移动式术中电子束加速器临床使用中限光筒的选择策略

周 含 吴天聪 景生华 沈泽天 袁 喜 朱锡旭 李 兵

术中放射治疗(intraoperative radiation therapy，IORT)是经手术切除肿瘤病灶后，借助手术暴露而不能切除的瘤床、残存灶、淋巴引流区或原发病灶，在直视下进行一次性大剂量照射。1909年，Carl Beck博士试图用IORT技术进行胃癌的治疗，由于当时放射治疗设备射束能量以及剂量率太低的原因，限制了其应用[1]。1964年，Abe教授首次成功应用于临床，至今已有数十年的历史，目前已成功的应用于多种肿瘤的治疗中[2-3]。使用常规直线加速器进行IORT，需要将已经手术暴露的患者从手术室转运到放疗科机房中接受放射治疗，极大增加了手术风险与感染概率。1997年，首台可移动式术中电子束加速器放射治疗系统投入使用，新式的IORT设备体积小、重量轻且防护要求低，使其可在手术中直接使用，自此IORT技术获得了迅速发展[4-5]。

解放军南京总医院于2015年引进移动式Mobetron 2000型术中电子束加速器放射治疗系统，设备投入临床使用前测试近半年的时间，在原有高能电子直线加速器物理剂量学基础上，测量并分析IORT中心轴深度剂量分布特性、表面剂量的测量与校正、剖面剂量分布、危及器官的保护以及限光筒外漏线、空气间隙因子、斜入射对剂量分布的影响与校正等，充分研究术中放射治疗临床剂量特性及其优化方法[6]。本研究针对电子束的特性，研究临床IORT设备限光筒的使用策略，以对临床IORT设备的使用提供参考。

1 材料与方法

1.1 设备与材料

采用Mobetron 2000术中电子束放射治疗系统(美国IntraOp公司)；剂量测量设备48 cm×48 cm×41 cm的三维水箱(德国PTW，BEAMSCAN)；Dose1剂量仪(德国IBA公司)；0.6 cc Farm电离室(德国PTW，FC65-P)；静电计(美国CNMC，MODEL206)；1套10 cm的质量控制限光筒和适配器，45个圆形不锈钢限光筒(美国IntrOp公司)。

1.2 测量方法

(1)根据美国医学物理家学会(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)TG51协议“高能光子和电子束参考剂量学议定书”推荐的方法，在水模体中做临床级剂量学测定[7]。测量垂直于水模体表面中心轴百分深度剂量和平行于水模体表面的射野离轴比、输出因子、限光筒外漏射剂量、铅挡块对电子束的衰减、输出量校准、电离辐射质以及各限光筒的平坦度与对称性等。

(2)移动式Mobetron 2000型术中电子束加速器放射治疗系统配置有4 MeV、6 MeV、9 MeV及12 MeV电子束，由于4 MeV为每档能量的起步档，其穿透能力较弱，穿过加速器的输出窗时电子束的衰减很大，同时发热也较大，对于机器的真空系统不利[8]。因此，4 MeV在临床中应用较少，本研究实际应用中电子束使用6 MeV、9 MeV和12 MeV。

2 临床限光筒的数据与性能测量

2.1 平坦度与对称性

测量时将Dmax处profile曲线上80%深度(R80)对应的宽度各内收1 cm，其间的区域定义为平坦度区域，对称区域的定义同平坦度区域，此区域同样为临床手术中IORT的照射区域，此区域也是临床限光筒选择的参考区域。电子束为6 MeV、9 MeV和12 MeV的10 cm×10 cm限光筒的Inline随着能量变化的趋势如图1所示。

图1 限光筒Inline随能量变化趋势图

2.2 电子束剂量特性

电子束剂量学特性表明，从表面到Dmax为剂量建成区，从Dmax到D90为治疗区，D90之后为剂量跌落区，若将靶区后缘深度(d后)取在90%的剂量线，电子束的能量近似选为：E0(MeV)≈3×d后+2-3。实际的临床使用中，选择治疗的深度为R80，能量的衰减符合临床的治疗。本研究中R80的大小随着射野的变化见表1～3。

表1 在6 MeV时R80大小随能量射野角度的变化情况

表2 在9 MeV时R80大小随能量射野角度的变化情况

表3 在12 MeV时R80大小随能量射野角度的变化情况

根据电子束剂量学特点，选择合适的能量及合适的限光筒，可以有效的使靶区得到较高的剂量包绕，以及有效地避免对靶区后深部组织的照射[9-10]。

2.3 临床限光筒的R80影响因素

2.3.1 参考深度Dm

取最大射野Ø10 cm，测量的最大点深度，作为该能量不同限光筒不同倾斜角的参考深度，随着限光筒倾斜角度的变大，Dm变小，即最大剂量深度往水面平移[11-12]。

2.3.2 表面剂量

表面剂量的测量结果随着能量的升高而增加。这是由于电子束易于散射，造成表面剂量随能量增加而增加，但是由于移动式IORT机器电子束流不需要偏转磁铁，使其表面剂量比常规加速器要高。此外，由于限光筒导致的机头散射线增加，也将导致表面剂量的增加，同时由于表面剂量的增加，使得R80的值稍微偏高[13-14](见表4)。

