直線加速器細(xì)胞照射劑量方法探討

鄭祖安 付秀根 劉 飛 王俊峰 鄭 微 嚴(yán) 芳

(華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院腫瘤中心，武漢 430030)

直線加速器細(xì)胞照射劑量方法探討

鄭祖安 付秀根*劉 飛 王俊峰 鄭 微 嚴(yán) 芳

(華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院腫瘤中心，武漢 430030)

探討直線加速器細(xì)胞照射具有劑量學(xué)優(yōu)勢(shì)的照射方法。用醫(yī)用直線加速器照射細(xì)胞，機(jī)臂置0°垂直向下加1 cm補(bǔ)償物照射和機(jī)臂置180°向上加1 cm補(bǔ)償物照射，以及機(jī)臂置180°向上增加不同厚度的散射體五種方法照射，用劑量?jī)x分別測(cè)量每種方法的劑量;在TPS計(jì)劃系統(tǒng)中模擬計(jì)算每種方法的條件下的劑量;比較5種方法之間的劑量和每種方法的實(shí)際測(cè)量值和TPS計(jì)算值之間的差值。結(jié)果表明，機(jī)臂置180°向上加補(bǔ)償物照射實(shí)際測(cè)量劑量提高5.65%，與TPS計(jì)算值的差別為2.01%，具有劑量學(xué)優(yōu)勢(shì);機(jī)臂置180°向上加補(bǔ)償物和不同厚度散射體，實(shí)際測(cè)量劑量逐步提高，加5 cm厚度散射體照射實(shí)際測(cè)量劑量提高最顯著為10.26%且與TPS計(jì)算值相差值接近，對(duì)劑量影響最小。直線加速器細(xì)胞照射采用機(jī)臂置180°向上加補(bǔ)償物的照射方法，避免了培養(yǎng)皿照射時(shí)空腔效應(yīng)對(duì)照射劑量的影響;采用機(jī)臂置180°向上加補(bǔ)償物和散射體的照射方法，即避免了培養(yǎng)皿照射時(shí)空腔效應(yīng)對(duì)劑量的影響，同時(shí)也增加了劑量的背散效應(yīng)，具有劑量學(xué)優(yōu)勢(shì)，加5 cm厚度散射體的照射方法，實(shí)際測(cè)量的劑量值和TPS計(jì)算的劑量值更接近。

直線加速器;細(xì)胞照射;散射體;劑量

引言

腫瘤的基礎(chǔ)研究需要對(duì)所培養(yǎng)的或采集的細(xì)胞進(jìn)行照射，觀察測(cè)量細(xì)胞受照射以后的變化和反應(yīng)?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)大多醫(yī)院使用直線加速器治療腫瘤，使用Co-60治療機(jī)的醫(yī)院逐步減少，所進(jìn)行基礎(chǔ)研究的細(xì)胞照射，也采用直線加速器6 Mv-X線，其PDD(百分深度劑量)最大劑量點(diǎn)大多在模體表面下1.5 cm左右，與 Co-60γ線最大劑量點(diǎn)在模體表面下0.5 cm相比較深，故在直線加速器上所實(shí)施時(shí)，采用 6 Mv-X 射線照射，源物距 100 cm［1－2］，在射線入射方向上加1.5 cm補(bǔ)償物以作劑量建成［3］，目前尚無(wú)采用6 Mv-X射線對(duì)細(xì)胞照射方法劑量學(xué)研究的文獻(xiàn)報(bào)道。然而，細(xì)胞照射劑量描述是基于模體中的測(cè)量數(shù)據(jù)，依據(jù)輻射劑量學(xué)的衰減和分布原理行細(xì)胞照射時(shí)，細(xì)胞須置于劑量變化顯著的建成區(qū)之后［4－5］，培養(yǎng)皿內(nèi)細(xì)胞與皿蓋之間存在空腔或氣腔，由于空腔周?chē)纳⑸湄暙I(xiàn)變化，導(dǎo)致對(duì)實(shí)際接受的劑量存在影響［6－8］，另外培養(yǎng)皿后方缺乏散射體(文中稱(chēng)為背散)，小于8 Mv-X線照射要考慮反向散射［9］，這些因素均導(dǎo)致實(shí)體照射劑量與體模測(cè)量劑量存在差異，勢(shì)必造成研究成果在劑量定量方面存在瑕疵。本研究擬就加速器行細(xì)胞照射的方法進(jìn)行劑量學(xué)實(shí)驗(yàn)，探討具有劑量學(xué)優(yōu)勢(shì)的細(xì)胞照射方法。

