相对于最大剂量点剂量的比值，低能电子数要小于高能电子束。对于相同入射的电子注量，低能电子束的剂量跌落要比高能电子束的更陡峭。由此，为了充分发挥高能电子束的特点，在实际肿瘤放射治疗中的能量选着应在425MeV的范围内为好。,照射野大小对PDD的影响,建立横向电子平衡的最小射野半径:,图a为7MeV,b为13MeV，c为20MeV的电子束在中心

6、轴深度剂量曲线的射野情况,射野大小对PDD的影响,照射野较小时，因相当多数量的电子被散射出照射野，中心轴PDD随深度增加而迅速减少。反之，当射野增大时，较浅部位中心轴上电子的散射损失被照射野边缘的散射电子补偿逐渐达到平衡，PDD不再随射野的增加而变化。一般情况下，当照射野的直径大于电子束射程的二分之一时，PDD随照射野增大而变化极微小，因此，低能时，因射程较短，射野对PDD的影响较小；但对较高能量的电子束，因射程较长，使用较小的照射野时，PDD随射野的变化较大。,源皮距对PDD的影响,随SSD增加，表面剂量降低，最大剂量深度变深，剂量梯度变陡，X射线污染略有增加,筒到表面的距离对剂量建成的影响

7、,源皮距对百分深度的影响,电子束限光筒的设计要求治疗时限光筒末端紧贴皮肤或留至多5cm左右的间隙。对一些特殊的照射野技术，如全身皮肤照射或因患者照射部位体表的弯曲使摆位条件受到限制或因使用大照射野，都必须会改变限光筒到皮肤之间的距离，从而造成源皮距大的变化，这种变化会直接影响到PDD及剂量分布，从图中也可看出：当源皮距不同时，PDD的一些主要参数的变化规律，主要表现为：当限光筒到皮肤表面的距离增加时，表面剂量降低，最大剂量深度变深，剂量梯度变陡，X射线污染与所增加，而且，高能电子束较低能电子束变化显著。造成这一现象的主要原因，是由于电子束有效源皮距的影响和电子束的散射特性所为。由于电子束PDD

8、随源皮距变化的这一特点，在临床中要求：除非特殊需要，因保持源皮距不变，否则需根据实际的使用条件，具体测量PDD有关参数的变化。,射野均匀性和半影,ICRU建议电子束射野均匀性用均匀性指数U90/50表示,或平坦度和对称性表示 半影用射野边缘80%至20%等剂量曲线之间的距离表示(P80/20),射野均匀性和半影,U90/50表示深度R85/2处与射野中心轴垂直的平面内90%与50%等剂量分布所包含的面积之比表示，当射野面积100cm2时，U90/500.7，即沿射野边和对角线方向上，90%，50%等剂量线的边长之比L90/L50大于等于085，同时，必须避免在该平面内出现峰值剂量超过中心剂量的

9、3%的剂量”热点“即该平面内的峰值剂量103%。它所包括的面积的直径应小于2cm电子束的物理半影P80/20，一般条件下，当限光筒表面距离在5cm以内，当电子束能量10Mev时，为10-12mm；当能量为1020MeV时，半影为8-10mm；而当限光筒到表面距离超过10cm时，半影可会超过15mm。,半影与限束装置、SSD的关系,SSD115cm,ICRU 71号报告,半影与限束装置、SSD的关系,上图为ICRU 71号报告中的电子束能量为9MeV,深度15mm处的离轴距离与相对吸收剂量的等剂量曲线。曲线1是：无限光筒，仅用X光栏作为准直情况；曲线2是：用标准限光筒和距离的剂量分布曲线；曲线3

