近距离治疗物理和临床特点 物理书 第13章.docx

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近距离治疗物理和临床特点物理书第13章

第13章近距离治疗物理和临床特点

翻译张红志

13.1.前言

近距离治疗（有时称为居里治疗或体内居里治疗）是一专用术语，用来描述

使用体积小且密封的放射源近距离治疗肿瘤。

这一治疗模式是将放射源直接植入被治疗的体积内，或植入在其周边。

在一短的时间内（一时性植入）或在放射源完全衰变的整个活性期内（永久性植入）实施连续照射。

通常近距离治疗的放射源辐射光子射线，但在一些特殊情况下也使用β或中子放射源。

近距离治疗主要有两种方式：

●腔内治疗，将放射源放置在靠近肿瘤的人体空腔内；

●组织间治疗，将放射源植入在肿瘤内。

腔内治疗采用一时性植入，而组织间治疗可以是一时性也可以是永久性植入。

一时性植入放射源或是手工方式或是远距离后装方式。

另外，近距离治疗应用不太普遍的方式包括：

表面敷贴，管内，术中和血管内植入，这些治疗模式使用γ或β放射源。

近距离治疗与外照射比较的物理学优点，是辐射剂量主要局限于靶体积。

缺点是近距离治疗仅能用于局限且体积相对小的肿瘤病例。

在一个放射治疗科，所有接受放射治疗的患者，约用10-20%采用近距离治疗。

实施近距离治疗必须考虑几个问题。

其中重要的是相对治疗体积确定放射源放置位置的方法，为这一目的，过去几个世纪发展了几种计算模型。

使用一个好的模型的优点，一是可从长期使用这些模型的经验获得益处，另一是从发表的文献中汲取其优点。

在近距离治疗中使用相同的模型和方法简化了治疗结果的比较。

应用模型经典治疗的例子，如宫颈癌的治疗，其处方剂量是以特定的A点确定；再如使用銥-192丝状放射源低剂量率（LDR）治疗头颈部肿瘤。

后一种模式中，巴黎系统给出了计算治疗剂量和时间的通用规则。

对于应用剂量优化技术的治疗，治疗时间取决于放射源相对剂量计算点，放置的位置和强度。

在这种情况下，剂量学系统定义的不很明确，可参考业已发表并总结了丰富临床经验的文献。

应用近距离治疗的特定方法和剂量分布计算模型，简化了结果的比较。

肿瘤治疗应用这些很成熟的剂量学系统，给出了进行这一比较的标准。

然而，要达到理想的临床结果只应用这些系统是不够的，为了剂量计算的准确，必须有确定放射源强度的有效方法。

即必须对放射源予以校准，并朔源至国家或国际的标准实验室。

实施近距离治疗重要的是：

●应用特定的剂量学系统计算治疗时间和剂量；

●放射源的校准。

这并不是全部必须的要素。

如果放射源的位置有很大的偏差，即植入的放射

源相对于预期的位置有较大的几何偏差，将不会达到治疗的目的。

由于近距离治疗具有剂量梯度大的特点，这一几何偏差会严重影响治疗效果。

因此，根据特定的治疗目的需要建立质量控制规程。

按照放射生物学观点，近距离治疗照射方式会有复杂的剂量率效应，这将影响治疗效果。

连续的获取照射剂量，将影响亚致死和潜在致死损伤的修复，细胞增殖和其他细胞动力学参数，这些会改变肿瘤和正常组织的放射响应。

表13.1.-13.4.按照植入的类型，持续照射时间，装入放射源的方法和剂量率，对近距离治疗给予总结。

表13.1.近距离治疗的植入类型

植入类型

说明

腔内

组织间

表面（模技术）

管内

术中

血管内

放射源放置人体空腔内贴近肿瘤组织

放射源经手术植入肿瘤组织内

放射源放置表面覆盖治疗组织

放射源放置于人体管腔内

放射源在手术中植入到靶组织

单一放射源放置在小的或大的动脉内

表13.2.按照治疗持续时间近距离治疗的分类

植入类型

说明

一时性

永久性

一短的时间内实施照射，达到处方剂量后将放射源退出

放射源活性期内直至完全衰变，一直实施照射

表13.3.按照放射源装入方式近距离治疗的分类

装入方式

说明

“热”装入

