不同骨科植入物對放射治療的影響

倪昕曄 湯曉斌 林 濤 宋浩磊 孫蘇平 陳 達*

1(南京航空航天大學核科學與工程系，南京 210016)

2(南京醫(yī)科大學附屬常州第二人民醫(yī)院，常州 213003)

引言

惡性骨腫瘤手術后有較高的復發(fā)率，20世紀70年代以前惡性骨腫瘤的治療以截肢術為主，手術后5年生存率為10% ～20%。自20世紀90年代以來，結合化療和放射治療的應用，惡性骨腫瘤的綜合保肢術得以發(fā)展，患者5年生存率上升為50% ～80%［1］，約50% ～80%的癌癥患者死前發(fā)生了骨轉(zhuǎn)移［2］，Sakaura報道全椎體腫瘤即使行全脊椎大塊切除，術后復發(fā)率仍很高，故術后應輔助放療、化療或免疫治療，以消滅殘存的瘤細胞［3］。

隨著三維實形放射治療、調(diào)強放射治療、圖像引導放射治療技術的應用，對加速器輸出的劑量計算精度的要求也越來越高。目前，常用的骨科體內(nèi)植入物為不銹鋼及鈦合金兩種，其密度大于人體組織，放射治療當射線穿過金屬材料時會有較大程度的衰減，從而影響腫瘤的放射劑量。臨床研究表明，劑量±5%的變化就會引起無并發(fā)癥的腫瘤控制概率的顯著改變，腫瘤治療劑量若有近10%的增加，腫瘤控制概率幾乎有5倍的增加［4］。放射治療的基本目標是最大限度地將放射線的劑量集中到病變(靶區(qū))內(nèi)，殺滅腫瘤細胞，而使周圍正常組織和器官少受或免受不必要的照射［5－6］。因此，不銹鋼及鈦基合金植入物時植入物周圍腫瘤部位進行的放射治療造成了較大的影響。

由于碳的原子序數(shù)為6，密度較低與人體相近，所以X射線在碳材料中的衰減系數(shù)遠低于金屬材料。在X射線波長為0.154 2 nm的條件下，碳材料質(zhì)量衰減系數(shù)為 5.50，而 Co、Cr、Ti分別為 354、259、204。因此，碳相對于金屬對射線劑量的影響小很多。

放射治療的流程是:用普通模擬定位機或 CT模擬定位機來找出腫瘤的位置，再用計劃系統(tǒng)根據(jù)腫瘤吸收劑量來計算射線的劑量分布，最后在直線加速器上執(zhí)行治療計劃。本研究分析商用的不銹鋼植入物、鈦基合金植入物以及自制的碳纖維植入物在放射診斷中的影像學區(qū)別及對放射治療劑量的影響，從而分析碳纖維組成的骨科植入物在放射治療中的應用前景。

1 材料與方法

采用3種不同材質(zhì)骨科植入物(不銹鋼植入物、鈦基合金植入物以及自制的碳纖維植入物)，通過手術先后植入同一只家豬的同一只后腿。在普通模擬定位機上進行普通模擬定位，觀察植入物固定位置是否一致，得到普通模擬定位圖像，即二維影像;通過模擬定位CT室的移動激光燈，借助3個金屬定位小球?qū)ωi腿的位置進行固定，以保證豬大腿掃描位置的一致，再進行CT掃描模擬定位，從而得到三維影像。通過觀察二維和三維影像，分析不同材質(zhì)骨科植入物對放射影像的影響。

把CT模擬定位圖像傳輸至放射治療計劃系統(tǒng)來進行治療計劃設計，比較劑量分布，分析不同材質(zhì)植入物對放射治療劑量的影響。放射治療計劃系統(tǒng)設計計劃的具體參數(shù)如下:射野對整個大腿骨進行適形治療，單個照射野，X射線，能量為6 MV，加速器角度為0°，準直器角度為0°，加速器輸出量為200 MU，計算網(wǎng)格為0.3 cm×0.3 cm×0.3 cm，劑量計算方法采用疊代算法(superposition)。

在本研究中，使用的3種不同材質(zhì)骨科植入物如下:不銹鋼植入物為國產(chǎn)，常用的是316 L(美標，國標為00Cr17Ni14Mo2)，主要成分為鐵、鉻、鎳，以及少量的氮、錳、硅、硫、鉬等，擁有良好的機械性，在體內(nèi)較易腐蝕，因此常作暫時性的內(nèi)置物;鈦基合金植入物為國產(chǎn)，含有鋁(Al)和釩(V)，耐腐蝕性好;碳纖維植入物為南京航空航天大學材料科學與技術學院自制，是被高溫石墨化處理過的2.5維PAN基的碳/碳復合材料。3種植入物的厚度都為0.4 cm，不銹鋼植入物、鈦基合金植入物、碳纖維植入物寬度分別為 1.3、1.5、1.5 cm，長度分別為12.5、14.0、14.0 cm，如圖 1 所示。

在本研究中使用的主要設備如下:普通模擬定位機是荷蘭核通公司生產(chǎn)的Simulix-HQ型模擬定位機，CT模擬定位機是德國西門子公司生產(chǎn)的SOMATOM Definition雙源256排CT，放射治療計劃系統(tǒng)是美國CMS公司的 XIO 4.40計劃系統(tǒng)，計劃系統(tǒng)模擬的直線加速器是德國西門子公司的PRIMUS-PLUS加速器。

