全身皮肤电子线放疗中快速确定机架角度的方法

2022-10-09嵇卫星张玉洁李婷婷张建英

中国医学物理学杂志 2022年9期

嵇卫星，张玉洁，李婷婷，张建英

复旦大学附属中山医院放疗科，上海 200032

前言

蕈样霉菌病是皮肤T细胞淋巴瘤的最常见形式，而双机架角多野全身皮肤电子线放疗（six-dual field TSET, SDF-TSET）是治疗蕈样霉菌病的一种重要而完善的技术［1-2］。相比于光子束，低能量且高剂量率的电子束可以很好地将均匀的剂量照射到患者皮肤上，同时避免危及器官（OAR）受到过多辐射［3］。

SDF-TSET 形成于20 世纪80年代中期，由斯坦福六野技术和斯隆-凯特林散射板技术结合而成［4］。在这项技术的标准程序中，通常使用患者前、后和4个倾斜方向的6对双野对病人进行电子线照射，照射时间为2 d内实施1个分次。每对射野角度相对于水平轴对称，水平轴上方是上分野，下方是下分野（图1）。建立SDF-TSET规程的详细信息见AAPM TG30报告［5］，该流程包含多个复杂过程，诸如剂量校准、计划设计及执行、质量控制等［6］。

SDF-TSET技术中一对射野的几何结构如图1所示，治疗区域的长度取决于射线质、源皮距（SSD）、准直器大小和机架角度。图1中的参数X、α和θ分别与SSD、准直器大小和机架角度有关。很明显，越大的X和α可以形成越大的治疗面积。然而X受治疗室长度限制，α则受电子线最大射野的限制，所以对于已完成装机的直线加速器来说，这两个因素的最大值通常都是确定的。

图1 SDF-TSET技术中一对射野的几何构造Figure 1 Geometry of one-dual-field in SDT-TSET technique

AAPM TG30 报告中建议，对于剂量均匀性，矩形治疗区域要求垂直方向控制在±8%之内，水平方向控制在±4%之内，当然剂量越均匀越好［5］。为了达到剂量均匀性的最优化，对于每一组给定的几何参数，需要使用放置在治疗平面的电离室、热释光片（TLD）或者胶片阵列来测量治疗平面的相对剂量分布，以选取最合适的机架角度或参数组合［3］。对于较小的治疗机房（对应较小的X），有可能任何机架角度都无法给予治疗平面恰当的相对剂量分布，也就是说不能恰当地实施SDF-TSET技术。

AAPM TG30 报告虽然给出了实施要求，但是机架角度的搜索范围较大（一般为10°～25°），确定合适的照射角度是相当耗时的工作。由于蕈样霉菌病的发病率极低，通常直线加速器在机房建设、设备采购和安装的时候不会关注SD-TSET 技术的实施需求，而只是在出现临床病例的时候才会分析实现SDTSET 的可行性，并同时建立相应的剂量规程。在这个时候，临床医生和物理师面临的两个主要问题是：现有的机器、机房几何条件是否可能在病人身高的范围内形成符合AAPM TG30 要求的均匀剂量场，能否快速地找到最优的机架角度设置，建立相应的剂量规程，缩短患者的等待时间、减轻物理师的工作量。

进一步考虑，尽管AAPM TG30 报告中建议治疗区域长度为160 cm，但是直接决定这一长度的其实是患者的身高。例如对于一个非常高的病人，报告中建议的（160×60）cm2的治疗区域面积可能还不够大；而如果患者是儿童，治疗长度则不需要160 cm。换言之，SDF-TSET 协议是一个与患者身高紧密相关的个性化问题，如果能够针对逐个病例进行评估，则可以提供更加个性化的治疗方案。但是，对每个病例具体情况进行评估，相当于对每个病例建立一次耗时极大的SDF-TSET 治疗规程，这也体现出快速验证治疗机架角度的重要性。

本工作中，笔者通过对文献报道的SDF-TSET 技术进行几何分析，引入一个参数F来缩小机架角度的不确定范围，为SDF-TSET 技术提供一种快速有效确定机架角度的方法，也为SDF-TSET 规程的建立提供可行的高效方案。

1 材料与方法

1.1 SDF-TSET技术的几何分析

当电子束离开出射窗口时，它的分布很窄，然后经过散射箔、电离室、空气，电子束最终到达患者皮肤表面。在这一过程中，集中的光束将被散射和扩散，最终上分野和下分野共同形成治疗区域，而且在皮肤及皮下几毫米处提供均匀分布的剂量。

