近年来,γ射线立体定向外科治疗装置(简称γ刀)在我国迅速发展起来,目前,临床应用有大概十余种类型的头部及体部γ刀,约200多家医院使用,治疗病例达10万例。γ刀已成为我国肿瘤治疗的重要手段之一,且被认为具有较好的临床应用前景[1]。γ刀按照使用的放射源数量和聚焦方式分类,大体可分为多源静态聚焦、多源单轴线旋转聚焦和单源双轴线旋转聚焦3种类型[2]。γ刀放疗同其他放疗方式一样,都在尽可能地追求最大限度地将射线剂量集中到病变(靶区)内,杀灭肿瘤细胞,而使周围正常组织器官少受或免受不必要的照射这一基本目标[3]。本研究使用Gafchromic® EBT3型免冲洗胶片分别对4C型γ刀(多源静态聚焦)、OUR-XGD型γ刀(多源单轴线旋转聚焦)和GMX-I型陀螺刀(单源双轴线旋转聚焦)形成的单靶点辐射野剂量分布进行了测量,对辐射野内剂量分布的均匀性、辐射野半影宽度进行了比较。
1.设备和材料:瑞典医科达公司生产的4C型γ刀,201颗60Co放射源,治疗时放射源、准直器、治疗机架等均为静止状态,不做任何旋转,为多源静态聚焦方式。深圳奥沃公司生产的OUR-XGD型γ刀,30颗 60Co放射源,治疗时准直器绕1个固定轴线旋转,为多源单轴线旋转聚焦方式。上海伽玛星公司生产的GMX-I型陀螺刀,采用单颗60Co放射源结构,治疗时围绕旋转盘轴线和滚筒轴线旋转,为单源双轴线旋转聚焦方式。美国ISP公司Gafchromic®EBT3型免冲洗胶片,最小标称分辨率25 μm。日本Epson公司Epson Prefaction V700 Photo胶片扫描仪,扫描胶片时分辨率设置为75 dpi。美国SNC集团公司SNC Patient 5.2胶片分析软件。
2. 比较指标:辐射野半影和辐射野剂量分布均匀性。根据目前临床上γ刀通行的坐标系定义,上述两项指标的测试与分析分别在x-z平面(患者仰卧于治疗床上时的冠状面)和x-y平面(患者仰卧于治疗床上时的轴状面)上完成。需要指出的是,由于γ射线束入射和出射方向上的不同,4C型γ刀和OUR-XGD型γ刀在x-z平面的测量胶片上形成了类似蝴蝶翅膀样的图像,如图 1所示,而GMX-I型陀螺刀则是在y-z平面的测量胶片上形成了类似蝴蝶翅膀样的图像。为了便于说明,按照翅膀和非翅膀平面对3种聚焦方式形成的辐射野进行比较分析。
3. 方法:将EBT3型免冲洗胶片插入球模内,对3种聚焦方式的γ刀分别在翅膀和非翅膀平面按临床治疗模式进行照射。GMX-I型陀螺刀照射时,旋转盘和滚筒同时转动,滚筒转动角度范围为306°~54°。照射完成后取出胶片,使用胶片扫描仪扫描成像,对图像使用胶片分析软件进行分析。由于测量的3种聚焦方式的γ刀辐射野尺寸不同,按半影(penumbra)与轴长(axial length)的比值(即半影轴长比)比较辐射野半影。除对x、y、z 3条主轴上的半影轴长比进行比较外,还对翅膀平面上的正对角线(positive slope diagonal,PSD)和负对角线(negative slope diagonal,NSD)上的半影轴长比进行了比较。PSD是指从图像的右上到左下的对角线;NSD是指从图像的左上到右下的对角线。翅膀平面上的对角线定义及PSD上的轴长、半影示例如图 1所示。
由于γ刀的辐射野是聚焦形成的,越靠近焦点位置处剂量越高,这不同于通过均整器形成的辐射野,因此,对γ刀辐射野剂量分布均匀性的比较没有采用传统的方法进行[4],即辐射野内任何处的最大吸收剂量点与辐射野均整区内的最小吸收量点的吸收剂量的比值,而是采用了80%剂量曲线包绕面积(A80%)与50%剂量曲线包绕面积(A50%)的比值进行。该项指标可直观地反映临床上以50%的剂量曲线勾画靶区时,一定比例的靶区内肿瘤组织被高剂量曲线所包绕。
1. 二维等剂量曲线分布:3种聚焦方式形成的单靶点二维等剂量曲线分布如图 2所示。 其中,多源静态聚焦方式和多源单轴线旋转聚焦方式测量的是14 mm准直器,单源双轴线旋转聚焦方式测量的是12 mm准直器。除多源静态聚焦非翅膀平面和多源单轴线旋转聚焦非翅膀平面图外,其他辐射野二维等剂量曲线分布图在形态上均有较大差异,各等剂量曲线间的距离(疏密程度)也不尽相同。肉眼观察,3种聚焦方式形成的单靶点辐射野剂量分布均匀性、辐射野半影宽度可能存在不同。