1 材料與方法

1.1 材料

1.直線加速器為瑞典醫(yī)科達(dá)生產(chǎn)的ELEKTA PRECISE，其床板為中空的1 mm厚的塑料板，射線為6 Mv-X線，其建成深度為1.5 cm，射野采用40 cm ×40 cm，出束單位為 MU，1 MU=0.010 05 Gy。

2.劑量?jī)x為德國(guó)PTW生產(chǎn)的PTW UNIDOS劑量?jī)x，電離室0.6 cc，電離室平衡帽直徑1.5 cm。

3.劑量建成區(qū)材料和劑量散射體為測(cè)量專(zhuān)用的標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)玻璃板，厚度分別為 0.5、1、2、4 cm，大小為50 cm×50 cm。

4.計(jì)劃系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理軟件:治療計(jì)劃系統(tǒng)為瑞典醫(yī)科達(dá)生產(chǎn)的ELEKTA PRECISE PLAN計(jì)劃系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理軟件為8.0版本的 SAS統(tǒng)計(jì)分析軟件。

1.2 方法

1.2.1 細(xì)胞照射方法1

直線加速器機(jī)臂置0°，劑量?jī)x探頭加平衡帽置于治療床上，其上放置1 cm有機(jī)玻璃板，與探頭之間置留2 mm間隙，其周?chē)胖门囵B(yǎng)皿，模擬培養(yǎng)皿內(nèi)細(xì)胞與培養(yǎng)皿蓋之間的間隙，測(cè)量SSD=100 cm、100 MU時(shí)的劑量，見(jiàn)圖1(a)，重復(fù)測(cè)量5次，記錄數(shù)據(jù)。

1.2.2 細(xì)胞照射方法2

直線加速器機(jī)臂置180°，治療床上放置1 cm有機(jī)玻璃板，劑量?jī)x探頭加平衡帽置于其上固定，周?chē)胖门囵B(yǎng)皿，測(cè)量SSD=100 cm、100 MU時(shí)的劑量，見(jiàn)圖1(b)，重復(fù)測(cè)量5次，記錄數(shù)據(jù)。

圖1 培養(yǎng)皿細(xì)胞照射示意圖。(a)方法1機(jī)架0°;(b)方法2機(jī)架180°Fig.1 The sketch map of radiation methods of culture plates.(a)Method 1;(b)Method 2

1.2.3 細(xì)胞照射方法3

直線加速器機(jī)臂置180°，治療床上放置1 cm有機(jī)玻璃板，劑量?jī)x探頭加平衡帽置于其上，周?chē)胖门囵B(yǎng)皿，其上放置1 cm厚有機(jī)玻璃板作為散射體，測(cè)量SSD=100 cm、100 MU時(shí)的劑量，見(jiàn)圖2，重復(fù)測(cè)量5次，記錄數(shù)據(jù)。

圖2 加散射體的培養(yǎng)皿細(xì)胞照射方法示意圖Fig.2 The sketch map of radiation methods of culture plates with scattered bodies

1.2.4 細(xì)胞照射方法4和方法5

在方法3的基礎(chǔ)上分別將散射體換為3 cm和5 cm厚有機(jī)玻璃板，其余不變。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)SAS統(tǒng)計(jì)分析軟件處理，取平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，取值精度小數(shù)點(diǎn)后兩位數(shù)。

