电子线照射剂量学

电子线照射剂量学第七章电子线照射剂量学高能电子线在现代肿瘤放射治疗中有着重要的地位，特别是对表浅肿瘤(深度小于5cm)的治疗，其射野的简明和剂量分布的优越使之几乎成为唯一的选择。高能电子线因其剂量特性而能避免靶区后深部组织的照射，这是电子线优于高能X线的地方，也是电子线最重要的剂量学特点。据统计，在接受放射治疗的患者中，10～15%的患者在治疗过程中要应用高能电子线，主要用于治疗表浅或偏心的肿瘤和浸润的淋巴结。高能电子线应用于肿瘤的放射治疗始于20世纪50年代初期，一开始由电子感应加速器产生，后来发展为由直线加速器产生。现代医用直线加速器除提供两档高能X线外，通常还提供能量范围在4～25MeV之间的数档高能电子线。第一节电子线中心轴深度剂量分布类似于X线，对电子线我们最关心的也是深度剂量分布，和高能X线的区别以及它自身的一些特点是在临床使用之前必须掌握的。一、中心轴深度剂量曲线的基本特点图7-1高能电子线与高能X线深度剂量曲线的比较高能电子线还有其它的一些特点：1、从加速器偏转磁铁出来的电子线可以被认为是单一能量的，在经过散射箔、监测电离室、X射线准直器和电子线限光筒等装置时，与这些物质相互作用，一方面展宽了电子线的能量谱，另一方面产生了X射线污染，在深度剂量曲线后部形成一条长长的低剂量韧致辐射“拖尾”；2、在电子线进入水模体的入射表面，定义表面平均能量，数值小于偏转磁铁出来的电子线能量值；3、与高能X线不同，电子线能量在水模体中随着深度增加越来越小；4、一般电子线的深度剂量曲线测量采用与高能X线一致的源皮距概念，而事实上，电子线并非是由加速器治疗头中的一个实在的放射源辐射产生的，而是加速管中的一窄束电子线，经偏转磁铁穿过出射窗、散射箔、监测电离室及限束系统等扩展成一宽束电子线，似乎从某一位置(或点)发射出来，此位置(或点)称为电子线的“虚源”位置，依赖于电子线能量和电子线限光筒大小。二、有效源皮距及平方反比定律高能X线在加速器X线靶有一个确定的焦点作为源位置，电子线则不一样，表现在射线似乎从空间中某一位置(或点)发射出来，称为“虚源”点，此“虚源”点既不在出射窗，也不在散射箔上。对于不同的电子线能量和不同的限光筒大小，这个点都不一致，在一些需要延长限光筒到患者皮肤表面的治疗中，需要确定这个“虚源”点位置，以便算出电子线的有效源皮距，从而运用平方反比定律计算非标准状态下的电子线的PDD值。有效源皮距定义为“虚源”点到标准源皮距中心点(通常指加速器的等中心点)的距离，比标准源皮距小。确定的方法很多，一个最常用的方法是通过变化电子线限光筒到水模体表面的距离(0～20cm)，测量电子线在水模体中输出量的变化。具体做法是，将电离室放置于水模体中射野中心轴最大剂量点位置。首先使电子线限光筒在标准状态下，读取一定跳数值的电离室读数I0，然后不断降低治疗床，改变限光筒与水表面之间的空气间隙，直到20cm，得到相同跳数值不同降床高度g的一组数据Ig，根据电子线的输出剂量率随源皮距的变化遵循平方反比定律，有：(7-1)或(7-2)从(6-2)式可知，以与成线性关系，斜率k为，故有效源皮距为：(7-3)应用平方反比定律计算非标准状态下电子线的PDD与高能X线基本相同，只是将有效源皮距替代标准源皮距。一些实际测量结果表明，按平方反比定律校正仅在较大射野条件下成立；对较小的射野，平方反比定律校正会低于输出剂量的实际变化。这是因为对于较低能量的电子线，在较小射野条件下，输出剂量会由于电子线本身在空气和水模体中缺少侧向散射平衡，变化较大，而平方反比定律校正时无法给予充分考虑。三、影响电子线百分深度剂量的因素影响电子线百分深度剂量的因素很多，这里主要介绍四个因素的影响，分别是能量、射野大小、源皮距以及斜入射。=1\*GB4㈠、能量对百分深度剂量的影响电子线百分深度剂量分布随能量的改变有很大变化，如图7-2所示。随着电子线能量的增加，电子线百分深度剂量分布的变化表现在以下几个方面：1、表面剂量增加，4MeV电子线的约为75%，20～25MeV电子线在90%以上，而高能X线的表面剂量随能量增加而降低，一般较高能量低于30％；2、一般来说，电子线的剂量最大深度在较高能量时并不一定随能量增加而变大，这一点与高能X线不同；3、高剂量坪区变宽；4、剂量跌落梯度越来越缓慢；5、X线污染增加。图7-2能量对百分深度剂量的影响为了充分发挥高能电子线的剂量学特性，通常现代医用直线加速器提供数档高能电子线，能量范围在4～25MeV之间，更高的能量由于表面剂量增加、高剂量坪区变宽、剂量跌落梯度减小以及X线污染增加等因素而逐渐丧失电子线的临床剂量学优势。㈡、射野大小对百分深度剂量的影响当射野较小时，相当数量的电子被散射出照射野，中心轴百分深度剂量随深度增加而迅速减少；而当射野增大时，较浅深度中心轴上电子的散射损失被射野边缘的散射电子补偿并逐渐达到平衡，百分深度剂量将不再随射野的增加而变化，一般来说，当射野的直径大于电子线射程的二分之一时，电子线百分深度剂量随射野增大而变化很小。对于低能电子线，因射程较小，射野大小对百分深度剂量的影响亦较小；对较高能量，因射程较大，在使用小尺寸射野时，百分深度剂量随射野大小的变化就较为显著。图7-3显示了不同能量电子线的百分深度剂量随射野大小的变化情况。图7-3射野大小对百分深度剂量的影响㈢、源皮距对百分深度剂量的影响为保持电子线的剂量分布特点，加速器厂家设计电子线限光筒紧贴患者皮肤表面或仅留有5cm左右的间隙。在某些特殊情况下，如患者照射部位体表的弯曲，或使用大照射野，都会改变限光筒到皮肤之间的距离，从而造成源皮距的变化，这种变化会直接影响到百分深度剂量及剂量分布，而且高能电子线较低电子线变化更为显著。图7-4显示对于不同能量电子线，源皮距的变化对百分深度剂量的几种主要参数的影响。