后装

在施源器放置患者治疗位置时，放射源已事先装入施源器内

首先将施源器放置在靶位置，然后将放射源通过手工（手工后装）或机械（自动远距离后装）方式装入施源器

表13.4.按照剂量率a近距离治疗的分类

剂量率

剂量规定点的剂量率值

低剂量率（LDR）

中剂量率（MDR）b

高剂量率（HDR）

0.4-2Gy/h

2-12Gy/h

>12Gy/h

a根据ICRU建议定义。

在临床实践中，HDR治疗的剂量率显著高于这里给出的低限12Gy/h。

bMDR方式应用并不普遍。

这些很少的应用实例，其治疗结果很难与LDR或HDR治疗方式相比较。

13.2.光子放射源特点

13.2.1.临床要求

近距离治疗的放射源通常是密封的，密封套管有几个作用：

●保存放射性核素；

●使放射源坚实；

●对光子放射源，吸收其衰变过程中产生的α和β射线。

从近距离治疗放射源产生的有用辐射注量一般包括：

-γ射线，最重要的辐射成分；

-在放射源中通过电子俘获或内转换辐射的特征X射线；

-在放射源套管内产生的特征X射线和韧致辐射。

对于特定的近距离治疗技术，选择适宜的光子放射性核素，取决于与之相关联的物理和剂量学特点，其中最重要的是：

（ⅰ）光子能量和光子射束穿透组织及屏蔽材料的程度；

（ⅱ）半衰期

（ⅲ）在屏蔽材料中，如铅中的半价层（HVL）；

（ⅳ）比活度；

（ⅴ）放射性强度；

（ⅵ）随距放射源的距离变化，剂量的反平方跌落（由于近距离治疗的距离非常短，这是首要的剂量学效应）。

光子能量不仅影响放射防护要求，而且影响穿透组织的程度。

在关注的较短

治疗距离内，当光子能量大于300KeV，光子的散射对组织中剂量分布的影响不

大。

这是由于组织吸收被散射线所补偿。

对于30KeV及更低能量的光子射线组

织吸收严重。

屏蔽从近距离治疗放射源辐射的高能光子，HVL是几个毫米的铅。

而对低能光子辐射，需要的厚度要小得多，通常只有0.1毫米的铅。

13.2.2.近距离治疗光子放射源的物理特性

超过十余种放射性核素的密封放射源，历史上曾应用于近距离治疗，目前仅有六种得到普遍使用，而其他几种只在特定情况下使用。

常用的放射源是60Co，137Cs，192Ir，125I，103Pd和90Sr/90Y，不常用的是198Au，106Ru和252Cf。

因为安全方面的考虑，226Ra和222Rn已不再继续使用，但它们在临床中长期使用的历史，仍然影响着现代近距离治疗的观念。

表13.5.列出了常用近距离治疗放射源的物理学特点。

表13.5.近距离治疗使用的放射性通位素特点

同位素

平均光子能量a（MeV）

半衰期

HVL铅（mm）

ΓAKRb,d（）

Λc,d（）

钴-60

铯-137

金-198

铱-192

碘-125

钯-103

1.25

0.66

0.41

0.38

0.028

0.021

5.26a

30a

2.7d

73.8d

60d

17d

11

6.5

2.5

3

0.02

0.01

309

77.3

56.3

108

---

----

1.11

1.11

1.13

1.12

---

---

a这仅是近似值，该值依赖于放射源的制作和滤过。

bΓAKRb,d是空气比释动能常数。

cΛ是剂量率常数。

d对于低能光子放射源，应用空气比释动能常数和剂量率常数的通用值作剂量计算，会产生较大的误差。

因此这里没有给出碘-125和钯-103的数值。

13.2.3.放射源的机械特性

近距离治疗应用的光子放射源有多种形状（针状，管状，籽粒状，丝状和丸状），一般是将其制成密封式放射源。

为了足于屏蔽从放射源辐射的α和β射线，以及防止放射性材料的泄漏，通常放射源都有双层密封壳。

●铯-137源有多种形状，如针状，管状和丸状。

●铱-192源为丝状，活性芯为铱-铂合金，外壳是0.1mm厚的铂材料。

