磁共振引导放射治疗中剂量分布的影响因素

刘莉军 王艳晓 付 杰

目前图像引导放射治疗（IGRT）主要的引导方式是CBCT[1]，相对CBCT 成像技术，磁共振成像（MRI）有软组织对比度高，无电离辐射等优势[2]。将放射治疗系统与MRI 相结合有助于实现实时自适应放射治疗，故磁共振引导放射治疗系统是目前放射治疗研究和发展的热点。光子通过在人体产生次级电子沉积能量，磁场中次级电子在洛伦兹力作用下运动轨迹发生改变，导致剂量分布与无磁场情况不同，常规TPS 剂量运算无法满足需求，需引入磁场作用因素。磁共振-放射源安装模式、组织特征、磁感应强度和射线能量等都会影响剂量分布，可通过蒙特卡洛方法进行精确模拟。蒙特卡洛方法是研究光子输运过程的重要工具，已有一些研究人员采用蒙特卡洛程序包如Geant4、EGSnrc 模拟磁场中的光子输运过程。Geant4 对磁场中剂量分布计算的准确性得到了实验验证[3]，EGSnrc 的模拟结果亦满足要求[4]。

磁共振- 放射源安装模式对剂量分布的影响

磁共振-放射源安装模式主要有以下几种[4-5]：①FC（fixed cylindrical）：主磁场固定为水平方向，放射源旋转过程中磁场保持与射束垂直；②TRBP（transverse rotating biplanar）：放射源与磁体相对固定，机架旋转过程中磁场保持与射束垂直；③LRBP（longitudinal rotating biplanar）：放射源与磁体相对固定，机架旋转过程中磁场保持与射束平行。

磁场垂直于射束情况下（FC、TRBP），剂量建成区缩短，离轴剂量分布向洛伦兹力方向偏移，电子回转效应（electron return effect，ERE）在组织密度变化界面引起剂量升高和降低。FC 模式下，洛伦兹力方向在患者横断面内随机架旋转变化，对穿射野可补偿该模式下磁场对剂量均匀性的影响；TRBP模式下，洛伦兹力方向平行于患者头脚方向，与机架角度无关[4]。磁场平行于射束情况下（LRBP），磁场趋于将各向扩散的次级电子限制在射束方向，次级电子沿射束方向运动深度增加，剂量沿射束方向分布更集中，射野内剂量升高且剂量均匀性增加，射野外剂量降低，组织界面处剂量差异不明显，但电子污染引起入射面剂量升高[5-6]。

组织特征对剂量分布的影响

1.均匀密度组织

横向均匀磁场中，点扩散函数不再对称（平均方向偏向洛伦兹力方向），剂量沉积区域减小；笔形束深度剂量曲线向入射表面偏移，半影不再对称。因此横向均匀磁场对均匀密度组织内剂量分布的影响主要体现在半影变化、建成区缩短和剂量分布偏移，影响程度还与射野面积有关。6MV X 射线垂直入射半无限均匀水模体的剂量分布受1.5T 横向均匀磁场影响：对较小射野（1cm×1cm），侧向电子平衡未建立，半影不对称；对较大射野（5cm×5cm），剂量建成区缩短5mm，半影保持对称且宽度增加1mm，射野整体偏移0.7mm。磁场对建成区和半影的影响可通过常规TPS 进行修正，但射野的整体偏移有方向性，需要特别考虑[7]。对脑部三维适形计划，离轴剂量分布向洛伦兹力方向偏移，射野边缘出现剂量升高和降低，ERE 引起部分区域皮肤剂量升高，0.2、1.5T 磁场在皮肤和射野边缘引起最大剂量差异分别为+4/-2%、+10/-5%[4]。对IMRT 计划，靶区剂量和正常组织受量在0、1.5T 磁场中的差异显示，1.5T 横向磁场对宫颈癌、肾癌IMRT 计划无负面影响，对胰腺癌、前列腺癌IMRT 计划质量影响＜5%[8-9]。可见横向均匀磁场对组织密度均匀部位的计划质量影响较小。

纵向均匀磁场中，点扩散函数保持对称，次级电子在垂直于射束方向运动受限，在射束方向运动深度增加[6]；笔形束的离轴剂量分布保持对称，水模体10cm 深度处，1.5T 磁场引起射野中心0.5cm 范围内剂量升高，0.5 ～1.5cm 范围内剂量明显跌落。1.5T纵向磁场在肺部靶区的三维适形计划中引起射野内剂量升高15%，射野外剂量明显降低[5]。

在低密度均匀介质和空腔内，平均电子路径长度增加，磁场对次级电子的偏转作用更明显，对剂量分布的影响更显著，低场强即可对剂量分布产生较大影响，0.2T 磁场即可在肺部组织的射野边缘产生±12%的剂量差异[4]。

在非均匀密度组织中，横向均匀磁场在组织密度变化界面引起的ERE 对剂量分布影响极大，较磁场引起的其他剂量效应显著得多，主要体现在空腔、肺部组织和皮肤处剂量不均匀度增加。

