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1、程品晶 （cheng-) 核科学技术学院,放射物理学,第六章 高能电子束射野剂量学,高能电子束应用于肿瘤的放射治疗始于上世纪50年代初期。 据估计约15的患者在治疗过程中要应用高能电子束。 计划设计要求在给予靶区足够剂量的同时，必须注意保护正常器官。,加速器,偏转磁铁,散射片,电子束治疗,钨靶,均整器,扩大和均匀射野,X射线治疗,加速器治疗机产生的射线,对于医用直线加速器，经加速和偏转后引出的电子束，束流发散角很小，基本是单能窄束，必须加以改造，才能用于临床。,第一节 治疗电子束的产生,改造方法主要有两种：,利用散射箔展宽电子束。,利用电磁偏转原理展宽电子束。,方法之一：利用散射箔展宽电子束

2、根据电子束易于散射的特点，将其射束展宽。所用散射箔材料的原子序数和厚度，要依据电子束能量选择。散射箔可以有效地将电子束展宽到临床所需要的最大射野范围。电子束通过散射箔展宽后，先经x射线治疗准直器，再经电子束限光筒形成治疗用射野。,电子束经x射线准直器及电子限光筒壁时，也会产生散射电子，从而改变电子束的角分布并使其能谱变宽，从而改善射野均匀性，使其剂量建成区的剂量显著增加，但随限光筒到表面的距离的增加而影响减少。,将单一散射箔改用为双散射箔系统，可进一步改善电于束的能谱和角分布。第一散射箔的作用，是利用电子穿射时的多重散射，将射束展宽；第二散射箔类似于x射线系统中的均整器，增加射野周边的散射线，

3、使整个射线束变得均匀平坦。使用双散射箔系统，电子束限光筒可不再使用单一散射箔通常采用的封闭筒壁式结构而改用边框式，此时边框式限光筒仅起确定射野大小(几何尺寸)的作用。,可以减少或避免因电子束穿过散射箔时产生的x射线污染，它采用类似电视光栅式扫描或螺旋式扫描的方法，将窄束电子打散，从而使电于束展宽。其特点是能谱窄，剂量跌落的梯度更为陡峭，较低的x射线污染等。,方法之二：利用电磁偏转原理展宽电子束。,第二节 电子束射野剂量学,高能电子束的特点：,（1）高能电子束具有有限的射程，可以有效地避免对靶区后深部组织的照射。这是高能电子束最重要的剂量学特点；,（3）随着电子束限光筒到患者皮肤距离的增加，射野

4、的剂量均匀性迅速变劣、半影增宽；,（2）易于散射，皮肤剂量相对较高，且随电子能量的增加而增加；,（4）百分深度剂量随射野大小特别在射野较小时变化明显；（5）不均匀组织对百分深度剂量影响显著；（6）拉长源皮距照射时，输出剂量不能准确按平方反比定律计算；（应考虑有效源皮距）（7）不规则射野输出剂量的计算，仍存在问题。,基于高能电子束的上述特点，它主要用于治疗表浅或偏心的肿瘤和浸润的淋巴结。,一、中心轴百分深度剂量曲线,1、百分深度剂量曲线的特点 图6-5示出了模体内电子束中心轴百分深度剂量的基本特性及有关参数。,Ds：入射或表面剂量，以表面下0.5mm处的 剂量表示；Dm：最大剂量点剂量；R100

5、：最大剂量点深度；Dx：电子束中x射线剂量；Rt（R85）：有效治疗深度，即治疗剂量规定 值(如85Dm)处的深度；,有关参数：,R50：50Dm或半峰值处的深度（HVD）；Rp：电子束的射程；Rq：百分深度剂量曲线上，过剂量跌落最陡 点的切线与Dm水平线交点的深度。,高能电子束的百分深度剂量分布，大致可分为四部分：,剂量建成区,高剂量坪区,剂量跌落区,x射线污染区,与高能x()射线相比，高能电子束的剂量建成效应不明显，表现为：,表面剂量高，一般都在7585以上，并随能量增加而增加；,随着深度的增加，百分深度剂量很快达到最大点；,然后形成高剂量“坪区”。,这主要是由于电子束在其运动径迹上，很容

