不同密度覆盖物对放射治疗表浅剂量的影响.pdf

1医疗装备 2024 年 3 月第 37 卷第 6 期 Medical Equipment,March.2024,Vol.37,No.6不同密度覆盖物对放射治疗表浅剂量的影响高雅，王岩，曾志鹏，陈国祥（通信作者）浏阳市人民医院（湖南长沙410300）摘要目的探究放射治疗过程中不同密度覆盖物对表浅剂量的影响。方法应用蒙特卡洛程序 EGSnrc 模拟直线加速器的 6 MV 光子束，并在加速器射束中心且源皮距 100 cm处设置 30 cm30 cm30 cm 的水模体对加速器射束的百分剂量深度准确性进行验证；然后构建模拟人体的组织模体（尺寸为 30 cm30 cm30 cm），并在组织模体表面覆盖 5 mm 厚的放射治疗常见覆盖物（石蜡、湿纱布、商用补偿膜 Bolus 及热塑膜），模拟加速器光子束照射模体过程，收集组织模体表面下射束中心轴百分深度剂量进行分析。为排除增加 0.5 cm 建成区域带来的影响，在组织模体表面覆盖与组织模体相同材质的覆盖物，收集相同条件下的照射结果并与上述结果进行比较。结果EGSnrc 模拟的 6 MV 射束在水模体中的百分深度剂量与加速器实际测量值的差异 1%；与无覆盖物相比，4 种不同密度的覆盖物均能增加一定的模体表浅剂量，且剂量增幅随模体深度增加逐渐降低；不同覆盖物下组织模体的剂量增幅最大处均为组织模体表面，石蜡、湿纱布、商用补偿膜 Bolus 及热塑膜产生的增加幅度分别为 36.45%、42.42%、43.23%及 54.79%，剂量增幅随覆盖物密度增大呈现递增趋势，最大剂量点处剂量分别变化-0.49%、-0.59%、-0.65%及-1.15%；在相同深度且模体表面下深度 1 cm 时，不同覆盖物的深度剂量与材料密度具有显著相关性（P0.05）；与组织模体密度比较，覆盖物密度差异越大对组织模体剂量的影响越大，其中与组织模体密度差异最大的热塑膜剂量增幅为 7.54%，密度差异最小的水增幅约为 1%。结论不同密度的表面覆盖物均会增加组织模体表浅剂量，且剂量增幅随深度增加逐渐降低；不同覆盖物的深度剂量与覆盖物密度显著相关；不同材料覆盖物对表浅剂量的影响存在差异，覆盖物与组织模体密度差异越大对接触面表浅剂量的影响越大，但常见表皮覆盖物的相对密度差异不大，因此剂量影响主要来源于覆盖物造成的可预见建成区深度的增加。关键词EGSnrc；蒙特卡洛程序；密度；覆盖物；表浅剂量；百分深度剂量中图分类号R730.55 文献标识码B 文章编号1002-2376（2024）06-0001-05DOI10.3969/j.issn.1002-2376.2024.06.001收稿日期：2023-05-24论著The Effect of Different Density Coverings on the SuperficialGao Ya,Wang Yan,Zeng Zhipeng,Chen Guoxiang(Corresponding Author).Liuyang Peoples Hospital,Changsha Hunan 410300,China【Abstract】ObjectiveTo investigate the effect of different density coverings on superficial dose during radiation therapy.MethodsWith the application of Monte Carlo program(EGSnrc)to simulate the accelerator 6 MV photon beam,at the center of the accelerator beam and the source skin distance 100 cm,30 cm30 cm30 cm water phantom was set to verify the accuracy of the percentage dose depth of the accelerator beam;Afterwards,with the construction of a tissue phantom simulating the human body(with a size of 30 cm30 cm30 cm),common covering materials(paraffin,wet gauze,commercial compensation film Bolus,and thermoplastic film)for radiation therapy with a thickness of 5 mm were covered on the surface of the tissue phantom.Meanwhile,with the simulation of the process of accelerator photon beam irradiation on the phantom,the percentage depth