1.2.6 模擬計(jì)算劑量

在ELEKTA PRECISE PLAN治療計(jì)劃系統(tǒng)中，模擬上述5種照射方法的條件，分別計(jì)算電離室測(cè)量所在空間位置的劑量。

2 結(jié)果

2.1 5種細(xì)胞照射方法的劑量

上述不同細(xì)胞照射方法的實(shí)際測(cè)量值，經(jīng)過(guò)必要的統(tǒng)計(jì)處理結(jié)果，取平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，取值精度為小數(shù)點(diǎn)后四位數(shù)見(jiàn)表1，在PTS中模擬每種照射方法的條件進(jìn)行計(jì)算值的結(jié)果見(jiàn)表1。表1中實(shí)際測(cè)量值項(xiàng)，其數(shù)值均為5次測(cè)量的數(shù)值經(jīng)過(guò)SAS統(tǒng)計(jì)軟件處理的均值和誤差值，TPS計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值差值的百分比項(xiàng)的計(jì)算方法為

(TPS計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值差值的絕對(duì)值/TPS計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值的均值)×100% (1)

上述5種細(xì)胞照射方法中，TPS計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值逐步增加見(jiàn)表1，方法1的計(jì)算劑量和測(cè)量劑量與方法2以及其后的其他方法相差較大，方法3～方法5的劑量逐步增加，顯示方法1無(wú)劑量學(xué)優(yōu)勢(shì)。

2.2 培養(yǎng)皿的空腔效應(yīng)

方法1和方法2的測(cè)量結(jié)果和在TPS中模擬照射條件計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)表1，兩種方法的區(qū)別在于:方法2，機(jī)架置于180°時(shí)，培養(yǎng)皿置于作為劑量建成的有機(jī)玻璃板上，其內(nèi)為細(xì)胞，從射線入射方向上看，細(xì)胞與作為劑量建成區(qū)的有機(jī)玻璃板和培養(yǎng)皿底板緊密接觸無(wú)空腔，見(jiàn)圖1所示。

表1 不同照射方法的TPS計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值Tab.1 Measured values and calculated values of TPS for different methods

利用兩種照射方法的劑量增加值的百分比來(lái)比較兩種方法之間的優(yōu)勢(shì)，計(jì)算方法為

方法2和方法1的TPS計(jì)算值相差2.01%，方法2和方法1的實(shí)際測(cè)量值相差5.65%，即實(shí)際測(cè)量值提高了5.65%，考慮了空腔效應(yīng)的方法2明顯優(yōu)于方法1。

2.3 細(xì)胞照射的散射效應(yīng)

方法3是在方法2的基礎(chǔ)上，加1 cm厚、50 cm×50 cm有機(jī)玻璃作為散射體，見(jiàn)圖2所示，其實(shí)際測(cè)量結(jié)果和 TPS計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，方法4和方法5分別增加散射體厚度為3 cm和5 cm，劑量相應(yīng)增加。利用兩種照射方法的劑量增加值的百分比來(lái)比較各方法之間的優(yōu)勢(shì)，計(jì)算方法為式(2)。

方法3～方法5均采用了逐漸增加散射體厚度的方法，依次與前一種方法從TPS計(jì)算值相差值和實(shí)際測(cè)量值差值的百分比做比較，結(jié)果見(jiàn)表2。加散射體后的劑量和與相應(yīng)前一種方法之間的劑量差的百分比變化趨勢(shì)顯示:加散射體的照射方法的實(shí)際劑量比不加散射體的劑量增加較大，隨著散射體厚度的增加，實(shí)際劑量增加，但其差值百分比逐步減小，當(dāng)散射體為5 cm厚，面積足夠大(50 cm ×50 cm)時(shí)的實(shí)際劑量測(cè)量值和TPS劑量計(jì)算值變化最小。方法5相對(duì)方法1實(shí)際測(cè)量劑量提高了10.26%，總體看來(lái)第5種方法最具有劑量學(xué)優(yōu)勢(shì)。

3 討論

3.1 細(xì)胞照射時(shí)的空腔效應(yīng)