当限光筒到皮肤表面的距离增加时，对百分深度剂量的影响主要表现在：1、表面剂量降低；2、剂量最大深度变深；3、剂量梯度变陡；4、X线污染稍有增加。一般来说，如果源皮距变化不是很大，剂量的计算可以通过有效源皮距的概念来获得；若源皮距变化很大，如电子线全身照射，就要根据实际情况，具体测量出百分深度剂量相关参数的变化。图7-4源皮距对百分深度剂量参数的影响㈣、斜入射对百分深度剂量的影响在实际工作中，由于患者治疗部位皮肤表面弯曲，或受摆位条件限制，致使电子线限光筒的端面不能很好地平行或接触皮肤表面，就会引起空气间隙，形成电子线的斜入射，当斜入射的角度α超过20°，电子线的PDD分布曲线就会产生显著的改变。图7-5显示了不同的斜入射角度对电子线PDD分布曲线的影响。对于较大的空气间隙，应利用电子线有效源皮距概念对剂量分布进行平方反比定律修正，并考虑斜入射对电子线侧向散射的影响。图7-5斜入射对百分深度剂量的影响从图7-5可以看出，随着斜入射角的增大，表面剂量增加，最大剂量点深度逐渐向水模体表面前移，同时在点处输出剂量增高。对于斜入射角较小的情况(小于30°)，电子线百分深度剂量曲线并没有明显的改变；当超过60°后，百分深度剂量曲线完全变了样，电子线的剂量学特性已完全丧失。四、电子线的输出因子影响电子线的输出剂量率的一个重要的因素是准直器打开的尺寸。对于高能X线，射野输出剂量率随射野的增大而呈单调增加。电子线由于其本身的物理特点，如具有一定的射程、易于散射等，加上限束系统的影响，使得电子线输出剂量率随射野变化的规律变得复杂。对每一个电子线限光筒，准直器打开的尺寸都取一个相应的数值(比限光筒尺寸大)。这样的设计是为了减少因限光筒而引起的散射，使得输出剂量率能够稳定。如果改变了准直器尺寸的设定，即使电子线限光筒不变，电子线的输出剂量率也会有较大的变化，特别是对低能电子线。图7-6准直器的尺寸对电子线的输出因子的影响图7-6显示了对一10cm10cm电子线限光筒，改变了准直器的尺寸，最大剂量点处的输出剂量随之而改变。对4MeV电子线的输出剂量率的变化甚至有近一倍之多。准直器尺寸大小的设定，不仅影响电子线射野的平坦度和对称性，同时也会影响其治疗输出剂量率。在现代医用直线加速器中，电子线治疗模式下，均采用X射线治疗准直器射野跟随系统，即随电子限光筒的插入，自动选定相应的X射线治疗准直器的开口大小，以获得最好的电子线射野平坦度和对称性，并使输出剂量率的变化甚小。典型的限光筒尺寸为：6cm×6cm、10cm×10cm、14cm×14cm、20cm×20cm和25cm×25cm。电子线的输出因子定义为电子线的不同限光筒条件下的最大剂量点处的剂量率与10cm×10cm限光筒条件下的比值。图7-7给出PhilipsSL25与VarianClinac2100加速器的输出因子，电子线能量6MeV和20MeV，限光筒的几何尺寸在4cm4cm～20cm20cm之间。可以看出，电子线输出剂量的变化不仅幅度要大于X射线输出量的变化，同时变化也不像高能X线那样呈明显的规律性。因此在临床应用时，应对本单位加速器配置的每个电子线限光筒进行实际测量。图7-7电子线输出因子随限光筒大小的变化在对患者做电子线照射时，大多数情况选定的限光筒形成的标准照射野不能充分地保护正常组织，因此常常在限光筒的底端插入由低熔点铅制成的有一定厚度的挡扳，中有开口形成不规则野。这些不规则野的输出因子需要实际测量，特别是不规则野形状与限光筒标准野差别很大的时候。对于小尺寸照射野，所加的挡板形成的额外屏蔽减少了侧向散射的份额，从而影响百分深度剂量分别和输出因子的大小，位置也会变化，这些变化在测量电子线小野输出因子都应该予以充分的考虑。第二节电子线剂量学参数高能电子线无论是百分深度剂量还是等剂量分布都远较高能X线复杂，剂量学参数较多，除了上一节中的与高能X线定义一致的PDD和等参数，电子线还有其它一些有别于高能X线的剂量学参数。一、电子线的射程一定动能的带电粒子(如电子)在与物质的相互作用过程中，因为库仑力的影响，与靶物质的核外电子和原子核进行非弹性碰撞，不断地损失其动能，最终将损失所有的动能而停止运动(不包括热运动)。粒子从入射位置至完全停止位置的运动轨迹所经过的距离称为路径长度；沿入射方向从入射位置至完全停止位置所经过的距离称为射程。显然，路径长度要大于射程。粒子与物质的相互作用是一个随机过程，每个相同能量的入射粒子的路径长度和射程均可能不一样，整个粒子束的路径长度和射程将形成统计分布，因此，核物理中用平均路径长度概念来描述带电粒子的路径长度的分布特点。测量路径长度非常困难，一般用连续慢化近似(continuousslowingdownapproximation,CSDA)射程Rcsda来近似平均路径长度，若设电子线初始动能为E0，电子线的Rcsda可利用总质量碰撞阻止本领的倒数积分来计算：(7-4)电子线不同能量在空气和水中的Rcsda值见表7-1。Rcsda只是用来表示平均路径长度，并不能反映带电粒子在介质中某一方向的穿透深度，特别是对于电子线，因为电子质量小，发生碰撞后入射电子方向会发生较大的改变，Rcsda远大于实际上的穿透深度。因此，另外两个射程概念被定义来表示电子线的穿透深度，分别是最大射程Rmax，实际射程Rp。表7-1不同能量电子线在水中和空气的Rcsda值电子线能量(MeV)在水中的Rcsda(g/cm2)在空气的Rcsda(g/cm2)63.0523.25573.5453.75684.0304.24694.5064.724104.9755.192209.3209.4473013.17013.150最大射程Rmax定义为在电子线中心轴百分深度剂量曲线上，剂量跌落以后的曲线与反映韧致辐射剂量的外推直线相交点处的深度，如图7-8所示。