2. 空腔

横向均匀磁场中，空腔表面剂量受ERE 影响，影响程度与场强、空腔尺寸有关。

Raaijmakers 等[2]研究了1.5T 横向磁场对垂直于射束的圆柱形空腔表面剂量的影响，结果显示，ERE 引起空腔表面剂量升高，其分布情况受场强和空腔直径影响很大。强磁场将返回的次级电子限制在更小区域内，导致ERE 引起的剂量升高幅度更大。对直径3cm 的空腔，1.5T 磁场引起剂量升高62%；随空腔直径减小，剂量不均匀逐渐消失。1.5T 磁场中，直径1mm 的空腔周围仍有10%的剂量升高，可见对1.5T 及更高场强，更小尺寸空腔才能消除磁场对剂量均匀性的影响。Yanez 等[10]通过DPM 模拟横向均匀磁场对60Coγ 射线在水-空气-水模体内剂量分布的影响，结果表明0.3T 磁场引起的ERE 在尺寸小于次级电子运动半径的小空腔界面不明显，在大空腔界面引起剂量升高。1.5T 磁场中直径2cm 空腔的剂量不均匀通过对穿射野得到明显改善[11]。对FC 模式下喉癌计划的临床模拟结果表明，采用非对穿射野的IMRT 计划即可消除磁场对空腔附近剂量的影响[12]。可见采用对穿射野或IMRT 技术可消除磁场对空腔表面剂量的影响。

3.肺部组织

单射野在横向均匀磁场中照射水-肺-水模体，ERE 引起水-肺界面剂量升高，肺-水界面剂量重新建成导致剂量降低。6MV X 射线在1.5T 横向均匀磁场中照射半无限水-肺-水模体，水-肺界面的水侧剂量升高28%、肺侧剂量升高40%，肺-水界面的肺侧剂量降低26%、水侧剂量降低24%[4]，与Raaijmaker 等[2]的研究结果类似。若采用平均能量低于6MV X 射线的60Coγ 射线，其高剂量区范围和相应的剂量升高幅度更小。

采用权重均分的对穿射野，FC 模式下两对穿射野的次级电子所受洛伦兹力方向相反，模体内的剂量均匀性显著改善但未完全抵消，60Coγ 射线对穿照射下0.2T 磁场引起剂量差异＜2%[4]。Wooten 等[13]通过FC 模式系统（0.35T，60Coγ 射线）对水-肺-水立方进行单射野照射，测量结果显示ERE 引起＜10%的剂量变化，该效应在对穿射野和IMRT 计划中抵消，验证了对穿射野对剂量均匀性的改善。采用权重均分的对穿射野，TRBP 模式下两对穿射野的次级电子所受洛伦兹力方向相同，离轴剂量分布在洛伦兹力方向的偏移较单射野情况更大，6MV X 射线对穿照射下0.2T 磁场在肺模型中射野边缘剂量差异为±12%[4]。

纵向均匀磁场中，磁场趋于将各向扩散的次级电子限制在射束方向，剂量沿射束方向分布更集中，射野外组织受量降低，组织界面处剂量差异不明显。可见LRBP 模式可以削减甚至消除TRBP 模式下磁场对肺部计划的影响，且LRBP 模式下磁场只增加患侧肺剂量的不均匀度，理论上LRBP 模式可以满足PTV 剂量要求同时降低患侧肺的绝对剂量[5]。

4.皮肤

影响皮肤剂量的污染电子及次级电子的数量与磁场方向和强度、射野面积、皮肤表面与射束夹角等因素有关。

对FC、TRBP 模式，磁场减少皮肤表面的污染电子数量，对大射野更显著[14]；次级电子在皮肤表面的能量沉积受皮肤表面与射束夹角的影响很大。Raaijmaker 等[15]基于FC 模式的蒙特卡洛模拟表明，1.5T 磁场中射束与几何模体表面的夹角对入射面剂量及出射面剂量的影响较无磁场情况更显著。分别对入射面和出射面，定义垂直于射束方向为0°，逆时针方向为正、顺时针方向为负，于±75°范围内每隔15°取一平面角度进行模拟。结果显示：①负角度入射面：点扩散函数平均方向偏向左下方，次级电子运动偏离入射面，表面剂量降低，建成距离增长。建成距离于-75°取得最大值35mm。②正角度入射面：次级电子运动偏向入射面，表面剂量升高，建成距离缩短。对于较大正角度如60°、75°，由于射野侧面的ERE，建成区消失，75°入射面中心剂量为142% Dmax（Dmax 为B=0T 最大剂量）。③正角度出射面：与负角度入射面类似，次级电子运动偏离出射面，正角度越大，出射面剂量越低（75°出射面剂量降低16%Dmax）。④负角度出射面：出射电子通量随 75°～-45°增加，随-45°～-75°减小。另外，返回电子在出射面内运动深度随0°～-60°变浅（对-60°和-75°深度相同），相同数量的次级电子沉积区域越浅，沉积能量越高。这两种作用综合影响下，出射面剂量升高于-60°达到最大，为56%Dmax；-75°出射面剂量升高较-60°有所降低。采用对穿射野，入射面和出射面的剂量差异可以相互补偿，其中倾斜表面于±75°范围内的剂量变化幅度为-12 ～7%。Oborn 等[16]基于Geant4 的几何模体模拟表明，FC 模式（0.2 ～3.0T，6MV X 射线）下，-30°～-60°入射面（角度定义与Raaijmaker等[15]相同）对皮肤剂量影响较小，正角度入射面的皮肤剂量显著升高；在0.2 ～0.6T 磁场中任一角度出射面剂量升高，0.8 ～3T 磁场中负角度出射面剂量显著升高、正角度出射面剂量降低。在出射面覆盖组织等效模体，可基本消除磁场对皮肤表面剂量的影响。对磁场前中列腺癌IMRT 计划的模拟研究表明，合理的选择射束角度、对皮肤进行IMRT 优化等方法亦可降低皮肤剂量[12]。

