2016, Vol. 36
在直线加速器的放射治疗过程中,射野外正常组织和器官不可避免会受到来自机头各部位的漏射线和室内各种器材的散射线辐射(后文统称为野外辐射)。研究表明,野外辐射对人体不仅无益,而且还会增加二次致癌的风险[1, 2, 3, 4, 5, 6]。近几年来,有许多学者采用不同方法,对电子线放疗时的野外辐射进行了大量的测试研究:2006年,Chow和Grigorov[7]的研究发现,电子线野外辐射随离轴距离的增加而衰减,但存在局部高剂量区,比如12 cm处的辐射剂量高于其他位置。Shimozato等[8]发现射线能量越高,野外辐射也越强。Iktueren等[9]利用治疗计划系统(TPS)对野外辐射剂量进行了模拟计算,发现计算值与测量值并不相符,只有通过直接测量,才能确切地获得野外辐射剂量分布。有学者研究了如何减小患者的野外辐射剂量,建议在限光筒的内部或表面,敷贴一定厚度的铅皮来减少限光筒的漏射线[10, 11, 12, 13]。然而,在实际工作中,对于某一特定的加速器,只有通过全面、细致地测量,才能确定限光筒泄漏的准确位置和泄漏剂量大小,这种方法,不但工作量很大,而且只针对限光筒漏射线起作用,对来自其他部位的漏射线和室内散射线等不起作用,因此,具有较大的局限性,难以普遍推广。为了寻求一种简便、高效的方法,减少电子线放疗时的射野外辐射剂量,本研究利用1~4层0.5 mm铅当量的铅围裙(LA)和自有专利防护装置(专利号:ZL 2015 20356404.4,BSD),对不同能量电子线照射时野外辐射进行了屏蔽和比较研究。
材料与方法1.实验仪器:德国西门子Primus直线加速器,电子线能量6、9、12和15 MeV。所用热释光剂量测量系统由中核(北京)核仪器厂生产,包括FJ347A热释光剂量仪、FJ411A退火炉、JR1152-B氟化锂热释光剂量片(TLD,LiF:Mg,Cu,P);TLD规格3 mm×3 mm×0.8 mm,灵敏度10-7Gy(60Co),分散性≤5%,线性范围5×10-7~10 Gy。为模拟实际的放射治疗条件,实验中使用30 cm×20 cm×120 cm的密封有机玻璃水箱(SWP,简称水箱)。并用厚度为1和2 mm的电解提纯铅皮(含铅量99.994%),制作了一种降低全身辐射剂量的防护装置(BSD)[14],见图 1。下文中根据BSD所用铅皮的厚度不同(1或2 mm),分别简称为1和2 mm Pb-BSD。实验中还使用了CT室常用的铅围裙,其铅当量为0.5 mm/层。
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图 1 防护罩结构示意图 A.防护面罩; B.防护底罩 Figure 1 Diagrammatic sketch of body shielding device (BSD) A. Top cover of BSD; B.Bottom cover of BSD |
2.TLD筛选及刻度:根据热释光剂量测量系统生产商建议,退火炉升温至243℃,反复细调,恒温1 h后,再将TLD置于243℃退火炉中恒温10 min,然后,将TLD取出,倒在专用不锈钢冷却盘中,迅速冷却至室温,完成退火。每次测量前,均采用上述方式进行退火。正式测量读数前,还需要对热释光剂量仪进行仪器本底、本底片、标准光源计数等修正。在以下的实验测量过程中,热释光剂量仪的读出值均是包含了相关修正系数的最终剂量值。
将两层叠放的X光胶片裁成16 cm×16 cm,使其与RW3固体水一样大小,然后,在胶片的中心剪出一个6 cm×6 cm方孔,形成一个正方形的胶片框,再将此胶片框贴于10 cm厚的RW3固体水上,在固体水表面形成一个方形小坑。把已退火的TLD片彼此紧密相接,规则排列于上述方坑中,再用1 cm厚的RW3固体水模块覆盖其上。胶片框的作用:密封TLD上、下两层固体水间的间隙,并支撑TLD上面的固体水,防止固体水挤压TLD。
分别用加速器产生的6、9、12和15 MeV的电子线照射上述TLD,射野10 cm×10 cm,源靶距为100 cm,TLD矩阵位于照射野中心,照射10 MU后,用热释光剂量仪对已照TLD进行测量读数,将读数分散性 < ±3%的TLD检出备用。对所选TLD的读数取平均值,记为MTLD,mGy。用剂量仪实测照射10 MU时固体水中TLD所在位置的剂量值,记为M10MU,mGy。用TLD进行剂量测量的刻度系数K可按公式(1)计算:
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(1) |
根据TLD生产商建议,实验中TLD测量的升温程序设为:预热温度140℃,预热时间20 s、读出温度240℃,读出时间20 s、退火温度243℃、退火时间20 s,高压设定为660 V。
3.照射和测量:将水箱固定于加速器治疗床上,分别用6、9、12和15 MeV的电子线对水箱的一端进行照射,相关参数如下:机架角度0°,5种不同尺寸的限光筒( ϕ 5、10 cm×10 cm、15 cm×15 cm、20 cm×20 cm、25 cm×25 cm),源皮距100 cm,剂量率300 MU/min,每次照射100 MU,每个测量点放一组TLD,每组5片,排成一行,每行TLD均与加速器准直器的y方向平行。由于每片TLD都经过严格筛选和刻度,测量精度较高,因此,在排除了个别误差 > 10%的读数后,取每一组TLD读数的平均值作为每个测量点的剂量值。
(1) 铅围裙屏蔽效果测量:首先,测量水箱表面未进行任何屏蔽时的野外辐射剂量,测量点在水箱表面沿着床中轴线排列,距射野边缘分别为5、10、15、20、30、40、50、80和100 cm,分别进行照射和测量;然后,将另一组已退火TLD,放在水箱表面同样位置,并分别用1、2、3、4层铅围裙覆盖,依次照射和测量。根据野外辐射剂量的测量值,计算出不同层数铅围裙对野外辐射的遮挡率R(%)。
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(2) |
式中,R为遮挡率(%);D0为无屏蔽时野外某一点的辐射剂量,mGy;Dshield为有屏蔽时对应点的辐射剂量,mGy。
(2) BSD屏蔽效果测量:将另一组退火后的TLD置于水箱表面7个不同位置,即沿床面中轴线上排列,距离射野边缘5、10、15、20、30、40、50 cm,用1 mm Pb-BSD和2 mm Pb-BSD分别替代2和4层的铅围裙,并在10 cm×10 cm限光筒条件下进行照射和测量。对比分析BSD和铅围裙的屏蔽效果。
4. 统计学处理:实验数据采用SPSS 19.0 软件进行数据分析,两组内数据比较采用配对t检验,相关性采用Pearson相关分析法。P < 0.05为差异有统计学意义。
结果1.铅围裙的屏蔽效果:限光筒为10 cm×10 cm时,不同能量电子线野外辐射剂量经不同层铅围裙屏蔽前后随野外距离的变化规律如图 2所示。由图 2可知,对于不同能量大小的电子线,水箱表面上的野外辐射剂量的变化趋势大致相似,均随距离增加而大幅减小,随能量的升高而增大,当电子线能量最高时,其野外辐射最强,如15 MeV电子线野外辐射剂量约为6 MeV的2.5倍。
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图 2 不同层铅围裙屏蔽前后野外辐射剂量随野外距离的变化规律 A.6 MeV; B.9 MeV; C.12 MeV; D.15 MeV Figure 2 SRDs before and after shielding with different layers of LA,varying with distance from beam field edge A. 6 MeV; B. 9 MeV; C. 12 MeV; D.15 MeV |
限光筒为10 cm×10 cm时,不同层数铅围裙对野外辐射的遮挡率随野外距离的变化规律如图 3所示。由图 3可知,遮挡率随电子线能量和距离而改变,随着电子线能量的增大而减小,随距离的增加而上升。对于较低能电子线,如 6 MeV,在10 cm×10 cm的限光筒条件下,1和2层铅围裙的遮挡率随距离增加而急剧上升,分别从38.7%升至97.6%,从66.7%升至97.6%。
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图 3 不同层数铅围裙对野外辐射的遮挡率随野外距离的变化规律 A. 6 MeV; B. 9 MeV; C. 12 MeV; D. 15 MeV Figure 3 Shielding ratios of different layers of LA against SR,varying with distance to beam field edge A. 6 MeV; B. 9 MeV; C. 12 MeV; D. 15 MeV |
