電子調(diào)強放射治療中多葉準(zhǔn)直器的研究

李 敏 王麗艷 勾成俊 吳章文 侯 氫

(四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所，輻射物理及技術(shù)教育部重點實驗室 成都 610064)

X光調(diào)強治療[1,2](intensity modulated radiation therapy, IMRT)已獲廣泛應(yīng)用，它可大大減少射線對正常組織或器官的傷害，治療效果明顯好于傳統(tǒng)放療技術(shù)。但光子的穿透能力強，治療乳腺癌、頭頸部腫瘤等淺表腫瘤宜用電子束治療，為達(dá)到所需復(fù)雜劑量分布的較好適形效果，宜利用IMRT設(shè)備進行電子調(diào)強治療[3–5](modulated electron radiation therapy, MERT)。在某一深度上的劑量要求可通過電子束強度優(yōu)化和電子束能量調(diào)節(jié)得到。但IMRT光子多葉準(zhǔn)直器PMLC(photon multileaf collimator)不復(fù)適用，應(yīng)使用電子多葉準(zhǔn)直器EMLC[6–8](electron multileaf collimator)，且其葉片材料和幾何形狀應(yīng)作優(yōu)化。圖1是Varian公司2100C直線加速器治療機頭結(jié)構(gòu)的示意圖[7,9]。本文通過模擬計算對 EMLC葉片的材料、尺寸和形狀作優(yōu)化設(shè)計。

1 材料與方法

1.1 模擬方法

本文用PENELOPE[10](PENetration and Energy Loss of Positrons and Electrons)程序包模擬計算。PENELOPE是用FORTRAN 77語言編寫的用于光子和電子輸運的蒙特卡洛程序包，由三個主要程序和一個數(shù)據(jù)庫組成。程序包包括模擬程序包(主程序)、幾何程序包(描述介質(zhì)問題)和材料程序包(MATERIAL程序和若干相關(guān)子程序)。通過PENELOPE可模擬計算電子、正電子和光子在任意物質(zhì)、任意幾何體(包括有二次曲面的復(fù)雜幾何體)中的穿透行為和能量損失等。

圖1 瓦里安2100C直線加速器治療機頭結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic of a Varian Clinac 2100C treatment head.

1.2 EMLC葉片的材料與厚度

EMLC模擬計算的葉片材料為Pb、W、Cu和Fe[11,12]，電子束能量為6、14和22 MeV。先計算開野(無阻擋材料)時，三種能量電子束在水中的中心軸深度劑量分布，再對1–2 cm厚度區(qū)間的Pb、W、Cu和Fe材料，計算每種能量的電子束穿越每0.25 cm材料后的中心軸深度劑量分布。材料選擇原則是射線漏射比例，漏射包括穿過材料的剩余電子和電子在材料中產(chǎn)生的軔致輻射和次級電子。起始電子數(shù)均為 3×107。水體模中心軸記錄能量的體積元大小為0.2 cm×0.2 cm×0.2 cm。

1.3 EMLC葉片端面的形狀

EMLC葉片端面形狀如圖2有直立端面、斜端面和弧形端面。直立端面平行于電子束中心軸，斜端面偏離電子束中心軸3.75°，弧形端面半徑為1.5 cm。電子束能量為6、12和20 MeV，射野10 cm×10 cm，起始電子數(shù)均為 1.5×107。決定端面形狀優(yōu)劣的重要依據(jù)是射野邊緣處劑量分布的半影。水體模記錄能量的體積元大小為0.1 cm×0.1 cm×0.1 cm。

圖2 EMLC葉片端面形狀 (a) 直立端面 (b) 3.75°斜面 (c) 半徑1.5 cm的圓柱弧形端面Fig.2 Geometry of the EMLC leaves.(a) Plane (b) 3.75° bevel (c) cylinder arc surface of 1.5-cm radius.