显然，Rmax能够准确反映电子线在介质中的最大穿透深度，只是具体的测量点不很明确，在百分深度剂量曲线不易确定。图7-8电子线中心轴剂量参数实际射程Rp定义为在电子线中心轴百分深度剂量曲线上，过剂量跌落最陡点的切线与反映韧致辐射剂量的外推直线相交点处的深度。因为是两条直线的交点，显然Rp比Rmax容易确定。表面剂量Ds，表面下0.5mm处的百分深度剂量；，最大剂量点深度；Dx，电子线中韧致辐射X射线剂量；R90，有效治疗深度，即治疗剂量值90%PDD处的深度；R50，50%PDD深度或半峰值深度(HVD)；Rq，中心轴百分深度剂量曲线上，过剂量跌落最陡点的切线与100％剂量水平线交点的深度。反映剂量跌落的度量用剂量梯度G表示，定义为：(7-5)该值一般在2.0～2.5之间。能量越高，剂量梯度值越小。采用双散射箔系统的加速器，对高能电子线的韧致辐射X射线污染水平有一定要求，一般对于4MeV电子线，小于1%，20MeV小于4%。二、电子线能量参数因为电子线能谱的复杂性，找不到一个单一的能量参数能够完全描述电子线的特性，除了本节一部分讲述的实际射程Rp，另外几个参数也被用来一同描述电子线，分别是：水模体表面的最可几能量；水模体表面的平均能量；50%PDD深度或半峰值深度。其中水模体表面的最可几能量和水模体表面的平均能量都可以用来反映电子线穿射介质的能力和确定水模体中不同深度处电子线平均能量的大小。不同能量电子线在水中的能量参数值见表7-2。表7-2不同能量电子线在水中的能量参数能量(MeV)(MeV)(cm)(cm)(cm)(cm)%65.61.71.82.22.981.087.22.42.63.04.083.0109.23.13.33.94.886.01211.33.74.14.86.090.01514.04.75.26.17.592.01817.45.55.97.39.196.0水模体表面的最可几能量与实际射程之间的数值关系用以下的一个经验公式反映：(7-6)式中，单位为MeV，单位为cm。该式是根据测量和蒙特卡罗方法计算得出，在1～50MeV能量范围内，误差为2％。水模体表面的平均能量与半峰值深度(HVD)的关系为：(7-7)式中，单位为MeV，单位为cm。该式同样根据测量和蒙特卡罗方法计算得来。需要特别指出的是，半峰值深度已被美国医学物理学家协会(AmericanAssociationofPhysicistsinMedicine，AAPM)和国际原子能机构(InternationalAtomicEnergyAgency，IAEA)确定为描述电子线射线质的特征参数，所以对于电子线的测量，确定非常重要。是在电子线中心轴百分深度剂量曲线上定义的，而在用电离室测量电子线百分深度剂量时，首先得到的是百分深度电离量曲线，然后作进一步转换才能得到百分深度剂量曲线。可以根据百分深度电离量曲线的半峰值深度导出：()(7-8)()(7-9)式中和的单位均为cm。随着模体深度的增加，电子线能量发生变化。在深度处的电子平均能量，可近似用其表面平均能量和射程来表示：(7-10)式中，和单位为MeV，和单位为cm。该式称为Harder等式，是一近似线性关系式，仅对电子线较低能量()的深度(小于)或较高能量的较小深度时成立。三、电子线的离轴比电子线的离轴比(off-axisratio，OAR)概念与高能X线相同，都是指水模体中某一垂直于射野中心轴的平面上任一点的剂量与中心轴在该平面上的点的剂量比值。在该平面上，作穿过中心轴的一条直线，中心轴点到直线上的点的距离与该点的OAR关系称为剂量离轴分布(doseprofile)。图7-9显示能量12MeV，射野大小25cm×25cm电子线在最大剂量点深度的剂量离轴分布。图7-9电子线的剂量离轴分布四、电子线的均整度、对称性及半影国际电气委员会(InternationalElectro-technicalCommission，IEC)对电子线在最大剂量点深度平面上的均整度指标作了两项要求：1、标准SSD，水模体表面射野大小10cm×10cm条件下，电子线最大剂量点处垂直于中心轴的平面上，90％等剂量线与几何野投影的主轴以及对角线的交点与几何野投影边界的距离分别应不大于10mm和20mm；2、90％等剂量线包绕区域上的任一点的剂量应不大于该平面在中心轴上的点的剂量的1.05倍。IEC对电子线在最大剂量点深度平面上的对称性指标要求是：标准SSD，水模体表面射野大小10cm×10cm条件下，电子线最大剂量点处垂直于中心轴的平面上，两条主轴上对称于中心轴的任意两点的剂量偏差不大于2％。我国目前国家计量部门对电子线的均整度指标要求与IEC对均整度指标两项要求中的第一项相同；对对称性指标的要求是：标准SSD，水模体表面射野大小10cm×10cm条件下，电子线最大剂量点处垂直于中心轴的平面上，90％等剂量线内移1cm的区域内，对称于中心轴的任意两点的剂量比值(大值比小值)不大于1.05。ICRU推荐，电子线的物理半影用表示，由特定平面，即通过深度与射野中心轴垂直平面内80%与20%等剂量曲线之间的距离确定。电子线不同能量的大小，对设计有很重要的意义。一般条件下，当限光筒到表面距离5cm以内，能量低于10MeV的电子线，半影约为10～12mm；能量大于10～20MeV的电子线，半影约为8～10mm，而当限光筒到表面距离超过10cm时，半影可能会超过15mm。五、电子线的等剂量线分布特点等剂量线就是指相同剂量点的连线，用来描述不同剂量值(某种规则的递增或递减)所包含的区域，在不引起歧义的情况下，剂量值常用百分数来表示，通常将中心轴上最大剂量点作为剂量归一点，即点剂量值为100％。当一定能量的电子线进入介质，线束因为散射在模体内迅速展宽，影响等剂量线分布的因素有等剂量水平、电子线能量、射野大小和线束准直情况等。