10、是：限光筒离开患者皮肤表面15cm时的情况。,电子束射野的等剂量分布,随深度增加，低值等剂量线向外侧扩张，高值等剂量线向内侧收缩，并随着电子束能量而变化，特别是能量大于7MeV以上时，情况更突出,电子束等剂量分布,如10MeV的电子束，表面射野为7cm7cm,模体下3cm深度处，90%等剂量曲线的宽度仅有4cm左右。除能量的影响外，照射野大小也对高值等剂量线的形状有所影响。如图中13MeV的电子束，照射野从3cm3cm到20cm20cm,其90%等剂量线的底部形状由弧形变得平直。上述的原因主要是电子束易于散射的所造成，对于不同类型、不同限束系统的治疗机，其特点会有所不同，限光筒的下端面与患者皮

11、肤之间的距离，体表弯曲程度，射束入射方向等都会影响电子束等剂量分布曲线的形状，因此，在实际工作中，一定要引起充分的重视。,不同能量的输出量随X射线准直器大小的变化规律,电子束的输出剂量,如上述：由于电子易于散射，输出剂量随限光筒大小的变化没有明显的规律；由于不同厂家的限光筒设计有所不同，对同样大小的限光筒，输出剂量也会不同。,不同厂家的限光筒的剂量情况,对采用散射箔展宽束流的加速器，随机配置有射野尺寸各异的限光筒。由于设计上的差异，不同加速器厂家的限光筒也会表现出不同特点。如上图是SL25和Varian 2100型加速器限光筒的情况。当筒尺寸由4cm4cm20cm20cm时，输出剂量率的变化，

12、不仅幅度要大于X射线输出量的变化（此处最大变化超过20%），同时规律性也不像X线那样明确，呈现或单调增加或单调下降，或先增加而后下降。因此，要求在实际临床中，需对所有的限光筒进行必要的实际测量。,电子束的输出剂量影响因素,对于X（r）射线，射野输出剂量率随射野的增大而呈现单调增加，而高能电子束有一定的射程、易于散射、加上限束系统等的影响，使得其情况就复杂的多了.例如:即使电子束的限光筒的尺寸不变，仅改变X(r)射线治疗准直器的位置，电子束的输出剂量率也会有较大的变化，特别是低能电子束。 上图为10cm10cm限光筒，dm处的输出剂量率随准直器大小变化而改变情况，特别是4MeV电子束的输出剂量率

13、的变化有着近一倍之多。以此证明：准直器大小的设定不仅影响电子束射野的平坦度和对称性，也影响了其输出剂量率。现代加速器在电子束治疗时，准直器将自动移到相应的位置处，从而获得最好的射野平坦度和对称性以及使其对射野输出剂量率影响最小。,输出剂量随SSD变化,治疗电子束是加速管中的经加速的一窄电子束，经偏转经过出射窗、散射箔、监测电离室、限束系统等而扩展成宽电子束。后者可近似认为是从出射窗下方某一点发出，输出剂量随SSD变化可按从这一点到人体的距离做距离平方反比修正得到。这点称为有效源，这个距离称为有效源皮距 确定有效源皮距的方法是将电离室放置于水模体中射野中心轴dm处，将限光筒末端至水模表面的空气间

14、隙g调至不同大小，分别测量输出量,有效源皮距与能量和射野面积的关系,确定虚源到表面距离,参考资料,变化规律,不像X射线在加速器中有物理源点，电子束好像从某一位置（或点）发射出来，此位置（或点）称之为电子束的”虚源“（virtual source)位置。“虚源”代表入射电子束的最大可几方向反向投影后的交点位置，或用不同距离宽束电子束射野（大于或等于20cm20cm）的50%的离轴比宽度，求出放大倍数，再反推出虚源点的位置。,在一些实际测量结果中显示，根据虚源到皮肤的距离，按平方反比定律校正仅在大射野条件下成立，对较小射野，该定律校正会低于输出剂量的实际变化，这是由于较低能量的电子束，在较小射野条