圖1 不同材料的骨科植入物(從上到下依次為不銹鋼、鈦基合金、碳纖維)Fig.1 Orthopedic implants of different materials(stainless steel，titanium alloy，carbon fiber from top to bottom)

2 結果

首先，在普通模擬定位機上拍攝未進行手術的模擬定位片，如圖2所示。然后，分別拍攝植入不銹鋼、鈦基合金、碳纖維植入物的模擬定位片，如圖3～圖5所示。可以觀察到不銹鋼、鈦基合金植入物清晰地顯示在模擬定位片上，擋住了后面的骨組織，而植入碳纖維植入物的模擬定位片與未植入植入物的模擬定位片相比，骨組織的分辨率沒有受到影響。比較CT模擬定位片(見圖6～圖9)，不銹鋼植入物的周圍有較大偽影，鈦基合金植入物的周圍偽影小，碳纖維植入物的周圍無偽影。

圖2 無植入物的模擬定位片F(xiàn)ig.2 Simulation film of no implant

圖3 不銹鋼植入物的模擬定位片F(xiàn)ig.3 Simulation film of stainless steel implant

圖4 鈦基合金植入物的模擬定位片F(xiàn)ig.4 Simulation film of titanium alloy implant

圖5 碳纖維植入物的模擬定位片F(xiàn)ig.5 Simulation film of carbon fiber alloy implant

通過計劃系統(tǒng)對無植入物、植入不銹鋼、植入鈦基合金、植入碳纖維進行計劃設計，結果如圖6～圖8所示。由于射線入射組織表面處有一定的傾斜，因此等劑量線也有一定的傾斜(見圖6)，60%的等劑量線能到達組織底部。植入不同的植入物后，等劑量線發(fā)生了變化:由圖7可見，不銹鋼對射線的阻擋作用最大，等劑量線上揚幅度最大，特別是鋼板下方的等劑量線往上隆起，60%的等劑量線不能到達組織底部;由圖8可見，鈦基合金對射線的阻擋作用較大，等劑量線上揚幅度較大，鈦基合金下方的等劑量線往上微隆起，60%的等劑量線不能到達組織底部;由圖9可見，碳纖維對射線的幾乎無阻擋作用，等劑量線與沒有植入物的等劑量線一致(見圖6)，60%的等劑量線能到達組織底部。通過點劑量比較射線分別穿過等厚(0.4 cm)的正常組織、不銹鋼、鈦基合金、碳纖維原射線分別衰減1.6%、5.7%、4.5%、1.6%，不銹鋼對射線的阻擋作用最大。

圖6 無植入物時的劑量分布Fig.6 Dose distribution of no implant

圖7 植入不銹鋼植入物的劑量分布Fig.7 Dose distribution of stainless steel implant

3 討論

圖8 植入鈦基合金植入物的劑量分布Fig.8 Dose distribution of titanium implant

圖9 植入碳纖維植入物的劑量分布Fig.9 Dose distribution of carbon fiber implant

從實驗結果分析看，無論是診斷級別的 X線(KV級)還是治療級別的 X線(MV級)，碳纖維植入物對于射線幾乎無衰減，主要原因是碳的原子序數(shù)較低，射線與其作用效果與人體相當。在診斷過程中，碳纖維植入物對圖像質(zhì)量沒有影響，在三維影像中不會在植入物周圍產(chǎn)生偽影，在二維影像中對植入物組織不會造成遮擋作用。

在放射治療過程中，可以不用考慮碳纖維植入物因射線的衰減而導致骨腫瘤放射劑量不足。在植入不銹鋼植入物、鈦基合金植入物后進行骨腫瘤放射治療時，應加大照射量來滿足腫瘤劑量的要求，而沒有植入物遮擋的骨腫瘤和正常組織會受到過量照射。在射線照射金屬時，金屬表面會產(chǎn)生劑量增加的現(xiàn)象［7］，會增加放射治療劑量的不均勻性。在放射治療的過程中，碳纖維植入物與不銹鋼植入物、鈦基合金植入物相比有明顯優(yōu)勢。

碳及其復合材料在骨科領域有較好的應用前景［8－9］，碳材料通常是被用做醫(yī)學金屬植入材料的涂層，很少用做整體的植入體或骨固定材料，用作整體的骨科植入體或骨固定材料還沒有在臨床應用。雖然碳纖維植入物具有比強度大、比模量高、抗疲勞性能好、可設計性強、破損安全性能好、生物相容性好等優(yōu)點［10－11］，但要成為臨床實用骨科植入物需克服如下問題［12］:碳纖維材料植入人體后會與周圍軟組織或骨組織發(fā)生摩擦，碳顆粒容易脫落;碳纖維材料為黑色，與人體骨顏色相差較大;需對材料表面改性，使其有一定的生物活性;會出現(xiàn)疲勞性問題;等等。

4 結論

通過研究得到如下結果:碳纖維骨科植入物相對于另外兩種植入物(不銹鋼植入物、鈦基合金植入物)，在放射治療的模擬定位及放射治療中有著不可比擬的優(yōu)勢，碳纖維骨科植入物在放射治療應用中有很好的應用前景。

到目前為止，還沒有商用碳纖維骨科植入物在臨床使用。為此，推動醫(yī)用碳纖維材料的研究和發(fā)展，對提高人類的健康水平和生活質(zhì)量具有重要的意義。

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