dose of the beam center axis below the surface of the tissue mold was collected and analyzed.To eliminate the impact of adding 0.5 cm of built-up area,the covering material with the same material for the tissue phantom was covered on the surface of the tissue phantom,and the irradiation results under the same conditions were collected and compared with the above results.ResultsThe difference between the percentage depth dose of the 6 MV beam simulated by EGSnrc in the water model 2医疗装备 2024 年 3 月第 37 卷第 6 期 Medical Equipment,March.2024,Vol.37,No.6目前，放射治疗已成为治疗癌症患者的三大方法之一。调强放射治疗（intensity modulated radiation therapy，IMRT）作为精准放射治疗的手段之一，被临床广泛应用1-2。但由于 IMRT 的高能 X 线与物质作用存在建成效应（接受一定剂量的特定物质后，机体产生某种生物学反应的大小或强度随着剂量不同而明显变化的一种关系），其表浅剂量一直是临床关注的重点。特别是靶区靠近皮肤的乳腺癌和头颈部肿瘤，若表浅剂量不足，将导致肿瘤控制效果差，容易复发；若表浅剂量过高，则会损伤皮肤，影响治疗进程。放射治疗常用的覆盖物主要有用于提高表浅剂量的组织补偿物（包括石蜡、湿纱布、商用补偿膜 Bolus 等3-4）及用于体位固定的热塑膜。这些不同密度的覆盖物尽管作用不同，但均通过以下作用影响表浅剂量：（1）两介质交界面的密度差异导致原来的次级电子平衡被打破，次级电子主要集中于密度较小的一侧，导致密度小的一侧表浅剂量升高；（2）增加覆盖物后客观增加了建成区域的深度，导致表浅剂量升高。目前，尚无针对不同密度覆盖物对表浅剂量影响进行研究的相关报道。基于此，本研究旨在探讨放射治疗过程中不同密度覆盖物对表浅剂量的影响，现报道如下。1 材料与方法1.1 蒙特卡洛程序（EGSnrc）EGSnrc 是由加拿大国家研究院于 1995 年开发的用于执行模拟粒子与物质相互作用的通用蒙特卡洛程序，可模拟动能 1 keV 至 10 GeV 的光子、电子和正电子在材料中的作用过程。EGSnrc 是EGS4 软件包的扩展和改进版本，改进了对带电粒子作用的过程，拥有更精确的低能量截面，同时增加了 egs+类库，可实现复杂的几何图形和粒子源建模，是目前医学物理学使用最广泛的蒙特卡洛程序之一。1.2 覆盖物本研究利用 EGSnrc 中的材料包对不同密度覆盖物及组织模体进行建模。覆盖物选择比人体组织密度小的石蜡、与人体组织密度差异较小的湿纱布（以水为主要作用介质）和临床应用广泛的商用补偿膜Bolus，以及密度较大的热塑膜。石蜡、湿纱布、商用补偿膜Bolus、热塑膜的密度分别为0.93、1.00、1.03、1.19 g/cm3。为使模拟数据更贴近实际使用情况，组织模体设置为人体组织替代材料，密度为 1.00 g/cm3，元素组成为 H、C、N 及 O，质量分数为 0.100.110.030.76。1.3 方法1.3.1 射束模拟根据瓦里安直线加速器厂家和医院提供的百分深度剂量数据，利用EGSnrc程序包建立射束模型、照射环境模型及模体模型。本研究仅涉及开野照射，未考虑多叶光栅（mutiple leaf collimators，MLC）组件。射束模拟采用简化模型，射束方向为沿 z 轴正方向，在源皮距（放射源中心至体表照射野中心的距离）100 cm 位置处生成 6 MV 准直光子束，经过准直器后，照射在 z=0 的水模体表面，射野大小为10 cm10 cm，水模体为30 cm30 cm30 cm。水模体远大于照射野，可减少周围材料电子密度差异对模拟结果的干扰。直线加速器照射模型示意图and the actual measured value of the accelerator was less than 1%;Compared with no cover,all four cover with different densities could increase the superficial dose of the phantom to varying degrees,and the magnitude of dose increase gradually decreased with the increase of phantom depth;Under different coverings,the