一般电子线等剂量线分布的特点为：随着深度增加，低值等剂量曲线向外侧膨胀，高值等剂量曲线向内侧收缩，并随电子线能量而变化。图7-10电子线的等剂量线分布图7-10显示9MeV和20MeV能量电子线的等剂量线分布，可以明显看出电子线等剂量线的外侧膨胀和内侧收缩现象。随着深度增加，电子线能量渐减，散射角越来越大，低值等剂量曲线(<20%)向外侧膨胀；当电子线能量大于15MeV，同样因为散射的原因，高值等剂量曲线(>80%)明显地内侧收缩。射野大小也对高值等剂量线的形状有所影响，图7-11显示13MeV的电子线照射野从3cm3cm到20cm20cm等剂量线变化情况。可以看出，90%等剂量线的底部形状由弧形逐渐变为平直。图7-11射野大小对电子线等剂量线的影响一般说来，电子线限光筒被设计为紧贴患者皮肤表面或仅留有5cm左右的间隙，随着限光筒底端到患者皮肤间隙的增加，低值等剂量曲线向外侧膨胀愈发严重，而同时高值等剂量曲线向内侧加剧收缩，这也意味着当电子线治疗源皮距延长，物理半影将会增加，这一点在临床应用时，要充分予以注意。第三节电子线的一般照射技术由于电子线容易散射的特性，影响输出剂量的因素比较多，因此在临床应用时应特别注意：照射时应尽量保持射野中心轴垂直入射表面，即限光筒端面与患者皮肤平行；同时保持限光筒端面至皮肤的正确距离。这是由于电子线的一些重要剂量学参数，如百分深度剂量、输出因子及等剂量分布曲线，极易受到诸如人体曲面、斜入射和源皮距等影响发生较大的变化。这些变化有些没有规律性，有些虽有一定规律性可采用数学的方法进行校正，但也必须进行实际测量，得到具体照射条件的实测数值，供临床作计划时参考。一、电子线处方剂量ICRU参考点高能电子线，主要用于治疗表浅或偏心的肿瘤和浸润的淋巴结，通常使用单野标准源皮距技术。国际放射单位和测量委员会(InternationalCommissiononRadiationUnitsandMeasurements,ICRU)2004年颁布了ICRU71号报告(Prescribing,Recording,andReportingElectronBeamTherapy)，对电子线治疗的各种体积和剂量做出了明确的规定，对处方、记录和报告做出了详细的说明和建议。通常在高能电子线单野照射时，当线束垂直入射时，选择适当的能量和限光筒使得射野中心轴上最大剂量点处在计划靶体积(planningtargetvolume,PTV)的中心(或中心区域)，此时中心轴上最大剂量点可作为处方剂量ICRU参考点；当最大剂量点不在PTV的中心区域时，PTV的中心也可作为处方剂量ICRU参考点，有时最大剂量甚至允许超过处方剂量20％，但必须报告最大剂量值及所在位置。后一种情况需注意皮肤剂量有可能大于处方剂量。当使用不规则野、线束斜入射或需要作组织不均匀校正时，建议用治疗计划系统计算剂量分布，处方剂量点选在PTV中心(或中心区域)处，并报告靶区的剂量不均匀性情况。二、能量和照射野的选择根据电子线百分深度量随深度变化的规律，电子线能量选择可根据下式：(7-11)式中能量单位为MeV；指PTV后缘深度，单位为cm，一般取在90%(或95%)剂量深度(有时限于条件可适当放宽，但不能小于80％)；2～3为选用不同射野大小和电子能量设置所加的调整数。临床中选择电子线能量一般应根据靶区深度，靶区剂量的最小值及危及器官可接受的耐受量等因素综合考虑。电子线治疗选择照射野大小的原则，应确保特定的等剂量曲线完全包围PTV。由于电子线高值等剂量曲线随深度增加而内收，在高能量和小野时此现象更加突出，因此选择照射野大小时，需要按PTV的最大横径而适当放宽。一般说来，所选电子线射野应至少等于或大于靶区横径的1.18倍，并在此基础上，根据靶区最深部分的宽度的情况再放宽0.5～1.0cm。三、射野形状及铅挡技术电子线的射野形状总是由电子线限光筒或在限光筒底端插入由低熔点铅(lowmelting-pointalloylead,LML)制成的中有开口的一定厚度挡扳形成，前者一般形成限光筒标准野，后者形成非标准野(包括矩形野和不规则野)。实际工作中，也有用铅橡皮直接放在患者体表需要被遮挡的部位形成非标准野。1、电子线限光筒标准野电子线的方形野不能像高能X线一样由加速器准直器直接形成。如果不加限光筒，因为电子线的易散射性，将会产生临床上不能接受的物理半影。加速器厂家设计电子线限光筒紧贴患者皮肤表面或仅留有5cm左右的间隙。医科达加速器电子线限光筒紧贴患者皮肤，限光筒尺寸为：6cm×6cm、10cm×10cm、14cm×14cm、20cm×20cm和25cm×25cm；瓦里安限光筒同样紧贴患者皮肤，尺寸：4cm×4cm、10cm×10cm、15cm×15cm、20cm×20cm和25cm×25cm；西门子限光筒与患者皮肤表面有加速器的5cm的间隙，尺寸为：φ5cm、10cm×10cm、15cm×15cm、20cm×20cm和25cm×25cm，φ5cm表示直径5cm的圆形。2、铅挡板厚度及其对剂量参数的影响临床上，真正应用限光筒标准野很少，大部分电子线照射要在限光筒底端插入由LML制成的中有开口的挡扳形成非标准野。非标准野的形状一般由医生根据PTV的横径再外放一定距离确定，或经TPS设计。铅挡板厚度，要依据不同电子线能量在铅材料的穿射曲线确定，一般临床需要达到95％以上的屏蔽，即一定的铅挡板厚度使得透射率不大于5％。作为一个经验准则，铅挡板厚度可取该能量电子线实际射程的十分之一或电子线能量数值的二十分之一，单位mm，用LML适当加厚，同时从安全考虑，可将挡铅厚度再增加1mm。表7-3列出不同能量电子线透射率等于5％的LML厚度。