该源也使用籽粒状，外有双层不锈钢壳，制成串形像尼龙丝带状。

HDR远距离控制后装治疗机使用特殊设计的铱-192源，标准活度为370GBq（10Ci）。

●碘-125，钯-103和金-198源只使用籽粒状。

通常使用特殊的植入“枪”将该种放射源植入到肿瘤内，实施治疗。

●钴-60后装治疗源为丸状，标准活度为18.5GBq（0.5Ci）。

13.2.4.放射源的物理量

以下两节给出推荐使用的近距离治疗放射源的物理量：

13.2.4.1描述γ射线源，13.2.4.2描述β射线源。

旧的物理量仍有使用，主要是制造厂家和一些旧式治疗计划系统（TPSs）。

当一种物理量转换成另一种时，要倍加仔细选择正确的转换因子。

有兴趣的读者欲了解对转换过程的详细论述，可参考国际原子能机构的技术文件—IAEA-TECDOC-1274。

13.2.4.1.γ射线源的物理量

推荐的γ射线源物理量是参考空气比释动能率（Kair（dref））air，国际辐射单位和测量委员会（ICRU）对其定义为：

空气中经空气吸收和散射校正，参考距离1m处的空气比释动能率。

书中的定义与ICRU38号和58号报告相同。

对于针状，管状和其他较小的固态放射源，放射源中心到参考点的方向，应与放射源的长轴成直角。

参考空气比释动能率的SI单位为Gy/s，为方便应用，

LDR近距离治疗放射源常用单位为μGy/h，而HDR放射源则为μGy/s和mGy/h。

美国医学物理学家学会推荐光子放射源使用专用物理量空气比释动能强度Sk。

（Kair（dref））air和Sk的相互关系为：

Sk=（Kair（dref））aird2（13.1）

d2为参考距离，由参考空气比释动能率确定（1m）。

上式显示，无论是用空气比释动能强度或是参考空气比释动能率表示，放射源强度的数值相等。

这两个物理量表示放射源的强度，仅仅是单位不同。

如果参考空气比释动能率是1μGy/h，则用空气比释动能强度表示放射源强度为1μGym2h-1。

AAPMTG43号报告推荐用一速记符号表示，即1U=1μGym2h-1=1cGycm2h-1。

过去，表示近距离治疗放射源强度的专用名词是活度（即每单位时间的衰变数），或对于镭-226这样的carrierfreesources简单的用其质量表示。

作为活度单位的居里（Ci）最初的定义是，1Ci等于1克镭-226产生的放射性（3.7*1010s-1）。

现代测量发现1克镭-226产生的放射性为3.655*1010s-1，或为0.988Ci。

直接测量放射源的活度尚存在一些困难，特别是放射源四周滤过材料的吸收和散射效应的影响。

另外一些物理量曾用于表示放射源的强度，其中用得较为普遍的是显活度和毫克镭当量。

过去，距放射源给定距离产生的照射量率，也曾用于表示放射源的强度。

在空气中的P点，距放射源距离为d处的照射量率Xp，是最初近距离治疗常用的参数，

（13.2）

其中

为放射源的活度（Ci）；

Γx为照射量常数（Rm2Ci-1h-1）

当前使用的是空气中的P点，距放射源距离为d处的空气比释动能率（Kair（d）），如下表示为

（13.3）

其中

为放射源的显活度；

ΓAKR为空气比释动能率常数，与Γx的关系为：

（13.4）

其中Γx的单位是Rm2Ci-1h-1，ΓAKR的单位是μGym2GBq-1h-1。

例如：

钴-60放射性核素：

和

（13.5）

对于一个给定的近距离治疗放射源的显活度（？

）定义为：

空气中，沿着过该放射源中点的垂线，在参考距离处（通常为1m），产生相同空气比释动能率的，同一放射性核素的假设未滤过的点源的活度。

显活度的SI单位是贝可勒尔（Bq，1Bq=1s-1），曾用单位是居里（1Ci=3.7*1010s-1=3.7*1010Bq）。

显活度有时称为等效活度。

在一给定位置，准确测量放射性强度（能量注量率）是可行的，因此目前推荐空气中的参考空气比释动能率和空气比释动能强度等物理量，表示放射源的强度。