maximum dose increase was at the surface of the tissue phantom.The magnitude of increase for paraffin,wet gauze,commercial compensation film Bolus and thermoplastic film were 36.45%,42.42%,43.23%and 54.79%,respectively.The magnitude of increase in dose showed a decreasing trend with the increase in covering density,the dose at the maximum dose point varied by-0.49%,-0.59%,-0.65%,and-1.15%,respectively;At the same depth and under the mold surface depth 1 cm,the depth dose of different coverings was significantly correlated with the material density(P0.05).Compared with the density of the tissue phantom,as the difference in coverage density increased,the dose effect on the tissue phantom became greater.The magnitude of dose increase of the thermoplastic film with the largest density difference from the tissue model was 7.54%,and the magnitude of increase of water with the smallest density difference was about 1%.ConclusionsThe surface coverings with different densities increase the superficial dose of the tissue mold to different degrees,and the influence decreases with the increase of depth;The depth dose of different coverings is significantly correlated with its density;There are differences in the impact of different material coverings on superficial dose.The larger the density difference between the cover and the tissue phantom has a greater impact on the shallow dose of the contact surface.However,for common epidermal coverings,there was little difference in relative density,and the dose effect was mainly due to the predictable increase in built-up area depth caused by the coverings.【Key words】EGSnrc;Monte Carlo program;Density;Covering material;Superficial dose;Percentage depth dose 3医疗装备 2024 年 3 月第 37 卷第 6 期 Medical Equipment,March.2024,Vol.37,No.6见图 1。图中上方 2 对紧贴的长方形结构为 x、y 铅门，下面方形模体为水模体。A 正视图 B 左视图 C 俯视图 图 1直线加速器照射模型本次模拟中，电子输运截止能量为 0.521 MeV，光子输运截止能量为 0.010 MeV，碰撞产生的电子最低能量为 0.521 MeV，韧致辐射产生的光子最低能量为0.010 MeV，电子最大分次能量损失为0.25%，电子多级散射算法为 PRESTA，方差减少技术为定向轫致辐射分裂并考虑散射电子的自旋效应。计算结果不确定性 1%。为了尽量减少模拟数据所带来的涨落误差，实验模拟了 108 个事件计算水模体中百分深度剂量，并与实际治疗射束测量数据进行比较。1.3.2 照射实验模拟在组织模体表面分别覆盖 30 cm30 cm0.5 cm的石蜡、湿纱布、商用补偿膜 Bolus 及热塑膜，并收集不同表皮覆盖物下组织模体中心轴的百分深度剂量。