6、易被散射，使得单位截面上电子注量增加。,剂量趺落是临床使用高能电子束时极为重要的一个概念。,记为，G=Rp/(Rp-Rq),该值一般在2.02.5之间。,用剂量梯度G表示:,任何医用加速器产生的电子束都包含有一定数量的X射线，从而表现为百分深度剂量分布曲线后部有一长长的“拖尾”。 电子束在经过散射箔、监测电离室、x射线准直器和电子限光筒装置时，与这些物质相互作用，产生了X射线。 对采用散射箔系统的医用直线加速器，x射线污染水平随电子束能量的增加而增加。,（1）能量的影响,2、百分深度剂量的影响因素,电子束百分深度剂量分布随电子束能量的改变有很大变化。,基本特点是：由于电子束易于散射，所以随着射

7、线能量的增加，表面剂量增加，高剂量坪区变宽，剂量梯度减小，X射线污染增加，电子束的临床剂量学优点逐渐消失。,电子束能量愈低，电子束愈易于被散射，散射角愈大，剂量建成更迅速，距离更短。表面剂量相对于最大剂量点剂量的比值，低能电子束要小于高能电子束。 这一现象的最简单解释，如图6-8所示。对于相同入射的电子注量(cm-2)，低能电子束的剂量跌落要比高能电子束的更陡。,综上所述，为了充分发挥高能电子束的上述特点，临床中应用的高能电子束，其能量应在425 MeV范围。,低能时，因射程较短，射野对百分深度剂量的影响较小； 对较高能量的电子束，因射程较长，使用较小的照射野时，相当数量的电子被散射出照射野，

8、百分深度剂量随射野的变化较大。当照射野增大时，较浅部位中心轴上电子的散射损失被照射野边缘的散射电子补偿逐渐达到平衡，百分深度剂量不再随射野的增加而变化。一般条件下，当照射野的直径大于电子束射程的二分之一时，百分深度剂量随照射野增大而变化极微。,（2）照射野的影响,（3）源皮距 的影响,当源皮距不同时，一些主要参数的变化规律，主要表现为：当限光筒至皮肤表面的距离增加时，表面剂量降低，最大剂量深度变深，剂量梯度变陡，X射线污染略有增加，而且高能电子束较低能电子束变化显著。造成这一现象的主要原因，是由于电子束有效源皮距的影响和电子束的散射特性。由于电子束百分深度剂量随源皮距变化的这一特点，要求临床应

9、用中，除非特殊需要，应保持源皮距不变，否则要根据实际的临床使用条件，具体测量百分深度剂量有关参数的变化。,高能电子束等剂量分布的显著特点为：随深度的增加，低值等剂量线向外侧扩张，高值等剂量线向内侧收缩，并随电子束能量而变化。,二、电子束的等剂量分布,特别是能量大于7MeV以上时，后一种情况更为突出。,除能量的影响外，照射野大小也对高值等剂量线的形状有所影响。右图中，其90等剂量线的底部形状，由弧形逐渐变得平直。,造成原因：主要是电子束易于散射的特点。,选取一个特定平面用于定义和描述电子束照射野均匀性、平坦度和半影。,三、电子束射野均匀性及半影,通过 深度与射野中心轴垂直的平面。,电子束射野均匀

10、性表示：均匀性指数,100cm2以上的照射野，此比值应大于0.70，即沿射野边和对角线方向90，50等剂量线的边长之比L90L500.85，同时必须避免在该平面内出现峰值剂量超过中心剂量的3的剂量“热点”，它所包括的面积的直径应小于2cm。,（ICRU建议）,（面积之比）,P80/20 (由特定平面内80与20等剂量曲线之间的距离确定。)一般条件下，当限光筒到表面距离在5 cm以内，能量低于10MeV的电子束，半影约为1012mm；能量为1020MeV的电子束，半影约为810mm；而当限光筒到表面距离超过10cm时，半影可能会超过15mm。,电子束的物理半影,四、电子束的“虚源”及有效源皮距,