SDF-TSET 技术的示意图见图1，其中源（Source）表示电子束离开出射窗口的位置，ISO 是加速器等中心，X表示ISO 和治疗平面之间的距离。θ是水平面上方或下方的机架角度。α是与准直器打开长度相关的度数，可按下式计算：

其中，FS表示等中心处的射野大小，SAD是源到等中心的距离，通常情况下是100 cm。

Z是等中心水平面与光束几何中心在治疗平面相交上的距离。Z可由公式得出：

K是射野中心线与靠近水平线的光束边缘在治疗平面上的距离，公式如下：

以上均为SDF-TSET 技术中既有的几何参数，作为本工作的创新，笔者通过以下定义引入一个新参数F：

其中，Z和K定义在式（2）和式（3）中，由此可推断，F可由参数X、α和θ得出，而当X和α固定时，θ可由F计算。

1.2 分析θ与F的关系

笔者在PubMed 等数据库中检索相关文献，检索关键词为“全身皮肤电子线治疗（total skin electron therapy）”、“全身皮肤电子线照射（total skin electron irradiation）”、“TSEI”等，筛选出射野大小、机架角度、SSD 等设置参数齐全的论文。考虑到国内大多数单位加速器都具备6 MeV 的电子线，笔者排除了电子能量不等于6 MeV 或设备为旋转准直器的文献。笔者根据每篇论文中的设置参数，计算出F，并对F进行统计，得到参数F的规律。为了验证这些论文中计算出来的F值是否服从正态分布，对这些数据进行Shapiro-Wilk 检验，这是一种适用于少数样本的正态分布检验。根据F的统计结果，确定搜索角度的上限、下限，以及中心值，结合测量出的剂量分布情况，利用二分法，搜索剂量分布符合均匀性要求的机架角度。

1.3 方法可行性的验证

为了验证该方法的性能，笔者进行了测试试验。本放疗中心配备了西门子ONCOR 直线加速器，选择标称能量为6 MeV 的电子束进行试验，不使用电子线光筒，等中心处射野大小为30 cm×30 cm。根据本单位治疗室的情况，选择了两组参数X进行试验，分别为206 和247 cm。为了减少因SSD 延长而增加的治疗时间，减少患者的运动和疲劳，剂量率设置为900 MU/min，即高剂量率模式。

笔者采用固定笼式装置作为支架，在1 cm 厚的PMMA面板背面粘贴了一组EDR2胶片，以测量纵向均匀性。治疗室激光线用于校准处理平面的坐标系，Vidar扫描仪（Dosimetry Pro Advantage RED）用于对胶片进行数字化，然后使用RIT113软件对胶片进行分析，每个点的剂量以其周围2 cm×2 cm范围的平均剂量表示。

2 结果

2.1 参数F的统计特性

根据式（1）～式（4）及相关文献资料，不同文献中的几何参数及计算出的Z、K、F列于表1。不同放疗中心的参数设置差别很大，准直器的开启角度为9.37°～11.31°，等中心与治疗平面距离为100～341 cm。如表1所示，θ、α和X之间没有明显的关系，但计算所得的参数F却趋于相似。

表1 已发表论文中SDF-TSET技术各几何参数的总结Table 1 Summary of geometrical parameters for SDF-TSET technique from the previous literatures

Shapiro-Wilk检验验证了F值的正态性。统计结果W=0.954，对应的P值为0.689（P＞0.05），表明F服从正态分布。F的平均值为0.79，标准差为0.05。由此可见，尽管不同放疗中心的准直器大小、SSD 和机架角度相差很大，但是参数F仍保持一定的稳定性。

2.2 利用F缩小机架角度θ的不确定范围

由式（3）和式（4）可知，F与几何参数准直器大小、SSD 以及机架角度（即α、X和θ）相关。由于前两个因素的最大值由治疗室大小和加速器类型决定，基本上是确定的，可以变化的只有θ。当X和α固定时，θ可由F计算，因此可以通过分析θ与F值之间的关系得到θ的范围。为了清晰地说明这一关系，笔者以文献［7］中的数据为例。在这一案例中，当其他参数固定时，θ与F值之间的关系如图2 所示。该函数是光滑单调递减的，结合上一小节中所确定的F值均值和标准差（σ），可以得到对应的θ范围。在正态分布中，F值在均值±1σ、均值±2σ 和均值±3σ 这3 个范围，计算出的θ范围覆盖所有机架角度概率分别是0.683、0.954 和0.997。也就是说，当使用均值±2σ 确定搜索范围时，已经可以覆盖95.4%的机架角度，而使用均值±3σ确定搜索范围时，就可以覆盖99.7%的机架角度。将这3 个F值范围代入θ，可以得到3 个θ的范围，分别是17.2°～19.7°（均值±1σ）、16.1°～21.1°（均值±2σ）和15.2°～23.0°（均值±3σ），范围大小分别为2.5°（均值±1σ）、5.0°（均值±2σ）和7.8°（均值±3σ），文献［7］中实际使用的机架角为19°。由此可见，与一般的θ搜索范围15°相比，用F均值和标准差计算出来的搜索区域明显缩小了很多。