13.2.4.2.β射线源的物理量

对于β射线源，推荐的物理量是在水中，距放射源的参考距离处的参考吸收剂量率。

不同放射源的参考距离不同，一般是距离放射源0.5-2mm之间。

13.3.临床应用和剂量学系统

13.3.1.妇科肿瘤

腔内近距离治疗广泛用于宫颈，宫体和阴道肿瘤的治疗。

装有放射源的多种施源器适用于放射源的分布。

宫颈施源器包括一个中位管（串列的宫腔管），和侧位源容器（卵源器或colpostats）。

13.3.1.1.放射源的类型

妇科肿瘤治疗使用最为普遍的放射源是铯-137源。

为获得预想的剂量分布，通常需要使用不同强度的放射源。

而现代远距离后装治疗机，铱-192是常用的放射性核素。

13.3.1.2.剂量定义

对于宫颈癌的治疗，有多种剂量学系统描述了剂量定义方法：

其中最常用的两种是曼彻斯特系统和ICRU系统。

曼彻斯特系统是以确定A点，B点，膀胱和直肠等四点的剂量而著称。

植入治疗的持续时间是基于A点的剂量率，A点位于宫颈口上2cm和中位管侧2cm。

如果中位管未移位，A点侧3cm定义为B点。

如果串列中位管移位，A点随其而位移，但B点始终保持距中线5cm。

ICRU系统推荐的是相对于靶体积的剂量分布，而不是特定点的剂量。

ICRU系统关于宫颈癌近距离治疗的剂量定义见第13.4节（参考ICRU第38号报告）。

13.3.1.3.放射源的分布

宫颈癌的腔内放射治疗，要兼顾靶体积和周围的敏感器官，要求仔细确定放射源的分布。

临床指南通常要确定宫颈旁组织获得足够的剂量，并在考虑粘膜限值的同时，避免宫颈周围区域欠剂量。

13.3.1.4.施源器

在宫颈癌的治疗中使用几种坚固的（riqid）施源器。

最常用的施源器是Fletcher-Suit-Delcos系统。

当使用这些坚固施源器系统是，通过仔细选择和适当装入串列中位管和卵源器中的放射源，可以优化剂量分布。

13.3.1.5.直肠和膀胱的剂量监测

宫颈癌腔内放射治疗最常发生的并发症，是由于放射源紧邻于直肠和膀胱，使其局部受到高剂量照射。

为使得这些敏感器官接受的剂量尽可能的少，施源器相对于直肠和膀胱的位置就显得格外重要。

在许多情况下，使用外科棉纱将这些敏感器官离开施源器。

尝试使用微型电离室或闪烁探测器直接测量直肠剂量。

然而这些系统给出的结果变化很大，与计算值相关性很差。

13.3.2.组织间近距离治疗

已建立了一些预先计划的剂量学系统用于临床。

在近距离治疗的早期，计算了接受的总剂量，和与之相关的治疗体积的表格，并得到应用。

使用这些表格以计算所需要的放射源数目，和预先计划放射源在靶体积中植入的位置，使其获得足够的剂量。

这就要求放射源植入要遵循这些系统确定的规则。

得到广泛使用的两个剂量学系统是Patterson-Parker（Manchester）系统和Quimby（Memorial）系统。

近代和当前广泛使用的是巴黎系统。

13.3.2.1.Patterson-Parker系统

Patterson-Parker剂量学系统的目标是计划设计，使得治疗体积接受均匀剂量（+/-10%处方剂量）。

基于靶体积的大小，遵循特定的规则，放射源的分布是不均匀的，周边的强度较高。

通常处方剂量约高于治疗体积最小剂量的10%。

Patterson-Parker剂量表使用现用的一些因子和剂量单位，相对于治疗面积（平面植入）或体积，给出接受900cGy剂量所需要的放射源总强度。

单平面：

放射源设置用于治疗1cm厚的组织。

处分剂量定义在距放射源平面0.5cm，并与其平行的平面。

双平面：

放射源设置在两个相互平行的平面，用于治疗的组织厚度可达约2.5cm。

所需放射源的总强度等分布在两个平面，放射源设置规则与单平面相同。

两个放射源平面间隔大于1cm时，为使得最小剂量thatisnomorethan10%lowerthantheprescribeddose要应用校正系数。