表7-3不同能量电子线5%透射率所需LML厚度能量(MeV)LML厚度(mm)62.394.4128.51618.02025.0*射野尺寸10cm×10cm铅挡板会影响电子线限光筒标准野的剂量学参数，其程度依赖于电子线的能量和铅挡扳所形成的照射野大小。图7-12和图7-13分别显示不同能量电子线的治疗深度和输出因子随不同铅挡扳所形成的照射野大小的变化情况。结合本章第一节中的图7-3，可以看出铅挡扳所形成的照射野大小对不同能量电子线剂量参数的影响：=1\*GB2⑴、当限光筒标准野足够大(6cm6cm以上)时，不同能量的电子线的剂量参数如治疗深度基本不受限光筒大小的影响，特别是对于较低能量；对于铅挡板所形成的照射野，在较高能量(12~14MeV)条件下，照射野小于8cm8cm时，治疗深度变浅，剂量梯度变小；能量小于等于10MeV时则影响不大。=2\*GB2⑵、限光筒标准野的输出因子，不同能量条件下，有很大的变化，没有规律性；铅挡所形成的照射野，射野输出因子则呈规律性变化，照射野越小，输出因子越大，低能时变化小(小于1%)，高能时变化大(大于6%)。=3\*GB2⑶、对较高能量的电子线，铅挡确定的照射野，即使和限光筒标准野大小一致，在小野条件下，剂量参数变化很大，输出因子变大，治疗深度变浅，剂量梯度值变小。图7-12铅挡扳所形成的照射野大小对不同能量电子线治疗深度的影响图7-13不同铅挡扳所形成的照射野大小对不同能量电子线输出因子的影响3、电子线的内屏蔽用电子线治疗某些部位时的病变，如嘴唇、颊粘膜、眼睑和耳翼等，常在病变后端放置铅扳形成内屏蔽以更好地保护病变后方的正常组织，如图7-14所示。此时，必须考虑铅扳的反向散射对铅扳前方组织的剂量影响，测量结果表明剂量大约增加30%～70%(在4～20MeV的能量范围内)，并随接触界面至电子线入射方形距离迅速以指数衰减。电子线反向散射的强弱由经验公式给出：(7-12)式中，EBF称为电子反向散射因子(electronbackscatterfactor)，定义为接触界面处的剂量与均匀组织中同一位置剂量之比；为均匀组织接触面深度电子线能量。图7-14电子线的内屏蔽临床上为消除电子反向散射这一效应的影响，常在铅挡扳周围包裹一定厚度的低原子序数材料，如铝和丙烯酸类树脂材料。通常做法是将铅扳浸泡在液态蜡中，在铅板表面形成1～2mm的涂层，这种方法的另外一个好处是使患者组织不直接接触铅，避免了铅的毒性对患者的作用。四、电子线的补偿技术在电子线治疗中，补偿块被用来改变电子线在患者体内的剂量分布，通常主要用于以下三方面：1、提高皮肤剂量；2、补偿人体不规则的体表使之平坦；3、减弱电子线的穿透能力。在临床应用中，有时，治疗科室拥有的加速器最低能量的电子线对于非常表浅的病变也显得太高，不能充分保护病变后方的正常组织，同时病变前缘的剂量偏低。此时，用一定厚度的组织等效材料紧贴在患者皮肤来缩短电子线在患者体内的射程，从而克服电子线能量高的问，而且提高了病变前缘的剂量。加速器的电子线能量一般分为几档，能量间隔在2～4MeV之间。有时，某档能量对于病变显得穿透深度不足，而下一档能量又显得穿透深度太深，此时，选择适当厚度的组织等效补偿物紧贴患者皮肤可以很好地解决这一问题。临床常用的补偿材料有石蜡、聚苯乙烯和有机玻璃，其密度分别为0.987g/cm3、1.026g/cm3和1.11g/cm3。前两种材料因密度接近软组织，使用较多。石蜡由于易于成形，又能很紧密地敷贴于人体表面，避免或减少补偿材料与皮肤间的空气间隙，常被用来平坦患者不规则体表。电子线的补偿技术有时也用来修改等剂量线的形状使其与靶区适形。在电子线治疗中，很不规则的体表会导致复杂的剂量分布，在靶区中产生剂量“热点”和“冷点”，此时就有必要有意识地在患者体表加不等厚度的补偿材料，达到消除剂量“热点”和“冷点”的目的。图7-15显示胸壁电子线照射，不加补偿材料时，肺前缘的剂量较高(80%)，并有一高剂量区(139%)；沿胸壁填加补偿材料，并有意识地增加高剂量区位置对应体表处补偿材料的厚度，既降低了肺前缘的受量，又消除了剂量“热点”。图7-15电子线胸壁照射的剂量分布虽然用治疗计划系统设计计划有一定优势，如可以准确地显示肿瘤的形状、深度和患者的外轮廓，通过改变射野的参数来解决剂量不均匀的问题，但是毕竟将问题复杂化，况且计划系统的电子线数据都是在标准射野条件下采集的。因此，尽管补偿材料的制作费时费力，但是能直观地解决很多问题，补偿技术在电子线的治疗中不可忽略。五、电子线的斜入射修正当由于患者治疗部位皮肤表面弯曲，或摆位条件限制，致使电子线限光筒的端面不能很好地平行或接触皮肤表面，就会引起空气间隙，形成电子线的斜入射。斜入射对百分深度剂量的影响，是电子线的侧向散射效应和距离平方反比造成的线束的扩散效应的双重作用的结果。当斜入射的角度α超过20°，电子线的PDD分布曲线就会产生显著的改变，此时必须在剂量计算中考虑斜入射修正：(7-13)式中，为有效源皮距，为空气间隙，为计算点深度，为电子线垂直入射模体时深度处的剂量，为斜入射角，为经斜入射修正和距离平方反比修正后深度处的剂量，定义为斜入射校正因子，表示射线束垂直入射与斜入射的剂量比值。不同能量电子线斜入射校正因子值见表7-4。