两种材质的金属植入物对放疗剂量分布影响的研究
引言
在临床放疗工作中，患者体内有时会有金属植入物，原因如下：① 金属植入物在肿瘤内或非常靠近肿瘤，外科手术（并置入植入物）结合放射治疗是一种常见的治疗骨科肿瘤方法[1]，恶性骨肿瘤的放疗在肿瘤治疗中取到了越来越重要的作用[2-4]；② 金属植入物虽离肿瘤较远，但照射野有可能会穿过金属植入物到达治疗区域，如临床中经常有置入植入物的肿瘤患者（如植入人工股骨头的宫颈癌、前列腺癌患者）接受放射治疗[5-8]。
骨科金属植入物目前常以不锈钢、钛合金为主，不锈钢的密度为7.91 g/cm3，钛合金的密度为4.54 g/cm3。不锈钢主要成分为铁、铬、镍，以及少量的氮、锰、硅、硫、钼等，拥有良好的机械性，在体内较易腐蚀，因此常作暂时性的内置物。钛基合金植入物，含有铝和钒，耐腐蚀性好，价格较贵，常作永久性植入物使用。本文详细研究不同材质（不锈钢、钛合金）的植入物对放射治疗的影响。
1 材料与方法
目前在金属植入物、高低密度转换处剂量最精确的算法是蒙特卡罗算法（Monte Carlo）[9]，加速器治疗头是影响射线品质的主要因素，治疗头包括靶、初级准直器、均准块、电离室和反射镜等。在蒙特卡罗算法中模拟加速器治疗头最强大的软件工具之一是EGS4，在此基础上形成了EGSnrc软件[10-11]，用此软件对直线加速器进行建模及计算，用BEAMnrc来建立加速器模型[12]，模拟的是医科达Infinite直线加速器，由80对在离源100 cm处投影为0.5 cm宽的准直器组成，由X、Y两对准直器组成的离源100 cm处的最大射野为40 cm×40 cm，X方向准直器离源较远。BEAMnrc用的截面数据库是700 icru.pegs4dat，模拟源为0号源，其半径为0.5 mm，电子和光子的截止能量分别为0.7 Mev、0.01 Mev，计算网格大小为0.1 cm×0.1 cm×0.1 cm，模拟的粒子数为1×1012，以确保统计误差在2%以内，由BEAMnrc生成相空间文件，再得到三维剂量分布的文件，生成百分深度剂量（PDD）。
蒙特卡罗模拟的能量为6 MV线，源皮距（放射源沿射线的中心轴到被照射物体表面之间的距离）SSD（Source-Skin Distance）为100 cm，机头角度和机架角度为0°，射野大小为10 cm×10 cm和3 cm×3 cm，植入物的上表面置于水下4.8 cm处，水箱的长、宽、高分别为40、40、50 cm。
共模拟不锈钢、钛合金两种材质植入物，都为国产。不锈钢、钛合金板植入物宽度都为1.3 cm，长度为14.0 cm，每一种材质的植入物共模拟4种厚度，厚度分别为0.4、1.0、2.0、4.0 cm。
2 结果
为了便于比较不同材质植入物对射线剂量分布的影响，用公式
来计算由于植入物的引入对剂量的增减，其中PDD植入物、PDD水分别代表有金属植入物、没有金属植入物只有水的百分深度剂量。
0.4 cm厚的金属植入物6 MV Χ线照射的百分深度剂量模拟计算结果（10 cm×10 cm），见图1。不锈钢、钛合金植入物比纯水时，植入物表面剂量分别增加23.4%、19.2%，剂量影响小于2.0%的地方离不锈钢和钛合金植入物表面的距离分别为0.5、0.3 cm，离不锈钢和钛合金植入物表面的距离大于0.7、0.6 cm的地方剂量影响小于1.0%；射线穿过不锈钢、钛合金植入物后剂量比纯水时分别减少16.2%、11.5%，随着距离的增加剂量影响减小，5 cm处剂量比纯水时分别减少6.5%、2.6%。射线穿过植入物后形成明显的二次建成效应，图1观察到0.4 cm厚不锈钢植入物出射面以下的剂量与在水中的剂量相比差距较大，能看到两条剂量线间存在明显的剂量差异，钛合金植入物射线出射面以下的剂量与在水中的剂量相比差距较小。当射野面积为3 cm×3 cm时，不锈钢、钛合金与在水中相比时，植入物的射线入射面剂量分别增加23.8%、19.0%，植入物的射线出射面剂量分别减少16.2%、12.2%，与射野10 cm×10 cm模拟计算结果相比没有明显差异。
图1 0.4 cm厚的植入物在水中的百分深度剂量
不同材质(不锈钢、钛合金) 以及不同厚度（1、2和4 cm）的植入物在水中的百分深度剂量分布，见图2。厚度为1、2和4 cm的不锈钢植入物射线入射面剂量与在水中剂量相比分别增加23.8%、24.0%和24.3%，厚度为1、2和4 cm的钛合金植入物射线入射面剂量与在水中剂量相比分别增加19.8%、20.3%和20.6%。不锈钢、钛合金两种材质厚度因素对植入物射线入射面剂量影响不大，4 cm厚的不锈钢、钛合金植入物射线入射面剂量与相同材质0.4 cm厚的植入物剂量相比分别增加0.9%、1.4%。