但3和4层铅围裙的遮挡率随距离变化不明显,增幅均较小,仅从85.4%增至97.9%和从88.7%增至98.6%。上述结果表明,对于6 MeV能量电子线而言,2层铅围裙即可达到很好的屏蔽效果,继续增加屏蔽厚度,其作用有限,因此,没有必要采用4层或更厚的铅围裙。
同样的屏蔽,较高能电子线(15 MeV)的遮挡率比较低能电子线的小,而且,随距离的变化更缓慢。在10 cm×10 cm限光筒条件下,对于15 MeV电子线,采用1、2、3和4层铅围裙遮挡时,其遮挡率变化范围分别为13.8%~52.2%、27.5%~68.6%、36.6%~79.5%和45.9%~86.2%。
不同能量电子线在5种不同尺寸限光筒条件下,4层铅围裙对野外辐射的遮挡率随野外距离的变化规律如图 4所示。由图 4可知,对于不同能量的电子线,采用4层铅围裙遮挡时,遮挡率随限光筒的尺寸和距离变化不尽相同,没有明显的相关性。
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图 4 5种不同尺寸限光筒条件下4层铅围裙对野外辐射的遮挡率随野外距离的变化规律 A. 6 MeV; B. 9 MeV; C. 12 MeV; D. 15 MeV Figure 4 Shielding ratios of 4-layers of LA against SR under the condition of 5 different size of applicators,varying with distance to beam field edge A. 6 MeV; B. 9 MeV; C. 12 MeV; D. 15 MeV |
2. BSD的屏蔽效果:限光筒为10 cm×10 cm时,不同能量电子线野外辐射经1或2 mm Pb-BSD,2或4层铅围裙屏蔽前后随野外距离的变化规律见图 5。由图 5可知,由于1 mm Pb-BSD不仅含有1 mm铅,而且,还有一层5 mm的组织补偿膜,其总的铅当量 > 1 mm,因此,1 mm Pb-BSD的屏蔽效果优于2层0.5 mm铅当量的铅围裙。对于6和9 MeV较低能电子线,10 cm×10 cm限光筒,1 mm Pb-BSD的遮挡率变化范围分别为81.5%~95.3%和55.4%~84.6%。同样,2 mm Pb-BSD不仅含有2 mm纯铅,而且,还有一层5 mm的组织补偿膜,其总的铅当量 > 2 mm,2 mm Pb-BSD的屏蔽效果优于4层0.5 mm铅当量的铅围裙。对于12和15 MeV较高能电子线,10 cm×10 cm限光筒,2 mm Pb-BSD的遮挡率变化范围分别为64.6%~93.4%和51.1%~92.4%。
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图 5 1或2 mm Pb-BSD,2或4层铅围裙屏蔽前后野外辐射剂量随野外距离的变化规律 A. 6 MeV; B. 9 MeV; C. 12 MeV; D. 15 MeV Figure 5 SRDs before and after shielding with 1 or 2 mm Pb-BSD,2 or 4 layers of LA,varying with distance to beam field edge A. 6 MeV; B. 9 MeV; C. 12 MeV; D. 15 MeV |
讨论
随着放疗技术的进步,患者的生存时间越来越长,放疗过程中射野外全身辐射剂量的二次致癌问题受到越来越多学者的关注[15, 16]。既往研究仅限于测试、计算野外辐射,或仅在限光筒的内部或表面进行局部遮挡防护。由于不同制造商的限光筒设计方法不同,而且,局部遮挡不能减少加速器其他部位漏射线和室内散射线的作用,因此,局部遮挡的方式具有一定的局限性和盲目性。最近,Cardenas等[17]经过测量发现,在利用电子线进行治疗时,对患者采取适当的屏蔽非常重要,尤其是对于怀孕的患者,有效的体部防护措施则更具有临床意义。