处方剂量定义在距放射源平面0.5cm

的每一内平面。

应注意对厚的靶体积，中平面的剂量可能比处方剂量低20-30%之多。

其他体积：

对不同形状体积（圆柱体，球体和长方体），放射源设置规则遵循果皮与果核之比。

通常放射源强度的75%位于外侧，25%位于内核。

13.3.2.2.Quimber系统

Quimber系统基于均匀的放射源强度分布，接受非均匀剂量。

通常治疗体积中心剂量要高于周边剂量。

Quimber剂量表给出的剂量值是植入体积中的最小剂量。

需要注意，表面施源器的标称剂量是治疗平面的最大剂量。

通常，对于较小的植入平面或体积，接受相等剂量时，应用Quimber系统所要求的放射源总强度，要大大高于应用Patterson-Parker系统的要求。

13.3.2.3.巴黎系统

巴黎系统最初应用于单平面和双平面植入治疗，并未涉及其他类型的治疗体积。

为获得计划设计的剂量分布，需要遵循选择和设置放射源的通用规则。

这些通用规则如下所述：

●必须使用线源且相互平行；

●所有放射源的中心必须位于同一平面（中心平面）；

●所有线源的强度（活度）必须注明和均匀；

●相邻放射源的间距必须相等。

●当使用较长的放射源时，源间空隙会较宽。

标称（参考）剂量率是基准剂量率的一固定百分数（85%）。

基准剂量率等于植入体积内放射源之间最小剂量率的平均值。

个别点的最小剂量率应在基准剂量率+/-10%以内，因此限制使用放射源的数目。

13.3.3.远距离后装治疗系统

一般，在施源器或源导管植入靶体积内以后，再用手工方法将放射源送入。

治疗结束后，同样用手工将放射源退出。

这一过程会使医护人员接受到放射线的照射。

为减少这种照射，一些计算机驱动的远距离后装治疗系统得到发展。

有三种不同类型的远距离后装治疗装置：

●低剂量率（LDR）；

●高剂量率（HDR）；

●脉冲式剂量率（PDR）。

使用远距离后装治疗装置，具有一些比手工过程的优点，如：

—提高了治疗患者的能力；

—实施治疗的一致性和重复性；

—减少了对医护人员的照射。

远距离后装治疗装置应用于组织间和腔内治疗。

应用这些装置通常治疗的解剖位，与应用常规近距离治疗的部位相同。

所有远距离后装治疗系统的基本部件是：

i.放射源的安全储源器；

ii.单个或多个放射源；

iii.现场或远距离操作台；

iv.放射源控制和驱动机械装置；

v.放射源传输导管和治疗施源器；

vi.治疗计划系统。

远距离后装治疗装置常用的三种放射源是钴-60，铯-137和铱-192。

当前后装治疗最常用的放射源是铱-192，这是由于该种放射性核素的γ射线能量适中（～400keV），和高放射性比度。

然而，其相对短的半衰期需要频繁的更换放射源（通常每年3到4次）。

LDR装置使用多个放射源，并与非活性间隙物同时使用，以达到典型的治疗剂量率，约为0.4—2Gy/h。

相反，HDR系统使用单个活度10—20Gy（370—740GBq）的铱-192放射源，治疗剂量率超过2Gy/min。

PDR装置使用单个1Ci（37GBq）铱-192放射源，实施短时多次HDR治疗，每时段间隔1小时，以模拟LDR连续治疗。

在HDR和PDR治疗模式时，通过改变放射源驻留位置和驻留时间，对剂量分布给予优化，以满足临床要求。

LDR和HDR系统临床应用可实施组织间，腔内和管内治疗。

HDR系统好于LDR系统的优点是：

剂量分布的优化；门诊患者的治疗；和消除对工作人员的照射。

然而，使用HDR系统尚有一些不足，诸如：

生物学效应不能很好确定；高辐射事故和严重偏差的潜在危险；和增加了工作人员的负担。

13.3.4.前列腺的永久性植入治疗

对于早期前列腺肿瘤，即病变局限于前列腺内，近距离治疗已被广泛接受为一种治疗手段。