1、2和4 cm厚不锈钢植入物射线出射面的剂量与在水中剂量相比分别减少23.0%、35.2%和55.1%，1、2和4 cm厚钛合金植入物射线出射面的剂量与在水中剂量相比分别减少18.4%、23.6%和35.0%。对于1 cm厚的不锈钢、钛合金植入物，离射线出射面距离为5 cm处剂量与在水中剂量相比分别减少16.3%、7.3%；对于2 cm厚的不锈钢、钛合金植入物，离射线出射面距离为5 cm处与在水中剂量相比分别减少30.6%、15.6%；对于4 cm厚的不锈钢、钛合金植入物，离射线出射面距离为5 cm处与在水中剂量相比分别减少53.7%、30.3%。随着金属植入物厚度的增加，在植入物射线出射面后的百分深度剂量与在水中的百分深度剂量相比差距越来越大。当不锈钢、钛合金植入物厚度较薄时，射线出射面后能形成较明显的二次建成效应，随着植入物厚度的增加，出射面后的二次建成效应变得不明显。
图2 不同厚度、材质的植入物在水中的百分深度剂量
注：a. 1 cm厚的植入物；b. 2 cm厚的植入物；c. 4 cm厚的植入物。
3 讨论
蒙特卡罗模拟计算的结果显示，不同厚度（0.4、1、2和4 cm）的不锈钢、钛合金金属植入物射线的入射面剂量与在水在的剂量相比分别有约23%、20%的提高，随着厚度的增加稍有增加，但是剂量影响不大。不同厚度（0.4、1、2和4 cm）的不锈钢、钛合金材质的金属植入物射线出射面剂量与在水在的剂量相比分别减少约16.2%～55.1%、11.5%～35.0%，与厚度呈正比关系，较薄的植入物对剂量的影响较小[12]。金属植入物射线入射面表面剂量的增加主要是由于金属材料的背向散射引起，背向散射影响效果与植入物的原子序数大小有关，原子序数越高其散射截面越大[13]，背向散射效果还与射野大小、射线的能量大小有关。在本研究中背向散射影响范围在0.8 cm以内，剂量影响的距离较短，这有可能是射线与金属植入物相互作用产生的次级电子射程短有关，造成在离开入射面后短距离内剂量迅速下降。金属植入物射线出射面后形成的二次建成效应原因是原射线穿过金属植入物后产生了散射光子和次级电子，在刚开始时随着深度的增加剂量逐步增大，一定距离后由于原射线的衰减、散射光子的碰撞和次级电子超过最大射程后其作用减弱引起总剂量的减少，形成二次建成效应。从模拟计算的结果看出不锈钢植入物的二次建成效应完成的距离要长于相同厚度的钛合金植入物。
金属植入物放射治疗剂量精确计算的原因如下：金属伪影[14-15]、金属植入物CT值的准确读取[16-17]、金属密度过高导致常用计算方法不适用[18]等。Lin等[18]用卷积叠加算法（convolution superposition）与蒙特卡罗算法得到的剂量分布进行比较，在射线入射表面5 mm内，钛金属与钴铬钼合金（CoCrMo）计算结果相比有20%、27%的减少，而在射线出射面有2%、4%的增加，造成这种计算偏差的原因为：肺、空气、脂肪、骨等认为是不同密度的水，在不同密度组织界面处会产生剂量计算的偏差，随着密度进一步增加计算偏差会更大。本课题组的前期研究结果认为CT的扫描条件特别是电压值对金属CT值的读取影响很大，应固定管电压，同时扩展CT值-电子密度校正范围用[19]。刘明等[20]用卷积算法与实际测量值进行比较，卷积算法在不锈钢和钛合金射线入射面计算结果比实际测量结果分别偏低13%和12%，在射线出射面偏高6%和5%。Mian等[21]用蒙特卡罗方法计算60Co射线照钛合金植入物入射面时剂量有15%的增加，同时进行了实际测量，与蒙特卡罗算法结果一致。因此目前蒙特卡罗算法是计算金属植入物时放疗剂量分布最准确的算法。
出射面剂量增高的现象叫做背向散射[22]，金属表面的剂量变化称为背向散射因子，该因子与原子序数成正比，原子序数越大，因子也越大，因为原子序数高的物质有较高的散射截面[23]，铅的背向散射因子可达1.7以上，背向散射因子还与金属厚度、射野大小、射线的能量等因素有
关[22,24]。
4 结论
本文通过蒙特卡罗方法模拟了加速器6 MV的X射线照射在水中的不锈钢、钛合金植入物（0.4、1、2、4 cm厚），计算其表面（射线入射面和出射面）的剂量变化，在不锈钢、钛合金植入物的射线入射面相对于水分别大约有24%、20%的提高，不锈钢、钛合金金属植入物出射面剂量相对于水分别减少大约16.2%～55.1%、11.5%～35.0%。不锈钢植入物对放射剂量的影响大于钛合金植入物。
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