本研究中,由于所采用的JR1152-B型TLD不能用于中子剂量测量,因此,未考虑高能电子放疗时的中子辐射剂量问题。实际上,不论高能电子还是高能光子放疗,中子辐射剂量都须加以重视[18]。2005年,Carinou等[19]采用蒙特卡罗方法,模拟了高能医用电子加速器的光中子剂量,发现在毗邻治疗区域的组织或器官中,光中子剂量约占野外辐射剂量的10%。在BSD设计时,在铅皮表面增加了5 mm厚的组织补偿材料,一方面,是为了消除或减弱铅皮对室内野外辐射的反向散射作用;另一方面,也是为了减少中子与铅的作用。
本研究中,采用了CT室常用的铅围裙和自有专利防护装置BSD,其取材方便、经济,可重复利用,而且遮挡效果明显。BSD主要由两部分组成,包括防护底罩和防护面罩。在防护面罩两侧边条上,设有松紧调节及锁紧插口,可让防护面罩沿底罩上的锁紧钉上、下滑动,从而可调节防护罩的高度,尽量缩小防护罩与体表的间隙,以减少从防护罩端面间隙进入的辐射,达到更好的防护效果。由于防护面罩呈圆弧形,与人体表面难以严密贴合,因此,用橡胶设计制作了可装水的、富有弹性的长条形密封胶囊,该密封胶囊装水后,置放于防护面罩端口内侧,用于封堵防护面罩端口与体表间的空隙,以减少从防护面罩横断面进入的辐射。
本研究测试了不同能量条件下,距射野边缘5~100 cm处的野外辐射剂量及铅围裙的遮挡率,结果表明,野外距离>50 cm后,野外辐射剂量值已很小,因此,在接下来的BSD屏蔽实验中,测量点范围改为5~50 cm。从实验结果来看,距离射野边缘15 cm处的野外剂量值 > 10 cm处,其主要原因是野外辐射包括来自机头各部位的漏射线和室内各种器材的散射线,成分复杂,其剂量分布随距离的变化不遵照特定的规律(如指数衰减),有时存在局部高剂量区,这一点与Chow和Grigorov[7]的报道相似。对于较低能电子线,如6 MeV,分别采用1~4层铅围裙遮挡时,其最大遮挡率几乎相同,介于97.6%~98.6%之间,增加铅围裙层数后,其最大遮挡率也不能达到100%,主要是由于电子线野外射线中含部分高能X射线。实际测量表明,在6~12 MeV电子线束中,X射线污染成分为0.5%~2%;12~20 MeV电子线束中,X射线污染成分为2%~5%。
本研究中,测试了不同能量电子线在不同限光筒条件下的野外剂量,其野外剂量随限光筒的增大有上升趋势,但幅度不大,这与Shimozato等[8]研究结果一致。本研究采用4层铅围裙遮挡时,遮挡率随限光筒的尺寸和距离变化杂乱,没有明显的相关性,这是因为野外辐射主要包括来自机头各部位的漏射线(能量高)和室内各种器材的散射线(能量低),对于不同的照射条件,其漏射线的大小、漏射部位均不同,而且散射线的分布也随位置而变;同时,在不同位置,漏射线在野外辐射中所占比例也不相同,加上本实验中所采用的屏蔽材料的有效铅当量仅为1~2 mm,对高能射线的作用有限,因此,本实验中在不同条件下所测的遮挡率无特定的变化规律。
相近铅当量的铅围裙和BSD遮挡效果相似,1 mm Pb-BSD遮挡效果略优于2层铅围裙,2 mm Pb-BSD遮挡效果也略优于4层铅围裙。虽然,铅围裙很普及,易于取用,但由于铅围裙较重,覆盖于患者体部因缺乏外部支撑,有时可能导致患者不适,甚至影响呼吸,因此,铅围裙在用于屏蔽野外辐射时会受到一定限制。而BSD的大小、高度均可根据患者体型进行个体化调节,并有支撑装置,不会直接压在患者身上而导致患者不适,因此,BSD较铅围裙有明显优势。
考虑到铅污染的问题,国际上也有学者采用了无污染的替代材料Xenolite-NL,Yeboah等[13]对该材料进行了漏射线屏蔽性能测试,结果显示,在9 MeV电子线照射时,4 mm厚的Xenolite-NL可以屏蔽2/3的漏射线;当电子线能量每增加3 MeV,约需增加2 mm厚的Xenolite-NL才能达到相似的屏蔽效果。
由于研究的时间有限,本研究仅在模拟放疗条件下测试了两种屏蔽方式的遮挡效果,根据前期所得实验结果,下一步将对头颈部肿瘤、乳腺癌等肿瘤患者放疗时的野外辐射剂量,特别是重要组织器官,如眼晶状体和甲状腺等的辐射剂量进行屏蔽实验研究。
利益冲突 作者申明与其他作者以及基金无任何利益冲突作者贡献声明 蒋绍惠负责数据测量、技术测试、数据整理与分析、文稿撰写与修改,参与整个实验过程;张书旭负责整体项目技术设计;王锐濠、雷怀宇、周祥、张国前协助技术测试、数据测量及数据记录与收集;林生趣负责整体项目协调和监控
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