2. 聚焦方式与辐射野半影:轴线方向上,多源静态聚焦、多源单轴线旋转聚焦与单源双轴线旋转聚焦形成的半影轴长比范围依次为:0.13~0.48,0.17~0.33和0.28~0.54;翅膀平面的对角线方向上,依次为:0.31~0.39,0.38~0.43和0.54~0.72,详细结果列于表 1。3种聚焦方式形成的辐射野半影比较如图 3所示。由图 3可知,在不同的主轴及翅膀平面的正、负对角线方向上,3种聚焦方式形成的半影轴长比存在不同。总体上讲,3种聚焦方式形成的半影轴长比具有相类似的变化趋势,即在z轴上比值最小,x、y轴及翅膀平面的对角线方向上比值增大。从不同的聚焦方式比较,在x轴上,多源单轴线旋转聚焦与单源双轴线旋转聚焦形成的半影轴长比优于多源静态聚焦;在z轴上,多源静态聚焦形成的半影轴长比又优于多源单轴线旋转聚焦与单源双轴线旋转聚焦。值得注意的是,单源双轴线旋转聚焦方式除x轴外,在其他轴上的半影轴长比均高于另外两种聚焦方式,尤其是在翅膀平面的对角线方向上,这种情形更为明显。
轴线和翅膀方向辐射野半影比较 |
3.3种聚焦方式形成的辐射野剂量分布均匀性比较:非翅膀平面上,多源静态聚焦、多源单轴线旋转聚焦与单源双轴线旋转聚焦形成的包绕面积比(A80%/A50%)依次为0.40、0.47和0.19;翅膀平面上,依次为0.61、0.53和0.35。相对于非翅膀平面,3种聚焦方式在翅膀平面上具有更好的辐射野剂量均匀性。无论在翅膀平面还是在非翅膀平面上,多源静态聚焦与多源单轴线旋转聚焦形成的辐射野内剂量分布均匀性接近,并且均明显优于单源双轴线旋转聚焦方式。
γ刀与传统的放射治疗相比,最大的优点是分散了对健康组织的照射剂量。从γ刀自身的发展历程来看,使用的放射源数量由201颗减少到1颗,减少了换源的工作量。聚焦方式由静态聚焦发展到单轴线旋转聚焦和多轴线旋转聚焦,使射线进入人体的途径更加分散,获得了更高的焦点剂量和表皮剂量之比(焦皮比)。放射治疗的质量取决于治疗时吸收剂量的分布[5],靶区剂量更高,周围正常组织剂量更少,无疑是放射治疗始终追求的目标。辐射野剂量均匀性和辐射野半影是体现吸收剂量分布的两项重要指标。目前,临床上应用的γ刀类型多样,使用的放射源数量和聚焦方式各不相同。
辐射野半影越小,说明“刀”越锐利,靶区周围正常组织器官剂量下降更为陡峭,更有利于对正常组织器官的保护。一般而言,准直器越大,则半影越大。王恩敏和周良辅[6]指出,使用14 mm准直器替代18 mm准直器的放射治疗计划,可以使20%剂量曲线包绕的体积明显减小,而正常组织器官受照射的程度与治疗后产生并发症的危险性有重要的相关性,相同的治疗靶区使用2个14 mm准直器术后并发症是2.5%,使用1个18 mm准直器术后并发症是8.8%,说明辐射野半影对放射治疗质量有极其重要的影响。γ刀的半影依赖于设备自身的机械设计(与几何半影、穿透半影相关),又依赖于射线能量(与散射半影相关),其对半影的影响程度各不相同[7]。单源双轴线旋转聚焦方式,由于采用了单源设计,为保证有较高的焦点剂量率,单颗放射源的活度要足够大。放射源的活度大意味着放射源的尺寸大,总的装源活度相同时,单源旋转聚焦方式使用的放射源的尺寸要大于多源聚焦方式使用的放射源尺寸,从而增加了放射源的几何半影。相对于静态聚焦方式,动态旋转聚焦的入射途径大大增加,在获得更高的焦点和表皮剂量之比的同时,也增加了散射线产生的途径,从而导致增加散射半影的增加,这与不同聚焦方式的半影值大小有关。当靶区周围有重要的功能区,例如脑干、基底节、视神经等,宜选择使用半影相对较小的多源静态聚焦和多源单轴线旋转聚焦方式的γ刀。
肿瘤的复发率与肿瘤体积内接受低于处方剂量的体积有关,为达到γ刀治疗的最佳疗效,应尽可能使更多的肿瘤组织被高剂量曲线包绕,提高靶区内剂量分布的均匀性[8]。γ刀放射治疗一般以50%的剂量曲线作为处方剂量线,A80%与A50%比值大意味着以50%的剂量线勾画的靶区内将有更多的肿瘤组织被高剂量曲线所包绕。由于聚焦方式的不同,辐射野剂量均匀性也存在差别。在单靶点50%剂量曲线包绕的面积内,多源静态聚焦和多源单轴线旋转聚焦80%剂量曲线包绕的面积约为单源双轴线旋转聚焦方式的2倍。高剂量曲线包绕的肿瘤面积大,会提高放射治疗质量,也使γ刀向靶区内层层递增的剂量分布优势更加显现出来[9]。临床上,应根据治疗部位和治疗目的不同选择使用不同聚焦方式的γ刀。
Gafchromic® EBT3型免冲洗胶片具有能量依赖性小和空间分辨率高的特性,是辐射剂量分布测量的理想工具[10, 11]。如果胶片分辨率低和灵敏度差将会对测量结果引入不确定度。本研究对3种聚焦方式γ刀辐射野的测量均使用同一批次的胶片、相同的胶片扫描仪和相同的胶片分析软件,降低了不确定度对比较结果的影响。为减少测量误差,应使照射剂量保持在胶片的最佳线性区域内;扫描胶片时,应注意保持扫描仪和胶片的清洁等。应该指出,临床上γ刀放射治疗最常用的是多个靶点的治疗方式。单靶点辐射野吸收剂量分布是多靶点辐射野吸收剂量分布研究的基础,不同聚焦方式形成的多靶点辐射野吸收剂量分布的差异还有待进一步研究。
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