15、件下，输出剂量会由于电子束本身在空气和模体中缺少侧向散射平衡，变化较大，而虚源皮距按平方反比定律校正时无法给予考虑。校正电子束限光筒与体表间空气间隙的改变对输出剂量的影响，用电子束有效源皮距的概念，它的数值随电子束能量和照射野大小的变化而改变，这一变化是由于不同能量和照射野条件下，电子束散射不同的缘故而致。,斜入射对PDD的影响,斜入射增加最大剂量dm的侧向散射，使dm向表面方向移动，电子束穿透能力减弱 斜入射的影响可用笔形束模型解释,斜入射对PDD的影响,患者体表弯曲或摆位条件限制，从而导致电子束等剂量曲线的畸变。对较大的空气间隙，应利用电子束有效源皮距对剂量分布进行平方反比定律修正，并考虑

16、斜入射对电子束侧向的影响（如上图中文字所叙）。电子束斜入射时侧向散射的影响，可利用“笔形束”（pencil beam)概念解释，当宽束电子束斜入射到患者表面时，表浅深度的各点会接受相邻笔形束较多的侧向散射；而随着深度的增加，由于笔形束的横向展宽侧向散射强度减小，使得深部各点只接受较少的侧向散射，造成了电子束剂量在表浅部位的增加和较深部位的减少，同时，因斜入射，增加了g ,引起的射线束的扩散作用，似的所有深度的剂量都将减小。因此，斜入射对百分深度剂量的影响，缘于电子束的侧向散射效应和距离平方反比造成的线束的扩散效应的双重作用的结果。,斜入射时中心轴剂量计算,中心轴深度d处的剂量 其中,斜入射的剂

17、量计算,D0（f,d)为电子束垂直入射模体时有效源皮距f，深度d处的剂量。斜入射空气间隙为g，OF为斜入射校正因子，表示射线束垂直入射与斜入射的剂量比值（可查表）。 即通过实际深度d和射程RP的比值的求OF值。,斜入射对剂量分布的影响,斜入射对剂量分布的影响,利用电子束的笔形束模型可以对电子束斜入射进行较为精确的校正。如图中所给出了12MeV电子束照射圆柱形固体体模时，计算的剂量分布（虚线表示）与测量的剂量分布（实线表示）的比较。,表面不规则对剂量分布的影响,不规则阶梯状体表也会因旁散射的失衡在界面附近产生局部的剂量热点和冷点，如图所示，当台阶突出时，电子由里向射束轴外散射，反之，电子由外向射

18、束轴心方向散射，所以在临床上通常使用组织填充物来减弱电子穿透能力，使其边缘剂量平稳过渡。,组织不均匀性组织,用等效厚度法计算大的等厚不均匀性组织对剂量的影响，等效厚度 ，其中CET是不均匀性组织的等效厚度系数。然后用距离平方反 比因子 修正剂量。,组织不均匀性校正,在不均匀性组织如骨、肺和气腔中，电子束的剂量分布会发生显著变化，通常采用的校正方法为等效厚度系数法CET（coefficient of equivalent thickness).假设某种不均匀组织的厚度为Z，它对电子束的吸收的等效水的厚度为Z乘以CET，其中CET由不均匀性组织对水的相对电子密度求得。如计算上述组织后某一点深度d处

19、的剂量，则先要计算该点的等效深度deff而后经平方反比定律校正（f 为有效源皮距）方可得到该点剂量，人体骨组织的CET值的范围为1.1(疏松骨）1.65（致密骨）。对肺组织（实验表明），其CET值平均为0.5.并依赖于在肺组织中的深度。 肺组织对水的相对电子密度，可认为近似等于其对水的相对密度。如果假设CET值等于其对水的相对电子密度，上式中的CET值可用肺对水的相对电子密度替代来作肺剂量的校正。,小的组织不均匀性组织,小的不均匀性组织会在边缘处产生剂量热点和冷点,小块不均匀组织,当不均匀组织的体积较小时情况要复杂得多，假设电子束平行入射均匀介质M中，射束穿过一小块高密度介质M时，因电子束的散

