常見固定義齒對放療劑量分布影響的模擬研究

劉宏 黃順平 肖楊 李恒 吳艷 張雅倩

(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院腫瘤中心，重慶 401336)

目前放射治療為頭頸部腫瘤首要治療手段，部分患者體內(nèi)的某些金屬植入物，如義齒等，對放射治療劑量的計(jì)劃與實(shí)施會產(chǎn)生不良影響，成為腫瘤精準(zhǔn)放療的障礙和安全隱患[1-3]。何雪平等[4]利用蒙特卡洛N粒子傳輸代碼(MCNP)模擬分析了不銹鋼、鈦合金植入物對放射治療劑量分布的影響，結(jié)果顯示不銹鋼植入物對劑量分布的影響大于鈦合金植入物。MULLER等[5]評估了鈦合金植入物對于放射治療劑量分布的影響，結(jié)果顯示鈦合金植入物引起的誤差超出臨床可接受范圍，建議使用兆伏級電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行掃描并進(jìn)行劑量計(jì)算。黃濤等[6]利用放射治療計(jì)劃系統(tǒng)分析了金屬義齒在鼻咽癌放療中對放射治療劑量分布的影響，結(jié)果顯示金屬義齒對靶區(qū)均勻性指數(shù)具有較大影響，同時降低了靶區(qū)接受劑量，增加了口腔黏膜的接受劑量。LIN等[7]利用蒙特卡羅算法評估結(jié)果顯示，卷積疊加法無法精確計(jì)算金屬髖關(guān)節(jié)引起的邊緣散射和反向散射，高估高密度非水材料的衰減率，導(dǎo)致靶區(qū)劑量不足。目前針對義齒造成劑量分布影響的研究多局限于單一金屬材料，根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果顯示，目前口腔義齒中氧化鋯全瓷牙各占31%，鈦合金義齒約占28%，鎳鉻合金義齒與鈷鉻合金義齒各占20%。由于實(shí)際測量無法完成射野中心軸百分劑量深度(PDD)與義齒周邊離軸曲線(Profile)數(shù)據(jù)采集，本研究以粒子劑量計(jì)算金標(biāo)準(zhǔn)的蒙特卡羅方法進(jìn)行模擬計(jì)算，通過與正常牙齒材料比對，探究以上義齒材料對放射劑量分布的影響，為臨床進(jìn)行放射治療計(jì)劃的設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

使用加拿大國家研究院(NRCC)開發(fā)設(shè)計(jì)的EGSnrc系列程序[8-9]進(jìn)行模擬計(jì)算，使用BEAMnrc建立加速器結(jié)構(gòu)模型[10-12]，機(jī)頭主要由靶材料、初級準(zhǔn)直器、均整器、監(jiān)測電離室、反射鏡、次級準(zhǔn)直器以及多葉光柵等組成。采用呈高斯分布FWHM 0.075 cm的6 MeV電子源，相空間結(jié)構(gòu)100 cm，射野大小10 cm×10 cm，生成對應(yīng)相空間文件。

利用EGSgui通過PEGS Date生成如表1所示的相應(yīng)義齒材料反應(yīng)截面以及系統(tǒng)能夠識別的材料數(shù)據(jù)，其中正常牙齒使用由SCHNEIDER等[13]提出的“SCHNEIDER方法”將電子計(jì)算機(jī)掃描值(CT值)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的物質(zhì)密度與元素組成，用所選組織的密度和材料成分進(jìn)行插值計(jì)算，進(jìn)而推導(dǎo)出CT值與組織參數(shù)的函數(shù)關(guān)系。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)擬合相比，使用這種插值函數(shù)的方法精度損失較少[14]。

表1 正常牙齒及常用義齒的主要成分及密度表

利用Dosxyznrc進(jìn)行體素能量沉淀計(jì)算[15-17]，設(shè)置模體的大小為10 cm×10 cm×10 cm，義齒的大小為1 cm×1 cm×1 cm，體素的大小為0.2 cm×0.1 cm×0.1 cm，以生成的相空間文件作為入射源。為了更加貼合實(shí)際，將模體材料及其深度分別設(shè)置：以0～2.0 cm為軟組織模體(TISSUE700ICRU)，以2.1～3.0 cm為義齒材料，以3.1～20.0 cm為軟組織模體，分別測量A、B、C點(diǎn)位置放射劑量(圖1)。