1.4 剂量学分析与统计学分析利用构建的组织模体模型，分别计算厚度为0.5 cm 的石蜡、湿纱布、商用补偿膜 Bolus 及热塑膜对组织模体中心轴百分深度剂量分布的影响，并与不添加覆盖物及添加与组织模体相同材料覆盖物的剂量分布进行比较，以探究建成区域深度变化对表浅剂量的影响。不同覆盖物间，相同深度剂量与覆盖物密度利用 MATLAB 软件进行 Pearson 相关性分析。P0.05 为差异有统计学意义。2 结果2.1 射束模拟结果EGSnrc 模拟 6 MV 光子束百分深度剂量与医院测量结果的比较见图2。部分百分深度剂量见表1。由表 1 数据可知，EGSnrc 模拟的 6 MV 射束与直线加速器的实际测量值差异 1%，符合 Dayoush 调试蒙卡参数建议5。2.2 照射实验模拟结果图 3 为无覆盖物及分别添加 4 种不同密度覆盖物模拟的组织模体中心轴百分深度剂量分布。表 3图 2蒙特卡罗计算 10 cm10 cm 射野中心轴百分深度剂量与直线加速器实际测量值比较表 1蒙特卡罗计算部分深度剂量与直线加速器实际测量值比较模体深度（cm）蒙卡计算值参考值相对误差（%）0.1 62.061.70.480.2 69.368.70.870.3 76.577.10.780.4 81.781.10.740.5 86.085.70.351.0 97.798.60.911.5100.099.90.102.0 99.298.50.712.5 97.196.50.623.0 95.494.80.84为上述模拟情况下，组织模体表面下不同深度的剂量误差。为方便各实验组间比较，各组间剂量归一于该组最大剂量。本次模拟主要关注模体表浅剂量，因此仅讨论模体下 2 cm 深度内的剂量。由图 3 可知，表面添加不同密度覆盖物，在模体表面下 02 cm 深度范围内均可有效提高组织模体表面剂量，组织模体表皮下（模拟中收集能量步长设置为 0.1 cm，因此以模体表面下厚度 0.1 cm 的中心轴百分剂量表示）为剂量增幅最大点，剂量增幅随着深度增加逐渐降低。由表 3 可知，剂量增加幅度最大处位于模体表面下 0.1 cm，剂量增幅最低为石蜡，比无覆盖物时剂量增加 36.45%，而剂量增幅最高为热塑膜，达到 54.79%。湿纱布和商用补偿膜 Bolus 的增幅为 42.42%43.23%。相同深度下不同覆盖物间剂量随材料密度增加均有所增加。当模体表面下深度 1 cm 时，各组差异有统计学意义（P1 cm 时，各组差异无统计学意义（P0.05）。由于模体表面增加了 0.5 cm 厚度的覆盖物，客观上增加了建成区域，提高了模体表浅剂量。为了消除建成区域对模体表浅剂量的影响，本次模拟设置了与组织模体材料一致的表皮覆盖物作为参考组。去除建成区域对模体表浅剂量的影响后，不同4医疗装备 2024 年 3 月第 37 卷第 6 期 Medical Equipment,March.2024,Vol.37,No.6图 3不同覆盖物下组织模体表面不同深度剂量与无覆盖物对比误差表 3不同覆盖物下组织模体表面不同深度剂量与无覆盖物的误差覆盖物密度（g/cm3）组织模体表面下不同深度剂量误差（%）0.1 cm0.2 cm0.3 cm0.4 cm石蜡0.9336.4525.1518.2212.01湿纱布1.0042.4230.6121.8314.58商用补偿膜 Bolus1.0343.2332.3321.6515.23热塑膜1.1954.7937.9627.0919.76P0.0030.0260.0130.024覆盖物密度（g/cm3）组织模体表面下不同深度剂量误差（%）0.5 cm1.0 cm1.5 cm2.0 cm石蜡0.93 8.482.13 0.49 0.21湿纱布1.0010.432.65-0.51-1.60商用补偿膜 Bolus1.0311.062.54-0.65 0.98热塑膜1.1914.602.09 1.12-1.02P 0.017 0.694 0.488 0.674覆盖物下组织模体表面不同深度剂量与无覆盖物的误差结果见表 4。各组剂量差异最大为热塑膜表面下 0.1 cm，达到 10.85%。表 4消除建成区域影响后 4 种覆盖物与组织材料不同深度剂量的误差覆盖物材料密度（g/cm3）组织模体表面下不同深度剂量误差（%）0.1 cm0.2 cm0.3 cm0.4 cm组织模体材料（参考组）1.0043.9431.4722.1415.28石蜡0.93-7.49-6.32-4.92-3.27湿纱布1.00-1.52-0.86-1.31-0.70商用补偿膜 Bolus1.03-0.71 0.86-1.49-0.05热塑膜1.1910.85 6.49 3.95 4.48覆盖物材料密度（g/cm3）组织模体表面下不同深度剂量误差（%）0.5 cm1.0 cm1.5 cm2.0 cm组织模体材料（参考组）10.99 2.78-0.17 0.27 0.21石蜡-2.51-0.65 0.32-0.06-1.60湿纱布-0.56-0.13 0.34 1.33 0.98商用补偿膜 Bolus 0.07-0.24 0.48 0.71-1.02热塑膜 3.61-0.69 0.95 0.75 0.673 讨论由于 X 线剂量建成效应的影响，浅表肿瘤进行放射治疗时存在靶区剂量不足的情况。