1.4 EMLC葉片的寬度

EMLC葉片寬度過寬不利于子野形狀的準(zhǔn)確模擬；過窄，則葉片間難以銜接，且某些單獨突進射野的葉片因背散射而造成子野邊緣劑量增加，對治療不利。因此，參考光子MLC，將0.5和1 cm兩寬度的EMLC作比較選擇。把單個EMLC葉片放入射野中，觀察電子束通過這葉片在水體模的劑量分布情況，比較水體模射野中心軸上某深度處的背散射劑量值。電子束能量同§1.3。均選用10 cm×10 cm射野，起始電子數(shù)1.5×107，水體模記錄能量的體積元大小為0.1 cm×0.1 cm×0.1 cm。

2 結(jié)果與討論

2.1 EMLC的材料與厚度

材料對電子阻擋效果，可由水下某深度處的劑量值作比較，鎢、鉛、銅、鐵對6、14和22 MeV電子束的阻擋效果(水下0.75、2.25和3.25 cm的劑量值與開野劑量比值)與厚度的關(guān)系見圖3。2.0 cm厚的W對電子束的阻擋能力最好。6 MeV時，用2 cm厚W作遮擋材料，水下0.75 cm深度處的劑量是開野時的0.14%，而用Fe、Cu、Pb，該比值分別為0.34%、0.34%和0.30%；14 MeV時，2 cm厚W對應(yīng)水下2.25 cm深度處的劑量是開野時的0.88%，F(xiàn)e、Cu、Pb分別是1.87%、1.91%和1.76%；22 MeV時，2 cm厚W對應(yīng)水下3.25 cm深度處的劑量是開野時的1.98%，F(xiàn)e、Cu、Pb分別是4.28%、4.25%和3.76%。6 MeV時，用1.00、1.25、1.50和1.75 cm厚的同種材料W對應(yīng)水下0.75 cm深度處的劑量分別是開野時的0.39%、0.30%、0.24%和0.18%，隨厚度增加呈明顯下降。同樣14 MeV時，1.00、1.25、1.50、1.75和2.00 cm厚度的W對應(yīng)水下2.25 cm深度處的劑量分別是2.21%、1.75%、1.39%、1.10%和0.88%；22 MeV時，1.00、1.25、1.50、1.75和2.00 cm厚度W對應(yīng)水下3.25 cm深度處的劑量分別是4.78%、3.80%、3.06%、2.44%和1.98%。均表明隨厚度增加W阻擋能力有更好體現(xiàn)。

圖3 6、14和22 MeV時各種材料對射線的阻擋能力(a) 水下0.75 cm深度處；(b) 水下2.25 cm深度處；(c) 水下3.25 cm深度處Fig.3 Dose ratio at the depths of (a) 0.75 cm, (b) 2.25 cm and (c) 3.25 cm in the water phantom,using W, Pb, Cu and Fe as material of MLC to E-beams of different energies.

如前所述，選擇材料要看射線漏射比，22 MeV電子束穿過2 cm厚的Fe、Cu、Pb、W材料后的出射電子數(shù)分別為 6.317×104、6.263×104、5.645×104、2.895×104，W產(chǎn)生的漏射最少， Fe產(chǎn)生的漏射電子是W的2.182倍。

光子穿透能力比電子強很多，圖4是14 MeV電子束經(jīng)2 cm厚Fe、Cu、Pb、W材料后在水中的深度劑量分布。14 MeV電子在水中最大劑量在～4 cm深度處，在8 cm處其大部分能量已沉積，故深于8 cm的劑量主要由光子貢獻。由圖4，電子經(jīng)過W材料產(chǎn)生的軔致輻射影響最小，其次是Pb，然后是Cu和Fe，且影響差別較大。所以這幾種候選材料中，W作EMLC葉片材料最優(yōu)，以下計算中只考慮2 cm厚的W作多葉準(zhǔn)直器葉片的情形。