表4 不同能量不同角度的表面剂量分布(%)

2.4 线形拟合

测量结束后，对3种能量，15种射野大小，3种能量的限光筒进行数据分析，其线形拟合计算为公式1：

式中y为R80的数值，x为限光筒的大小，b为曲线斜率。

3 临床限光筒的数据与性能测量结果

3.1 与能量相关的测量结果

R80的大小随着射野的变化显示，在能量相同的情况下，随着限光筒的变大，R80逐渐增大；当射野大小及能量相同的情况下，随着角度的增加R80减少，且随着能量的增加，变化的幅度增加。6 MeV、9 MeV及12 MeV的R80随着射野及角度的变化趋势如图2所示。

图2 R80随着角度能量射野大小的变化趋势图

3.2 与限光筒相关的测量结果

能量越高R80随着射野的变化越显著，对于＜5 cm限光筒R80变化较显著，＞5 cm限光筒R80增加缓慢，能量越低，缓慢程度越大，对于6 MeV几乎趋于直线。因此，R80拟合的过程中，分为限光筒≤5 cm及限光筒＞5 cm两种情况。两类拟合结果为：①限光筒≤5 cm结果3种能量3种角度，6种射野大小；②限光筒＞5 cm且＜10 cm结果3种能量3种角度，9种射野大小，其差异有统计学意义，见表5～8。

表5 不同能量0°限光筒＜5 cm的R80与射野大小的拟合统计表

表6 不同能量0°限光筒＞5 cm的R80与射野大小的拟合统计表

表7 不同能量30°限光筒＜5 cm的R80与射野大小的拟合统计表

表8 不同能量30°限光筒＞5 cm的R80与射野大小的拟合统计表

线形回归采用逐步回归去多重共线性，显著性水平0.05水平下，认为0°限光筒受射野影响不显著(见表5)，30°限光筒R80与射野大小的线性拟合，对于6 MeV得到的回归方程：Y=6.04+0.186X1；对于9 MeV得到的回归方程：Y=3.4+0.348X1；对于12 MeV得到的回归方程：Y=2.48+0.448X1(X1为射野大小，Y为R80)。

正如图2(a)所示，对于0°限光筒的治疗时，R80的大小随着射野大小的变化较小，趋向直线，因此在实际手术过程中，使用0°限光筒时，一般限光筒的直径包绕肿瘤范围1 cm左右[15]；对于15°及30 °限光筒而言，图2(c)和图2(d)可得，能量越大，R80的值随着射野大小的变化越明显，因此手术切缘照射时，角度较大时，临床选择限光筒时尽量选择＞9 MeV的能量，以达到更好的剂量给予。

3.3 临床术中限光筒选择应用

由于斜端面的限光筒照射野的平坦度和对称性明显变差，因此验收过程中，移动式术中电子束加速器放射治疗系统的profile数据的测量条件为限光筒尺寸：Ø10 cm，0°。因此选择10 cm×10 cm限光筒的时候，角度的选择根据靶区的后缘深度来选择[16-17]。根据医院的移动式术中电子束放射治疗系统的使用，临床限光筒的选择如图3所示。

图3 术中放射治疗的临床限光筒选择步骤框图

4 结论

相关系数分析是用相关系数来表示两个变量间的相互直线关系，度量拟合优度的统计量是线性相关系数R，其取值范围是[-1，1]的值越接近1，两个变量间的直线相关越密切；反之值越接近0，表明回归直线对观测值的拟合程度越差。标准差也称均方差，是各数据偏离平均数距离的平均数，是离均方平方和进行平均计算后的方根，反映的是一个数据距离平均值的离散程度，其值越大表明各个数据之间越分散，对于0°的限光筒，拟合曲线近似为一条斜率为0的平行直线，因此对于0°限光筒治疗时，限光筒的直径包绕肿瘤范围为1 cm左右。对于临床限光筒＜5 cm，角度越大，线形相关系数越大，拟合程度越好，R80受射野大小的影响越大。此时选择临床限光筒时，需结合射野大小的R80数值，及能量的剂量学特性进行选择。而对于限光筒选择＞5 cm时，线性相关明显变差。

通过对Mobetron 2000型术中电子束加速器的剂量学特性的测量，更加明确其射线特性适合对术后瘤床、残存灶、淋巴引流区或者原发灶的治疗，其射线的表面剂量高，达到最大剂量点深度后急剧衰减，使得肿瘤靶区得到均匀的剂量同时又保护了靶区之后的正常组织的剂量[18]。电子束照射野的剂量与限光筒的大小角度密切相关，这主要是因为加速器以及限光筒的特性直接影响入射人体组织表面的电子能谱。限光筒的特殊剂量学特性，从而适用于手术中的放射治疗，本研究的数据分析为本设备的临床应用提供了更直观的参考。