以輻射光子分裂技術(shù)(BPS)提高劑量以產(chǎn)生效率，全局范圍電子截止能量(ECUT)為0.70 MeV，全局范圍光子截止能量(PCUT)為0.01 MeV,邊界穿越算法采用PRESTA-I，以提高高能粒子的利用效率，其余采用默認(rèn)設(shè)置[18]。利用直接韌致輻射(DBS)技術(shù)減小統(tǒng)計(jì)誤差，模擬粒子數(shù)108個。使用statdose進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。

1：射線源，2：固定義齒，3：軟組織模體，A：固定義齒上方1 mm處，B：固定義齒下方1 mm處，C：固定義齒左側(cè)1 mm處

2 結(jié) 果

本研究結(jié)果顯示，義齒劑量衰減梯度明顯高于正常牙齒，義齒下方軟組織接受劑量明顯降低；同時在軟組織與義齒交界面模體下1.9、3.1 cm處會發(fā)生劑量躍變。在義齒上方會由于反向散射，使軟組織接受劑量明顯增大，在義齒下方明顯減少，而在義齒下方，則使放射劑量減小，如圖2a所示。相對于正常牙齒，鈦合金義齒、氧化鋯全瓷牙、鈷鉻合金義齒、鎳鉻合金義齒均使上方組織的放射劑量分別升高14.2%、11.2%、9.6%、9.2%；氧化鋯全瓷牙、鈦合金義齒、鎳鉻合金義齒、鈷鉻合金義齒使下方組織放射劑量分別減少17.5%、15.9%、22.9%、23.1%。

同時選取模體下1.9、3.1 cm Profile進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2b所示，義齒上方射野中心軸劑量明顯高于射野邊緣，橫向劑量衰減明顯，其中氧化鋯全瓷牙該現(xiàn)象最明顯，鈦合金義齒、鎳鉻合金義齒、鈷鉻合金義齒無明顯差異，可見反向散射與材料的關(guān)系較大。在義齒下方軟組織接受劑量平坦度受材料影響差異較小，但同樣具有射野中心軸劑量高于射野邊緣劑量現(xiàn)象。

選擇義齒側(cè)方1 mm處進(jìn)行PDD采集，分析邊緣散射對軟組織劑量接受的影響，如圖2c所示，在義齒側(cè)方軟組織均有不同程度的劑量升高現(xiàn)象，相對于正常牙齒，氧化鋯全瓷牙、鈦合金義齒、鎳鉻合金義齒、鈷鉻合金義齒使側(cè)方組織的放射劑量分別升高了2.0%、4.1%、2.4%、1.4%。劑量升高現(xiàn)象在模體側(cè)方2.1 cm處達(dá)到最大，主要考慮為邊緣散射與反向散射疊加效應(yīng)，而且隨深度增加該差異逐漸消失。

a：射野中心軸PDD，b：模體下1.9與3.1 cm處Profile，c：義齒側(cè)方1 mm處PDD

3 討 論

目前關(guān)于金屬植入物對于放療劑量分布影響的研究，大多主要是針對鈦合金和不銹鋼材質(zhì)的植入物，且元素成分單一，無法避免CT圖像金屬偽影的影響[19-21]，另外研究結(jié)果僅顯示劑量分布影響與密度呈正相關(guān)，結(jié)論較為單一。本研究針對的是目前口腔臨床中常用的4種不同材料義齒，并與正常牙齒進(jìn)行對比，且每一種牙齒材料均細(xì)化到了元素成分并計(jì)算其密度。結(jié)果顯示，在軟組織與義齒交界面模體下方會發(fā)生劑量躍變，在義齒上方會由于反向散射使軟組織接受劑量相對于正常牙齒接受劑量明顯升高。鈦合金義齒和氧化鋯全瓷牙兩種材料的密度均低于鎳鉻合金義齒與鈷鉻合金義齒，但何雪平等[4]的研究結(jié)果顯示，在不銹鋼(7 g/cm3)、鈦合金植入物的入射面劑量相對于水分別大約有24%、20%的提高，與本研究結(jié)果的鈦合金義齒上方相對于正常牙齒放射劑量增加了14.2%具有一定差異。主要考慮鈦合金義齒雖然密度低于另外兩種合金材料，但鈦合金義齒含有較高比例的高原子序數(shù)材料鈮、鉭，因此組織放射劑量受金屬反散射與邊緣散射影響的大小取決于材料密度與元素成分。