辐射低能光子射线，短寿命放射源的永久性植入，常用于作为初始治疗手段，也有一些尝试使用分次或单次HDR近距离治疗，作为外照射的补量治疗。

在使用永久性籽粒植入治疗时，有一些因素必须考虑，诸如放射性核素的选择，治疗计划技术，放射源照射技术和总处方剂量。

13.3.4.1.前列腺植入治疗放射源的选择

随着辐射低能量（～30keV）光子射线的碘-125和钯-103籽粒放射源的应用，永久性放射性籽粒植入治疗早期前列腺癌的方法，重新得到人们的关注。

过去使用辐射中等能量（～400keV）光子射线的金-198放射性籽粒源，但是其过量的辐射危险性限制了这种放射性核素的使用。

钯-103的半衰期（17天）短于碘-125（60天），可获得较高的初始剂量率，适用于治疗快速生长的高期别肿瘤。

13.3.4.2.治疗计划技术：

超声和CT

应用超声或CT引导，有两种手术方法实施前列腺的籽粒植入治疗：

retropubic（open）和transperineal（closed）。

超声引导的transperineal方法作为可选择的技术，部分原因是其适用于门诊患者，操作可在一天完成。

13.3.4.3.预计划，籽粒植入和剂量分布

预计划是基于超声或CT（轴向）影像。

一般治疗体积是整个前列腺和其周边的小部分组织。

所需籽粒的数目和在靶体积中的分布，通过优化剂量分布或预计算的诺谟图（nomograms）来确定。

当近距离植入治疗作为治疗手段时，靶体积周边推荐的总剂量是：

使用碘-125放射源为150—160Gy，和钯-103为115—120Gy。

13.3.4.4.植入后的剂量分布和评估

植入后行CT扫描通常在术后两到三周，以使得术后水肿退缩和任何籽粒源的位移。

应用CT影像作剂量计算，并可和植入前的剂量分布比较。

13.3.5.眼敷贴器

眼内黑色素瘤是最常见的眼部肿瘤。

装有碘-125籽粒的眼敷贴器外敷在巩膜（外部）表面并包括整个肿瘤。

使用籽粒的数目相对于敷贴器的大小，对于12—20mm直径的敷贴器，籽粒数为7—24个。

每个籽粒源的常用活度是0.5—5mGi，可使治疗剂量率达到0.5—1.25Gy/h，连续照射5—12天处方剂量为100Gy。

如果肿瘤高度超过5mm，处方剂量点定义在肿瘤顶部，小于5mm高，则为巩膜内深5mm。

肿瘤的定位通常使用眼底透视,眼底照相，和A型及B型超声扫描。

也可使用CT和核磁影像。

植入后，使用超声影像确认敷贴器的位置。

眼部肿瘤治疗应用不太普遍的β放射源是锶-90/钇-90（电子最大能量：

2.27Mev；组织穿透能力：

12mm），以及目前使用的釕-106（电子最大能量：

3.4Mev；组织穿透能力：

20mm）。

13.3.6.血管内照射

运用近距离治疗技术防止血管狭窄治疗和支架植入后的再狭窄，放射线的潜在作用一直在研究。

临床调查显示，使用装入放射源的导管或放射性支架实施照射，可使冠状动脉壁发生变化。

选择辐射中等能量γ射线的铱-192放射源，可使用中或高剂量率照射。

也可使用锶-90/钇-90，钇-90和磷-32等辐射β射线的放

射源。

实施这种治疗，诸如接受的剂量，穿透深度，剂量分布和工作人员所受剂量等因素，在选择适宜的放射性核素时需要考虑。

通常治疗的处方剂量是，距放射源2mm处为14Gy，同时血管内表面不能超过30Gy。

为临床应用，要求剂量率的测量和计算在距放射源很短的距离（<5mm）以内。

13.4.剂量定义和报告

最近ICRU的两份报告推荐，在近距离治疗中使用标准和统一的方法，描述和报告治疗所接受的剂量。

这些报告确定了每一例实施的近距离治疗所必须报告的最少信息。

这些报告对于有兴趣体积的定义，植入技术的描述和接受剂量的确定等给出了建议。

空气中参考空气比释动能率是ICRU推荐的定义放射源强度的物理量。

13.4.1腔内治疗

ICRU38号报告对妇科近距离治疗报告推荐的内容是：

●技术的描述（放射源，施源器）；

●总参考空气比释动能率；

●时间剂量模式；

●