图2 文献［7］中案例的机架角度θ和参数F的关系Figure 2 Relationship between gantry angle θ and F in one case reported in literature［7］

为了进一步了解标准差对θ搜索范围的影响，笔者将表1 中所有文献对应的θ搜索范围和实际选择角度画在图3 中。如图3 所示，每条竖线表示θ值搜索范围，竖线上的圆点是文献中实际采取的θ值，而两条水平线分别对应一般范围的两个边界值10°和25°。我们发现，在12 个案例中，有8 个案例的θ值落在均值±1σ的范围内，11个落在均值±2σ范围内，而所有的θ值均落在了均值±3σ范围内。值得注意的是，有一篇论文选择的机架角度为27°，这个角度超出了一般搜索范围10°～25°，而用本文方法依然可以有效地定位到这个角度。从兼顾效率和有效性的角度考虑，本文建议使用两个标准差对应的范围为机架角度搜索范围，如果以此为标准，12 篇文献中θ搜索范围的平均值为5.4°±1.3°，相比于一般方法中15°的搜索范围，本文方法将搜索范围缩小了10°左右。

图3 表1所列举文献中案例的角度搜索范围和实际机架角度θ值Figure 3 Search range and the actual gantryangle θ in the cases reported in the literatures listed in table 1

2.3 方法的有效性验证

X为206 和247 cm 时，水平轴两侧的上分野（y＞0）和下分野（y＜0）组合成的相对剂量分布见图4，其中剂量以治疗平面中间点归一，曲线上少量点的缺失是因为它们位于两张胶片的间隙处。结合前述结果，X为206 和247 cm 时，机架角度搜索范围分别为14.3°～18.8°和13.5°～17.7°。笔者首先测量了边界角度的剂量均匀性，下界对应的剂量曲线呈现单峰特征，上界对应的剂量曲线具有双峰特征，然后应用二分法寻找合适的θ值，X为206 和247 cm 时，θ值分别为15°和14.5°。当X=206 cm时，在135 cm长度范围内（y为-70～65 cm），最大和最小相对剂量分别为1.06和0.93；而X=247 cm 时，在145 cm 长度范围内（y为-75～70 cm），其最大和最小相对剂量分别为1.04和0.92。这两个结果均比AAPM TG30 报告中推荐的160 cm治疗长度要短。但值得注意的是，当X增加了41 cm 后，可接受的治疗长度增加了10 cm，这说明随着X的增加，满足AAPM TG30报告要求的160 cm 的治疗长度是有可能的。

图4 垂直方向的相对剂量分布Figure 4 Relative dose profiles in vertical direction

3 讨论

虽然SDF-TSET 技术已经被普遍认可并受到重视，AAPM TG30 报告［5］中也提出了该技术的执行标准，但是这项技术的实施过程相当复杂，尤其是机架角度的确定这一步相当费时费力，AAPM TG30 报告中也没有如何选择合适角度的说明，而笔者的工作填补了这一空白，为SDF-TSET 技术中最为耗时的一步提供了有用而高效的方法。

本研究中所介绍的方法也可以作为一种预评估工具，来验证某个放疗中心在现有条件下，对于某个身高的病人，是否能否在特定机房、特定加速器上实施SDF-TSET 技术。有报道称，皮肤T 细胞淋巴瘤每年的发病率为0.54人/10万人［19］。由于蕈样霉菌病的发病率极低，在建立一个放疗中心的过程中可能不会建立SDF-TSET 规程。另一方面，不同的病人身高可能会导致对治疗时间的需求有很大的不同，因此需要进行个案评估。而我们的方法可以提供的一种快速的预评估方案。

另一个需要考虑的问题是X线污染，理想的X线污染剂量应当小于电子线剂量的1%～4%。AAPM TG30报告建议将光束中心轴对准站立患者的上方和下方，以减少X 射线对患者的辐射剂量，本文工作中的两个实验样本不符合这一要求，只有当ISO点与患者之间距离较大时才能满足这一要求，本文工作中的试验所用治疗室不够大。不过这只是一个建议，而不是一个标准，而且重叠野的X射线污染比单野更小，产生的X线污染在临床上也是可以接受的。在建立SDF-TSET 技术协议时，如何尽可能地避免X 线污染，需要结合临床需要和实际情况。