表7-4电子线斜入射校正因子表电子线能量(MeV)2218151296(a)0.01.000.980.981.000.941.010.11.001.001.001.001.001.080.21.001.001.011.021.051.110.31.011.001.021.031.051.060.41.011.011.021.001.000.960.51.001.000.980.960.920.860.60.950.940.920.900.860.790.70.920.900.870.860.860.830.80.930.850.820.901.000.960.91.091.001.201.111.441.001.01.421.541.501.501.301.00(b)0.01.031.021.031.050.981.140.11.031.041.041.061.101.140.21.051.061.071.111.121.120.31.061.071.091.091.051.070.41.041.041.041.010.930.920.51.000.990.920.920.800.770.60.930.900.860.820.700.690.70.840.840.820.770.700.760.80.870.830.850.860.831.100.91.301.001.431.201.401.461.02.172.312.192.502.002.14(c)0.01.061.061.101.141.141.300.11.101.121.171.201.231.210.21.121.141.151.161.171.080.31.071.071.071.020.980.900.41.000.960.930.860.790.700.50.870.840.790.740.670.560.60.750.740.690.630.580.510.70.700.680.670.620.570.560.80.750.710.670.740.770.870.91.211.001.291.141.601.401.02.312.462.753.003.202.45六、电子线的组织不均匀修正和边缘效应1、组织不均匀修正电子线治疗中，不均匀性组织如骨、肺和气腔的存在使电子线的剂量分布会发生显著变化，很难测量和计算这种变化，但是可以针对组织不均匀性程度作出近似的修正。组织不均匀性修正最简单的方法是计算出不均匀性组织对水的等效厚度，具体算法是：假定某种不均匀性组织的厚度为，它对电子线的吸收的等效水的厚度为，其中为不均匀性组织对水的电子密度比。这一方法称为等效厚度系数法(coefficientofequivalentthickness，CET)。如果计算位于厚度为的不均匀性组织后的某一点深度处的剂量，应先计算该点的等效深度，然后经平方反比定律校正，可得到该点剂量。的计算公式为：(7-14)值由不均匀性组织对水的电子密度比，有时为了简化，认为近似等于质量密度比。比如，认为肺组织质量密度为0.25g/cm3，则肺组织的值为0.25，1cm的肺组织的等效厚度就是0.25cm。对于致密骨，值高达1.6以上。图7-16显示15MeV能量电子线经过5cm肺组织的曲线的变化情况。图7-1615MeV电子线经过5cm肺组织的变化情况2、边缘效应当电子线穿越不同密度的组织时，由于散射不同密度的组织接触界面的剂量会产生变化，高密度组织一侧产生更多的散射使得低密度组织获得更高的剂量。一般三种情况需要考虑这种边缘效应：=1\*GB2⑴、患者体内不同密度组织的接触界面；=2\*GB2⑵、患者体表有尖锐凸起；=3\*GB2⑶、用铅板作内屏蔽。最后一种情况在本节挡铅技术中提及，边缘效应用电子反向散射因子EBF表示，计算用式(7-12)。七、电子线的射野衔接技术电子线的射野衔接一般包括两种衔接方式，电子线与电子线射野衔接及电子线与高能X线射野衔接。1、电子线与电子线射野衔接对一些特殊部位的病变如胸壁的照射，单一电子线射野不可能包括整个靶区，需要采用多个相邻野衔接构成大野进行照射。电子线射野间衔接主要考虑电子线等剂量线随深度的变化情况，事实上，电子线较高的物理半影以及低值等剂量线外膨、高值等剂量线内收等剂量学特性使得电子线照射野衔接无法避免在靶区中产生剂量“热点”和“冷点”。电子线与电子线射野衔接的基本原则是：根据射线束宽度随深度变化的特点，在皮肤表面相邻野之间，或留有一定的间隙，或使两野共线，最终使其50%等剂量曲线在所需深度相交，形成相对较好的剂量分布。图7-17显示7MeV和16MeV电子线两野衔接不同间隔时等剂量线的分布情况，可以看出，无论何种情况，剂量“热点”和“冷点”不可避免。总的来说，最好是避免电子线射野间衔接，否则也应该在治疗深度进行胶片剂量验证。与高能X线射野间衔接相同，在整个治疗过程中，也应该周期性改变衔接位置，以避免固定范围的剂量“热点”和“冷点”。图7-177MeV和16MeV电子线两野衔接不同间隔时的等剂量线分布2、电子线与高能X线射野衔接临床应用中，特别是在鼻咽癌的治疗时，会遇到电子线与高能X线射野衔接问题。因为高能X线射野一侧剂量分布比较确定，电子线与高能X线射野衔接比电子线射野间衔接要简单一些。一般说来，采用的方法往往是使两野在皮肤表面共线，由于电子线射野产生的侧向散射会使得在X线照射野一侧出现剂量“热点”，电子线高值等剂量线内收会使得在电子线一侧出现剂量“冷点”。图7-18电子线与高能X线射野共线衔接时的剂量分布图7-18显示9MeV电子线与6MVX线照射野在皮肤表面共线衔接时的剂量分布。从图中可以看出，剂量“热点”和“冷点”分布还同时受到电子线源皮距的影响，延长源皮距使得电子线等剂量曲线变劣，剂量“热点”和“冷点”的区域面积增大。第四节电子线的特殊照射技术电子线治疗还有一些特殊的照射技术，用于特殊部位肿瘤的治疗。如对乳腺癌术后的胸壁及内乳区而采取的电子线旋转照射技术(electronarctherapy)；对蕈样霉菌病及Kaposi瘤等全身范围的浅表病变而采取的电子线全身皮肤照射技术(totalskinelectronirradiation，TSEI)；对经手术切除肿瘤病灶后的瘤床或残存灶，或虽经手术暴露而不能切除的病灶，或淋巴引流区，在直视情况下进行单次大剂量10～25Gy的术中照射技术(intro-operativeradiotherapy，IORT)。