临床常用补偿膜等措施提高 X 线剂量建成区的剂量。而 X 线与物质作用的 3 种主要方式（光电效应、康普顿效应、电子对效应）均与 X 线能量及吸收物质的原子序数有关。本次模拟的 6 MV 光子能量的康普顿散射占优势，射线在介质中的衰减主要依赖介质的电子密度6。不同材料的补偿物由于元素组成不同、各元素的质量分数不同，因此对表浅剂量的影响也各不相同。而放射治疗计划设计中往往只有提前设置好的虚拟补偿膜，与实际使用情况存在差异，可能导致实际治疗时肿瘤及危及器官所受剂量与计划系统的剂量存在一定差异，最终影响疗效。国内外就表皮补偿物对剂量的影响做了很多相关研究，研究内容主要分为 3 个方面：算法评估表浅剂量、实验测量表浅剂量及不同放射治疗技术对表浅剂量的影响。浅表剂量的评估算法主要有两种。一种为蒙特卡罗模拟计算。如王君辉等7利用 Geant4 软件探讨补偿膜与浅表组织间隙对浅表剂量学的影响。另一种为商用计划系统算法计算。如 Cao 等8基于瓦里安 Eclipse 计划系统的 ABX、AAA、PBC 及 CCC 4 种算法对乳腺癌放射治疗的表浅剂量进行计算，分析 4 种算法的精度；孔栋等9基于 MC 模拟和计划系统计算结果验证了商用补偿膜 Bolus 下空腔大小对 AAA 算法的影响；阮长利等10通过计划系统算法对比分析了组织等效补偿膜对 IMRT 剂量的影响；杨玉刚等11发现靶区适形指数、肺 V20及加速器跳数均随补偿膜厚度的增加而减小；吴哲等12探讨了商用补偿膜 Bolus 厚度和使用次数对乳腺癌根治术后 IMRT 皮肤剂量的影响。实验测量方面的研究如下：Lee 等13发现使用头颈固定面罩比不使用时表浅剂量增加 18%；汤锐明等14的研究发现，使用 6 MV 光子束照射时，覆盖热塑体膜的皮肤表面比无覆盖时增加了 36.2%；另外还有单国平等15、姚晔等16、贺晓东等17分别通过不同实验测量热塑膜、石蜡等覆盖物对皮肤剂量的影响，均得出表面覆盖物可大幅提高皮肤表浅剂量的结论。以上研究主要关注表浅剂量的算法及精度、实验测量方法或探究某种表面覆盖物对模体表浅剂量的影响，并未针对不同覆盖物的密度差异对表浅剂量的影响进行探究。而蒙特卡罗程序作为剂量计算的金标准，包含丰富的物理过程，更贴近于 X 线、线与物质的实际相互作用，可以准确计算复杂情况下射线在介质中的剂量。本研究利用 EGSnrc 对直线加速器 6 MV 光子5医疗装备 2024 年 3 月第 37 卷第 6 期 Medical Equipment,March.2024,Vol.37,No.6束进行建模，并计算 30 cm30 cm30 cm 的水模体中心轴百分深度剂量，与医院实测数据进行比对，各深度计算点误差均 1%。由于本研究主要关注不同密度覆盖物对表浅剂量的影响，因此分别在组织模体上方增加厚度为 0.5 cm 而密度不同的石蜡、湿纱布、商用补偿膜 Bolus 及热塑膜。由百分深度剂量计算结果可以看出，所有材料均会提高组织模体表浅剂量，提高幅度为 36.45%54.79%。出现这种现象的原因主要是由于射线入射路径上、组织模体中同一深度处加覆盖物后的有效深度比不加时大，而在百分深度剂量曲线建成区域剂量随深度增加而增大。当模体深度 1 cm 时，相同深度不同覆盖物间剂量随材料密度增加均有所增加，且非零相关的假设检验值 P0.05，证明覆盖物密度与表浅剂量存在显著相关性。表 4 列出 4 种覆盖物与组织材料覆盖物百分深度剂量之间的误差，最大为热塑膜（10.85%）。这说明虽然不同材料对模体表浅剂量的影响存在差异，但就目前常见的覆盖物来说，影响主要由覆盖物增加建成深度造成。综上所述，放射治疗时如需使用补偿膜，应尽量使用密度接近人体组织的商用补偿膜 Bolus，如果使用密度小于人体组织的材料，要适当考虑增加材料厚度。使用热塑膜时则要考虑减少对皮肤的影响，如果不需要照射皮肤，可在保证体位固定效果的前提下，剪开部分热塑膜，降低建成效应，增加治疗舒适度。由于条件限制，本研究存在如下不足：受模拟计算效率影响，仅实现了 10 cm10 cm 射野下的剂量分布研究，未分析射野变化对组织剂量的影响；同时，受模体材料来源限制，未分析更多不同密度材料在不同能量射线照射下的等剂量分布，有关内容将在进一步研究中探索。参考文献1 Kam MK,Teo PM,Chau RM,et al.Treatment of nasopharyngeal carcinoma with intensity-modulated radiotherapy andfollow-up with plasma Epstein-Barr virus deoxyribonucleic acid level:the Hong Kong experienceJ.Int J Radiat Oncol Biol 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