細(xì)胞或培養(yǎng)后的細(xì)胞進(jìn)行射線照射來(lái)研究細(xì)胞對(duì)射線的反應(yīng)及變化是基礎(chǔ)研究的方法之一，一般細(xì)胞培養(yǎng)需在培養(yǎng)皿內(nèi)進(jìn)行，照射時(shí)將培養(yǎng)皿置于射野內(nèi)，由于培養(yǎng)皿內(nèi)有細(xì)胞但不可能裝滿(mǎn)，細(xì)胞上表面與皿蓋之間有間隙，照射時(shí)需要考慮射線的空腔效應(yīng)對(duì)劑量的影響［6－8］。本研究的結(jié)果顯示:方法2考慮了培養(yǎng)皿空腔對(duì)劑量的影響，實(shí)際測(cè)量值和計(jì)算值均明顯優(yōu)于未考慮培養(yǎng)皿空腔劑量影響的方法1。實(shí)驗(yàn)用的培養(yǎng)皿有多種型號(hào)，作者認(rèn)為相關(guān)實(shí)驗(yàn)應(yīng)采用同一種型號(hào)的培養(yǎng)皿，采用同樣的方法進(jìn)行照射，將空腔效應(yīng)予以重視，實(shí)際劑量更準(zhǔn)確，以此方法所做的研究結(jié)果更具有可比性。

表2 不同厚度散射體照射方法劑量差別的比較Tab.2 Measured values and calculated values of TPS for methods with different scattered bodies

3.2 細(xì)胞照射時(shí)的背散效應(yīng)

模體內(nèi)的某一點(diǎn)的劑量貢獻(xiàn)，有原射線和來(lái)自加速器機(jī)頭的散射線，還有來(lái)自于這一點(diǎn)周?chē)慕M織或結(jié)構(gòu)的次級(jí)射線［9］，來(lái)自于某一點(diǎn)后面組織和結(jié)構(gòu)的次級(jí)射線稱(chēng)之為背散，由此產(chǎn)生的效應(yīng)和劑量變化稱(chēng)之為背散效應(yīng)。本研究中的細(xì)胞照射方法3～方法5均采用了增加散射體即背散效應(yīng)的方法，而且背散體的厚度隨之增加，結(jié)果顯示方法3和依次后面的方法與其前一種方法之間在TPS計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值都存在差別，而且差別逐步縮小，見(jiàn)表2，說(shuō)明有背散的照射方法優(yōu)于無(wú)背散的照射方法，在一定范圍內(nèi)背散越厚劑量越大，與計(jì)算值差別越小，兩兩照射方法的劑量差值比較結(jié)果支持這一觀點(diǎn)。

3.3 照射劑量與方法

細(xì)胞照射的劑量準(zhǔn)確，研究結(jié)果之間具有更強(qiáng)的可比性，更好地引導(dǎo)相應(yīng)的臨床研究。本研究中不考慮空腔劑量效應(yīng)和背散效應(yīng)的方法1計(jì)算值與實(shí)際值差別值最大，為5.51%，方法5考慮了劑量的空腔效應(yīng)和背散效應(yīng)，其計(jì)算值和測(cè)量值的差值為0.31%，最具優(yōu)勢(shì)，不同單位的研究所涉及的劑量大小不同，有 2 Gy［10］、4 Gy［1］、6 Gy［12］、8 Gy［11］、10 Gy［12］不等，如按照 TPS計(jì)算值照射，實(shí)施方法 1的2 Gy處方劑量，實(shí)際劑量為2.11 Gy，10 Gy的處方劑量實(shí)際劑量為10.551 Gy，實(shí)施方法5的 TPS計(jì)算值和實(shí)際劑量測(cè)量值分別為:2.006 Gy和10.031 Gy;方法5相對(duì)方法1具有明顯的劑量學(xué)優(yōu)勢(shì)。

細(xì)胞經(jīng)過(guò)射線照射后觀察其對(duì)射線的反應(yīng)以及變化的趨勢(shì)，作者認(rèn)為在利用直線加速器進(jìn)行細(xì)胞照射時(shí)，依據(jù)各單位細(xì)胞照射的實(shí)際條件，充分考慮細(xì)胞照射過(guò)程中影響照射劑量的空腔效應(yīng)和背散效應(yīng)，建議采用機(jī)架置于180°，射線從培養(yǎng)皿的底部向上照射，設(shè)置補(bǔ)償物作劑量建成、減少培養(yǎng)皿內(nèi)的空腔效應(yīng)和增加散射體使劑量準(zhǔn)確，散射體以5 cm以上為宜，以5 cm厚的水袋可替代有機(jī)玻璃板作為散射體。采取具有優(yōu)勢(shì)的細(xì)胞照射方法進(jìn)行照射，減少劑量學(xué)差異和不穩(wěn)定因素，提高研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性。