一、电子线旋转照射技术电子线旋转照射是一种复杂的放射治疗技术，它主要用来患者体表弯曲的浅表肿瘤。尽管放疗界对电子线旋转照射技术并不陌生，知道对于某些特定肿瘤治疗非常有效，这项技术还是没有得到广泛的应用。主要原因就是这项技术实施复杂以及物理特性难以理解。影响电子线旋转照射靶区的剂量分布的因素很多，主要有电子线能量、射野宽度、等中心深度、源轴距、体表弯曲程度、次级准直器以及三级准直器等七个方面。=1\*GB4㈠、电子线旋转照射的准直器系统电子线旋转照射用的射野由三级准直器系统形成(见图7-19)：初级准直器为X射线和电子线共用的准直器；次级准直器为电子线旋转照射设计的专用电子线准直器；三级准直器称为体表限束器，直接置于患者体表。图7-19电子线旋转照射的准直器系统初级准直器的几何尺寸取决于次级电子线准直器的大小。为了改善电子线照射野内的剂量分布，特别是增加射野边缘的剂量份额，使得整个照射野内剂量均匀，初级准直器的几何尺寸要大于电子线照射野的大小。现代医用直线加速器电子线旋转照射时，初级准直器能根据插入的电子线准直器自动开启到相应位置。次级准直器是形成电子线旋转照射野的主要限束装置。为了避免机架旋转时与患者或治疗床碰撞，一般设计电子线准直器的底端与等中心位置距离35～40cm，保证治疗时底端与患者体表保持20cm左右的间隙。电子线准直器的长度(沿机架旋转轴方向)要大于靶区，使得半影区在靶区以外；射野宽度大小要综合考虑X线污染和体表限束器的影响，一般在等中心处取5～6cm。有时由于病变或手术瘢痕较长，照射野上下两端的源皮距差别较大，各层面患者体表轮廓的曲率半径很不一致，使用矩形野会造成靶区剂量很不均匀，此时应根据各层面的源皮距和曲率半径调整射野形状。三级准直器是置于患者体表照射野四周的限束器，用铅或铅合金制成，用来保护非治疗部位的正常组织，同时削弱因电子线准直器远离皮肤造成的靶区边缘的半影增宽，并增加靶区边缘剂量使靶区剂量均匀。一般情况下，体表限束器应适合最大旋转角度两端各增加15°旋转的屏蔽需要。=2\*GB4㈡、电子线旋转照射的剂量学=1\*Arabic1、电子线旋转野的百分深度剂量特点电子线旋转照射与电子线常规固定野照射有许多不同。在旋转过程中，电子线总是会聚于旋转中心，深层靶区在射野内的时间比皮肤和浅层靶区长，百分深度剂量变化情况如图7-20所示：=1\*GB2⑴、表面剂量减少；=2\*GB2⑵、最大剂量点深度位置后移；=3\*GB2⑶、后剂量跌落更快，剂量梯度变大；=4\*GB2⑷、韧致辐射X射线污染水平增加。图7-20电子线旋转野的百分深度剂量特点=2\*Arabic2、特征角在电子线旋转照射中，百分深度剂量除与电子能量(与固定野照射同，由靶区后缘深度确定)有关外，还受到等中心深度、射野宽度和特征角的影响。患者体表的任一点的特征角定义为，电子线旋转照射中，照射野的两条边线前后扫过点时，射野中心轴形成的夹角(图7-21)。特征角角与射野宽度、等中心深度和源轴距的关系为：(7-15)图7-21特征角定义从图7-22可以看出，和的不同组合，只要角相同，电子线旋转照射百分深度剂量曲线非常近似，即对选定能量的电子线旋转照射，一旦角确定，百分深度剂量也就基本确定，故角被称为电子线旋转照射的特征角。图7-229MeV电子线220°旋转野不同角的PDD3、射野宽度的选择与调整确定射野宽度步骤为：=1\*GB2⑴、根据靶区的后缘深度确定应使用的电子线能量；=2\*GB2⑵、从该电子线能量不同特征角的百分深度剂量曲线中选择适合治疗要求的百分深度剂量曲线，确定特征角的大小；=3\*GB2⑶、根据患者治疗部位的具体情况确定等中心深度；=4\*GB2⑷由式7-15计算出。射野宽度的选择还要考虑X线污染和体表限束器的影响，过宽则输出剂量大，照射时间短，X线污染少，但半影大且体表限束器要增宽；过窄则输出剂量小，照射时间长，X线污染增加。由式7-15可知，当固定时，是的单调增函数。图7-23显示等中心深度15cm，角10°和100°时，15MeV电子线旋转照射的剂量分布，角10°的X线污染高于100°，等中心处尤甚。图7-23不同特征角电子线旋转照射的剂量分布在临床中，如胸壁照射时，有时由于病变或手术瘢痕较长，沿旋转轴方向的曲率变化较大，电子线旋转照射时，造成胸壁上缘和下缘的剂量差别较大。此时，为了使靶区剂量均匀，须对不同体表曲率半径的射野宽度作出调整。由式7-15可知，对固定的特征角，射野宽度是等中心深度的单调增函数。也就是说，为了使靶区剂量均匀，当等中心深度即体表曲率半径较小时，应减少；反之，当较大时，应增大。为使曲率半径为的任意层面内得到与中心层面相同的百分深度剂量分布，该层面应使用的射野宽度为：(7-16)式中为中心层面的射野宽度，为中心层面的曲率半径，为选定的特征角。4、电子线旋转照射的处方剂量高能X线旋转照射时，在整个旋转角度，照射野都包含靶区；电子线旋转照射时，只有部分旋转角度照射野包含部分靶区。如图7-21所示，对于点对应的治疗深度点，在旋转角度中，只有比特征角稍大一点的角度范围内照射野包含点，考虑到特征角以外包含点的角度照射野对点的剂量贡献很少(深度增加)，可以忽略。因此用计算多个固定野对点的剂量贡献之和计算出点的剂量：(7-17)式中，为固定野条件下，最大剂量点处的剂量率，单位；为固定野条件下，点的百分深度剂量；为等分角度，为分隔数，；为机架旋转速度，单位；为各固定野点的离轴剂量比；为是平方反比定律修正因子。Khan、Leavitt和张红志等人利用直接测量法决定电子线旋转照射的处方剂量。如图7-24(a)所示，用特制的圆柱形固体模体，将电离室置于治疗深度为的点，在所使用的旋转条件下，进行实际的积分剂量的测量。张红志等人提出旋转常数的概念，旋转常数定义为机架旋转单位角度，治疗深度处得到1cGy剂量所需要的加速器监测单位MU值，单位为。