LRBP 模式中磁场将污染电子限制在射束方向引起皮肤剂量升高，对小射野更显著。Oborn 等[17]采用Geant4 模拟了磁场对LRBP 模式下皮肤剂量的影响，结果表明皮肤剂量受准直器附近的场强影响很大，无磁屏蔽条件下皮肤剂量可达1000%Dmax，但是该研究仅考虑一维磁场的影响。Keyvanloo 等[18]采用有限元方法（FEM）模拟了LRBP 模式（0.56T，6MV X 线）的真实磁场分布，通过EGSnrc 模拟发现LRBP 模式下磁场引起的皮肤剂量升高＜15%。

磁感应强度对剂量分布的影响

场强设置与系统安装模式、磁体类型等因素有关，不同磁场方向下场强影响剂量分布的模式不同，但总体上磁场对剂量分布的影响程度与场强成正比。

磁场垂直于射束情况下，随场强增加，磁场对次级电子运动的约束增强，剂量建成区缩短、次级电子运动半径减小、平行于洛伦兹力的平面内点扩散函数面积减小、点扩散函数平均方向偏向洛伦兹力方向等现象更明显。不同场强下ERE 引起的剂量变化幅度不同：①在平行于射束的模体侧面或垂直于射束的圆柱形空腔表面，强磁场将返回的次级电子限制在更小区域内，ERE 引起剂量升高幅度与场强成正比。圆柱形空腔表面的剂量分布情况还与空腔直径有关，对直径3cm 的空腔，0.2、0.75、1.5、3T 磁场分别引起剂量升高38%、53%、62%和76%。②在垂直于射束的模体出射面，ERE效应受磁场影响，0.2、0.75、1.5 和3 T 磁场分别引起出射剂量最多增加20%、50%、40%和20%，ERE 对0.75T 磁场最显著。随场强增加，ERE 引起剂量增加的区域相对射束方向的偏移量减小，3、1.5、0.75 和0.2T 磁场分别引起4、8、15.5和33mm 偏移。③在水-肺-水模体的组织界面，ERE 表现为水-肺界面剂量升高，肺-水界面剂量降低，0.75、1.5 和3T 磁场引起的剂量升高和降低分别为：+40/-25%、+49/-36%和+27/-31%，0.2T磁场中ERE 不明显[2]。

磁场垂直于射束情况下三维适形计划的剂量分布也受场强影响。对脑部计划，0.2T 磁场在皮肤和射野边缘引起最大剂量差异为+4/-2%，1.5T 磁场在皮肤和射野边缘引起最大剂量差异为+10/-5%。对肺部计划，0.2T 磁场在组织-肺界面和射野边缘射野边缘产生±12%的剂量差异，1.5T 磁场在组织-肺界面和射野边缘引起最大剂量差异为+30/-15%[4-5]。

磁场平行于射束情况下，随场强增加，次级电子在垂直于射束方向运动受限、运动范围缩小的现象更明显，次级电子在射束方向运动深度增加，剂量沿射束方向分布更集中，对肺部靶区的三维适形计划，0.5、1.5 和3T 纵向磁场分别引起射野内剂量升高5%、15%和20%[5]。

总结与展望

磁场作用于电子影响射线的剂量分布，在皮肤、组织密度变化界面、空腔附近和低密度组织尤其显著，但磁场对IMRT 计划影响较小。FC 模式的MRLinac 应用于临床通过IMRT 对4 例腰椎骨转移瘤患者进行姑息治疗，获得理想的剂量精度和几何精度，表明了MRIGRT 的临床可行性与安全性[19]。但仍需对不同肿瘤特征在磁场中的剂量分布做进一步研究，明确MRIGRT 治疗肿瘤患者的适应症，实现实时自适应放射治疗。