4 結(jié)論

直線加速器細(xì)胞照射采用機(jī)臂置180°向上加補(bǔ)償物的照射方法，避免了培養(yǎng)皿照射時(shí)空腔效應(yīng)對(duì)照射劑量的影響;采用機(jī)臂置180°向上加補(bǔ)償物和散射體的照射方法，即避免了培養(yǎng)皿照射時(shí)空腔效應(yīng)對(duì)劑量的影響，同時(shí)也增加了劑量的背散效應(yīng)，具有劑量學(xué)優(yōu)勢(shì)，加5 cm散射體的照射方法的最具優(yōu)勢(shì)，照射細(xì)胞的實(shí)際劑量更接近測(cè)量的劑量值和TPS計(jì)算的劑量值。采取具有劑量學(xué)優(yōu)勢(shì)的方法進(jìn)行細(xì)胞照射，減少劑量學(xué)差異和不穩(wěn)定因素，提高研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性。

［1］ 羅波，于世英，莊亮，等.Herceptin對(duì)X線照射后乳腺癌細(xì)胞DNA2PKcs表達(dá)和活性的影響［J］.腫瘤防治研究，2009，36(6):462－465.

［2］ 史德剛，石根明，黃鋼.A549肺腺癌多細(xì)胞球體放射抗拒細(xì)胞的化療藥物敏感性［J］.中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志，2006，26(2):155－158.

［3］ 張軍寧，洪承皎，朱壽彭.堿性單細(xì)胞凝膠電泳預(yù)測(cè)腫瘤細(xì)胞內(nèi)在輻射敏感性研究［J］.輻射研究與輻射工藝學(xué)報(bào)，2003，21(2):106－109.

［4］ Hendee WR.Mmedical radiation physics［M］.Chicago:Year Book Medical Publishers，INC，1970:225 －282.

［5］ 殷蔚伯，谷銑之，陳東福，等.腫瘤放射治療學(xué)［M］.北京:中國(guó)協(xié)和醫(yī)科大學(xué)出版社，2002:103－116.

［6］ Scrimger JW.Effect of air gap on absorbed dose in tissue［J］.Radiology，1972，102:171

［7］ Nilsson B，Schnell PO.Build-up effect at air cavities measured with thin thermol uminescent dosimeters［J］.Acta Radiol Ther Phys Biol，1976，15:427.

［8］ 肖澤久，王建宇，錢(qián)渡江，等.高能X線放療中氣腔問(wèn)題的探討［J］.中華放射腫瘤學(xué)雜志，1994，3(3):189－191.

［9］ 胡逸民，張宏志，戴建榮.腫瘤放射物理學(xué)［M］.北京:原子能出版社，1999:159－161.

［10］ 羅波，于世英，莊亮，等.AG825對(duì)乳腺癌細(xì)胞的輻射增敏作用［J］.中國(guó)腫瘤臨床，2008，35(19):1131－1134.

［11］ 熊華，莊亮，袁響林，等.RNAi抑制 Survivin基因表達(dá)對(duì)宮頸癌Siha細(xì)胞輻射敏感性的影響［J］.腫瘤，2008，28(1):25－28.

［12］ 莊亮，于世英，黃曉圓，等.宮頸癌細(xì)胞株和正常間質(zhì)細(xì)胞株受X線照射后的輻射效應(yīng)［J］.中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志，2007，27(3):241－244.

Investigation of the Radiation Methods of the Experimental Cell on the Linear Accelerator

ZHENG Zu-An FU Xiu-Gen*LIU FeiWANG Jun-Feng ZHENG WeiYAN Fang
(Department of Oncology，Tongji Hospital，Tongji Medical College，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430030，China)

linear accelerator;experimental cell radiation;scattered body;dose

R318.08

D

0258-8021(2012)05-0781-04

10.3969/j.issn.0258-8021.2012.05.020

2012-03-13，錄用日期:2012-07-28

*通信作者。 E-mail:fuxiugen@163.com