从图7-24(b)可以看出，对特定的治疗深度，有一特定的电子线能量，高于这一能量，旋转常数几乎不变，这一能量就是临床需要选择的电子线能量。低于这一能量，会引起靶区剂量不足；高于这一能量，会增加深部正常组织的剂量。图7-24电子线的旋转常数随能量和射野大小的变化从图7-25可以看出，以过治疗深度点与圆柱体的中心轴的垂线为对称中心线，有一特定的旋转射野中心轴形成的弧角，当旋转射野弧角大于并包含这一角度，积分剂量基本不变；小于这一角度时，积分剂量急剧减少。这一角度称为平衡角，与上文的特征角近似相同。等中心深度较大或能量较低时，这一现象更加明显。图示等中心处射野宽度为5cm。图7-25单位角度每跳数处分剂量与旋转角的关系曲线于是根据旋转常数可计算治疗深度为的点处方剂量为的旋转野所需跳数：(7-18)式中，为旋转角度，角大于并包含点的平衡角。=3\*GB4㈢、电子线旋转照射的计划设计与实施1、电子线旋转照射的计划设计考虑到旋转技术的特殊性和受照射部位的解剖学特点，电子线旋转照射的计划设计原理与常规照射不太相同。一般计划设计的步骤为：=1\*GB2⑴、患者真空负压体模固定作常规间距CT扫描，有局部肿块或术后残留部位可适当加扫，将CT图像输入治疗计划系统；=2\*GB2⑵、放疗医师根据CT图像，勾勒每层的照射范围，确定治疗深度和三级准直器的体表部位；=3\*GB2⑶、标出组织填充蜡块的位置和厚度，以使每层的照射范围内厚度近似相同；=4\*GB2⑷、在中心层面定出旋转中心的位置，确定中心层面的曲率半径；=5\*GB2⑸、根据和以及要求的靶区剂量分布选择电子线能量和特征角，进而计算出中心层面的射野宽度；=6\*GB2⑹、根据不同层面的曲率半径，修正射野宽度；=7\*GB2⑺、计算，根据计算结果对上述参数进行调整。图7-26显示对于包含内乳区，不同电子线能量分段旋转照射左侧乳腺癌术后胸壁的剂量分布。图7-26不同电子线能量分段旋转照射左侧乳腺癌术后胸壁的剂量分布2、计划实施前的准备治疗计划实施前，必须进行模具制作和位置、剂量验证等QA工作。模具制作包括三方面的内容：根据旋转野的长度和宽度制作二级准直器，二级准直器一般制成矩形或梯形或矩形和梯形的混合；根据计划系统确定三级准直器的体表部位制作三级准直器；根据计划系统标出的组织填充蜡块的位置和厚度制作组织填充蜡块。三级准直器和填充蜡块制作完成后，需要放置在患者身上验证吻合程度并确认三级准直器的范围满足治疗要求，注意保持患者在治疗体位。有条件，患者可带填充蜡块再作一次CT扫描以确认照射范围内治疗厚度近似相同。利用模拟定位机或电子射野影像系统(electronicportalimagingdevice，EPID)对患者进行位置验证。根据计划系统要求在模拟定位机下观察整个旋转弧度内光野以及源皮距变化情况，一般模拟定位机不提供电子线限光筒插槽，光野大小尽量与治疗条件一致，必要时要在加速器上验证。EPID主要对患者进行摆位验证。用特制的圆柱形固体模体对剂量分布和治疗深度点剂量进行模拟测量，具体方法可与调强验证的方法同，即将电子线旋转照射的治疗计划移植到圆柱形固体模体上，验证模体在计划系统的剂量分布和治疗深度点剂量与实测的差别。也可应用旋转常数对剂量进行复核。3、计划实施所用测试结果在允许范围内，患者实施治疗。=4\*GB4㈣、电子线旋转照射技术的临床应用Peacock等人于1980年首先将电子线旋转照射技术应用于乳腺癌术后胸壁的放射治疗，所用电子线能量一般用6MeV，如果照射内乳区，在内乳区选择12MeV，对胸壁较薄部位在体表用石蜡进行补偿，处方剂量45Gy，有局部肿块或术后残留追加剂量至60Gy。Peacock的方法后来也成为电子线旋转照射技术的基本准则。经随访疗效满意，而且未见皮肤、肺和心脏有严重并发症。后来，国外陆续报道了乳腺癌术后胸壁电子线旋转照射长期随访的结果，进一步从临床应用方面确认了这项技术的有效性和安全性。电子线旋转照射技术也有应用于胸膜肿瘤全胸壁的放射治疗的报道。二、电子线全身皮肤照射电子线全身皮肤照射技术(TSEI)主要用于治疗蕈样霉菌病、Kaposi瘤、Sezary综合症以及皮下的T细胞淋巴瘤等全身范围的浅表病变。从临床角度考虑，TSEI应满足以下剂量学要求：=1\*GB2⑴、足够大的照射野以保证获得较均匀的辐射场；=2\*GB2⑵、适中的电子线能量以保护皮下正常组织；=3\*GB2⑶、足够高的皮肤剂量以保证靶区剂量；=4\*GB2⑷、保护重要器官(如晶体和睾丸等)；=5\*GB2⑸、足够低的X射线污染(小于4%)；=6\*GB2⑹、较高的剂量率以缩短治疗时间；=7\*GB2⑺、对剂量分布进行模体验证并在治疗过程中进行实际监测。=1\*GB4㈠、电子线全身皮肤照射技术1、双机架角多野技术双机架角多野技术(multipledualangledfields，MDAF)由美国斯坦福大学医学院上世纪七十年代创立。图7-27和图7-28为电子线全身皮肤照射双机架角多野技术示意图。其技术要点为：=1\*GB2⑴、电子线能量6MeV；=2\*GB2⑵、治疗距离为3～4m；=3\*GB2⑶、双机架角度为(角可根据限光筒大小粗定并根据实测剂量分布调整，一般对于25cm×25cm，在10～20°之间)，机头角0°，以获得在沿患者纵轴方向(垂直方向)足够大的均匀照射野；=4\*GB2⑷、患者采用站立位，在患者和机架之间置一定厚度的有机玻璃板，作散射屏并使电子线能量降低，以提高皮肤剂量和包含皮下正常组织；=5\*GB2⑸、每一机架角度分别接受前后野及4个斜野的照射，野间隔60°，全身共12个照射野；=6\*GB2⑹、每天照射3个野，4天为一个治疗周期。如果将每一机架角分4个照射野，野间隔为90°，则照射时间