2.2 EMLC葉片端面的形狀

觀察電子束通過直立端面、斜端面或弧形端面的EMLC葉片后在水體模中形成的劑量半影[7,13]，以比較葉片端面形狀的優(yōu)劣。評價半影大小的指標(biāo)為P80/20，即水下某一深度處80%劑量到20%劑量的寬度。射野為10 cm×10 cm，入射電子束能量為6、12和20 MeV，以分別得到水下0.8、2.0和3.0 cm深度處的平面劑量(圖 5)。此劑量分布系中心軸對稱，僅作一邊的分布比較即可。水下 0.8 cm處(6 MeV入射電子束)，直立端面、斜端面和弧形端面的 EMLC對應(yīng)的半影 P80/20分別是 8.2、9.5和 9.1 mm；2 cm處(12 MeV)，對應(yīng)的半影P80/20分別是7.8、8.2和8.1 mm；3 cm處(20 MeV)，對應(yīng)的半影P80/20分別是7.5、9.6和7.4 mm。可見直立端面的EMLC好于弧型端面，弧型端面的EMLC又好于斜面端面的。且直立端面易于機械加工，是較優(yōu)的EMLC端面形狀選擇。

圖4 14 MeV能量電子經(jīng)2 cm厚度不同材料后在水中的深度劑量分布Fig.4 Depth dose distribution in the water phantom using 14 MeV E-beam penetrating different materials in 2 cm thickness.

圖5 直立端面(―)、斜端面(---)和弧形端面(··)的EMLC葉片和不同能量電子束的水下劑量分布Fig.5 Respective doses in the water phantom by 6, 12 and 20 MeV E-beams using EMLC leaves in end shapes of plane (―), 3.75°bevel (---) and r=1.5-cm cylinder arc (··).

2.3 EMLC葉片的寬度

葉片周圍電子或散射光子對葉片下對應(yīng)深度處的劑量有影響[14,15]， 用 2 cm 厚的直立端面鎢EMLC葉片，葉片寬度0.5和1 cm，電子束能量6和20 MeV，算得的水下0.8和3.0 cm深度處的劑量值見表1。6 MeV時，0.5 cm厚度對應(yīng)水下0.8 cm處的劑量是1 cm厚度的2.78倍；20 MeV時，0.5 cm厚度對應(yīng)水下3.0 cm處的劑量是1 cm厚度的2.21倍；EMLC葉片0.5 cm時，20 MeV對應(yīng)劑量是6 MeV的1.41倍；EMLC葉片1 cm時，20 MeV對應(yīng)劑量是6 MeV的1.12倍。EMLC葉片寬度1 cm比0.5 cm有很大優(yōu)勢，因為葉片較窄時，周圍電子及散射光子對葉片下對應(yīng)深度處的劑量影響更大一些。如果葉片再寬，形成的子野形狀邊緣有較粗的鋸齒結(jié)構(gòu)，不利于精確適形，最終確定EMLC葉片的寬度為1 cm。

表1 0.5與 1 cm寬度葉片和6與20 MeV電子束分別在水下0.8與3.0 cm深度處的劑量值Table 1 The dose of 6 and 20 MeV E-beam at 0.8 and 3.0 cm depths, respectively, in the water phantom with EMLC leaves of 0.5 and 1 cm widths

3 結(jié)論

通過用PENELOPE模擬計算，最終選擇2 cm厚度的W作為EMLC葉片的材料，足以擋住絕大部分電子，并產(chǎn)生相對較少的軔致輻射；電子束通過直立端面的 EMLC葉片時相對斜面和弧形端面產(chǎn)生較小的劑量半影，并在射野邊緣時有更好平坦度，所以選擇直立端面作為 EMLC葉片的端面形狀；電子束通過0.5 cm寬度EMLC葉片使射野邊緣的劑量明顯增加，寬度太大又不利于子野形狀的準(zhǔn)確控制，最后選擇1 cm作為EMLC葉片的寬度。這一結(jié)果僅通過理論模擬計算得出，還有待進一步實驗驗證。

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