20、射角会变大，使得介质M后面的电子注量减少，剂量降低；同时，经介质M的散射电子。引起M后M中两侧剂量的增高，换言之。小块高密度介质同时产生剂量冷点和热点。有一点应给予注意：小块不均匀介质的边缘效应的影响，随能量的增加而增加。校正不均匀组织对剂量分布影响的较为精确的计算方法是：使用以多级散射理论为基础的计算模型，如笔形束模型等。,不规则射野,用足够厚的低熔点铅制成挡块形成所需要的射野形状,不规则射野,从完全阻止不同能量电子束所需挡铅厚度的图中可以看出：挡铅厚度的微小变化都会对电子束的剂量有很大的影响，如果挡铅厚度过薄，剂量不仅不会减小，反而剂量会有所增加。一般情况下，挡铅厚度应略大于所需要的最小铅

21、厚度值。但在有些情况下，特别是射野内遮挡时，如照射眼睑部位的肿瘤，为了保护晶体，挡铅过后使用起来及不方便，而接近临界值，特别是在大照射野的情况下，12mm的微小变化，都有可能起不到对正常组织的保护作用。要根据不同电子束能量的挡铅材料的穿透曲线来正确选择挡铅厚度。曲线测量一般采用平板电离室在固体模体内，采用宽束条件下进行（通常不超过5cm深度），,挡块对剂量参数的影响,射野输出剂量随挡铅射野的减小而增加。低能时增加大约1% ，高能时增加大约6%。 当能量10Mev时，挡铅射野的PDD基本不变；当能量10Mev时，挡铅射野的PDD会降低，并且剂量梯度变小。,挡块对剂量参数的影响,图为电子束限光筒下

22、附加电子束挡铅筒不同能量电子束射野输出因子随射野边长的变化情况。R90特点：标准电子束限光筒足够的（如6cm6cm以上）时，不同能量电子束的百分深度剂量不受限光筒大小的影响；铅挡所形成的照射野，在较高能量（1214MeV)条件下，照射野小于8cm8cm时，治疗深度变浅,剂量梯度变小；较低能量(如10MeV)时，没有明显变化。标准限光筒输出因子在不同能量条件下，都有很大变化（最大为23%），但没有规律性；铅挡所形成的照射野，射野输出因子变化的规律性明显，即照射野越小，输出因子越大（与高能X(r)射线情况恰恰相反），较低能能时变化小，（均为1%），较高能量时变化大（6%）。对较高能量的电子束，铅挡

23、确定的照射野，即使和标准限光筒大小一致,在小野（如6cm6cm）条件下，输出因子的差别为16.8%，90%剂量深度R90相差均6mm，剂量梯度也由固定限光筒的2.2变成1.9。由此，在实际工作中，应对其规律和变化进行实际测量。,电子束的内挡块,内挡块用于保护被遮挡区后方的正常组织，但会因为反向散射而造成被遮挡区前方的剂量增,加。这种剂量增加用反向散射因子描述，,电子束的内挡块,这种治疗情况下会在接触界面处产生电子束反向散射，使其界面处的剂量大约增加30%70%（在420MeV的能量范围内），反向散射因子EBF(electron backscatter factor)定义为：组织遮挡界面处的剂量与均匀组织中同一位置剂量之比，其经验公式如图左侧所示。EBF随遮挡介质的有效原子序数Z的增高而增大，随界面处电子平均能量的增加而减小。,附加低原子序数材料,在挡块前方附加低原子序数材料，可以减少反向散射引起的增加。,附加低原子序数材料,上图为不同能量的电子束内铅挡产生的反向散射电子，在聚苯乙烯中的衰减曲线。因此，在做内挡块的实际临床工作中，可在铅挡快和组织之间加入一定厚度的低原子序数材料，如有机玻璃等。这类材料本身产生的反向散射低，同时，可以吸收挡快产生的反向散射。通常低原子材料的质量厚度为2g/cm2,组织补偿,组织补偿器