本研究結(jié)果顯示，相對于正常牙齒，鈦合金義齒、氧化鋯全瓷牙、鈷鉻合金義齒、鎳鉻合金義齒使上方組織的放射劑量分別升高了14.2%、11.2%、9.6%、9.2%；氧化鋯全瓷牙、鈦合金義齒、鎳鉻合金義齒、鈷鉻合金義齒使下方組織放射劑量分別減少17.5%、15.9%、22.9%、23.1%。在義齒下方軟組織接受劑量隨密度與材料變化差異明顯，但隨深度增加差異逐漸縮小，與何雪平等[4]、MULLER等[5]的研究結(jié)論一致。主要考慮在高密度材料邊緣降低了次級電子的產(chǎn)生，導(dǎo)致軟組織接受劑量降低。在義齒側(cè)方軟組織均有不同程度的劑量升高現(xiàn)象，在人體軟組織模體側(cè)方2.1 cm處達(dá)到最大，主要考慮邊緣散射與反向散射疊加效應(yīng)。綜合比較，相對于正常牙齒，在常用的4種固定義齒材料中，對劑量分布影響最大為鈦合金義齒，最小為氧化鋯全瓷牙。

本研究顯示，義齒對于放療劑量分布的影響主要集中在射野路徑方向，會明顯增加義齒上方組織接受劑量，如在頭頸部等位置放射治療時會產(chǎn)生劑量學(xué)差異[22-24]。因此，在進(jìn)行頭頸部放療時需盡量避免有穿過固定義齒的射野，或減少穿過固定義齒射野的權(quán)重[25-27]。黃濤等[6]研究顯示，靠近金屬義齒部分的口腔黏膜劑量增加了5%～10%?？赏ㄟ^口含器增加義齒與口腔黏膜的距離降低該副反應(yīng)發(fā)生概率。MULLER等[5]研究顯示，千伏級CT對于金屬CT值識別具有一定局限性，同種材料不同CT掃描下劑量計(jì)算差異達(dá)2%，因此MULLER等[5]建議使用兆伏級CT進(jìn)行掃描。在趙培峰等[28]應(yīng)用密度填充及偽影消減技術(shù)研究中，通過提高金屬植入物患者調(diào)強(qiáng)放療劑量分布準(zhǔn)確度的方法，來降低金屬偽影對于義齒邊緣散射計(jì)算的影響。除了衰減效應(yīng)和疊加效應(yīng)對劑量分布的影響，在以CT為基礎(chǔ)勾畫靶區(qū)制作三維治療計(jì)劃的過程中，金屬偽影會導(dǎo)致治療靶區(qū)的劑量控制率降低，正常組織和危及器官的并發(fā)癥發(fā)生概率增加。因此，在放療計(jì)劃系統(tǒng)制定過程中，需更完善的算法來減少金屬植入物產(chǎn)生的CT圖像偽影，并精準(zhǔn)計(jì)算義齒對放療劑量分布的影響。

綜上所述，在制作頭頸部放療計(jì)劃時需盡量避免射野穿過固定義齒，或減少穿過固定義齒射野的權(quán)重。在實(shí)際臨床應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮不同型號和材料的固定義齒對劑量分布造成的影響，必要時需針對不同材料義齒對放射劑量分布影響進(jìn)行分析，以降低相關(guān)治療風(fēng)險。