11、“虚源”：加速管中一窄束加速的电子束，经偏转穿过出射窗、散射箔、监测测电离室、限束系统等而扩展成一宽束电子束，好像从某一位置(或点)发射出来，此位置(或点)称为电子束的“虚源”位置。,影响虚源位置的因素很多，对同一能量的电子束，射野大小亦会影响它的位置。因此，不能用虚源到表面的距离去准确校正延长源皮距后输出剂量的变化。实际临床上，用的是电子束有效源皮距来准确校正。,将电离室放置于水模体中射野中心轴上量大剂量点深度dm。 首先，使电子束限光筒接触水表面，测得电离室读数I0， 然后，不断改变限光筒与水表面之间的空气间隙g，至约20cm，得到相对不同空气间隙g的一组数据Ig，,测量电子束有效源皮距的

12、方法：,如果电子束的输出剂量率随源皮距的变化循平方反比定律，则有：,或,由 相对于g可作一直线，则有效源皮距f等于：,电子束有效源皮距随辐射能量和射野大小而变化。这一变化是由于不同能量和照射野条件下，电子束散射不同的缘故。,高能电子束，其剂量分布特点如下：,小结：,（1）从皮肤表面到一定的深度，剂量高且分布比较均匀，随着能量增加，此深度也不断增加。表面剂量大小依能量不同而不同：能量低，表面剂量低；能量高，表面剂量高。 如7MeV，表面剂量为85；18MeV，表面剂量为98。因而不能保护皮肤。,（2）在一定的深度之后，剂量突然下降。如果临床医生将病变选在80区域内，则病变后正常组织的受量极小。但

13、是随着能量不断增加，此特点逐渐消失，对45MeV电子束，此特点几乎全部失去。因此，电子加速器的电子能量选得过高是没有实际意义的，一般最有用的电子能量选在25MeV以内。,（3）不同的照射野对百分深度剂量有影响：低能时，射野影响较小；高能时，射野影响很大，即射野增大，深度剂量增加。,（4）其等剂量分布曲线的特点：随深度的增加，低值等剂量线向外侧扩张，高值等剂量线向内侧收缩，并随电子束能量、射野而变化。 对于大射野，曲线中心部分与入射表面平行，不论入射面是平的还是弯曲的。这一点对临床医生考虑不规则表面入射时，很有好处。,临床应用时应注意两个问题：,第三节 电子束治疗的计划设计,（1）照射时应尽量保

14、持射野中心轴垂直于入射表面，并保持限光筒端面至皮肤的正确距离。 这是由于电子束的等剂量分布曲线极易受到诸如人体曲面、斜入射和空气间隙的影响。,（2）一些重要剂量学参数，必须进行实际测量，得到针对所使用的机器类型和具体照射条件下的实验数值，为临床作计划设计时提供参考。 百分深度剂量、输出剂量等，会随照射条件的改变发生较大的变化，这些变化虽然可以采用数学的方法进行校正，但必须进行实际测量。,不同能量的电子束具有不同的有效治疗深度。临床用它来治疗表浅的、偏体位一侧的病变时，具有高能X()射线所不能及的突出优点：单野照射，靶区剂量均匀，靶区后正常组织和器官剂量很小。,一、能量和照射野的选择,电子束的有

15、效治疗深度(cm)约等于1314电子束的能量(MeV)。,如果靶区后部的正常组织的耐受剂量较高，可以90等剂量线包括靶区来选择射线能量；如果耐受剂量低，可以80(甚至70左右)等剂量线来选择射线能量。（乳腺癌的术后治疗）,临床中，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剂量等因素综合考虑。,照射野大小的选择原则：确保特定的等剂量曲线完全包围靶区。电子束高值等剂量曲线，随深度增加而内收，在小野时此现象尤为突出因此，表面位置的照射野，应按靶区的最大横径而适当扩大。根据L90L500.85的规定，所选电子束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

16、度的情况将射野再放0.51.0cm。,电子束治疗经常遇到的一个问题是，由于患者治疗部位皮肤表面的弯曲，或由于摆位条件的限制，致使电子束限光筒的端面不能很好平行和接触于皮肤表面，引起空气间隙和形成电子束的斜入射，导致电子束等剂量分布曲线的畸变。,二、电子束的斜入射校正,校正方法：,电子束斜入射校正几何参数示意图,斜入射校正因子：表示射线束斜入射与垂直入射的剂量比值。其值可查表（表61）。,校正公式：,斜入射校正因子,利用电子束的笔形束模型，可以对电子束斜入射进行较为精确的校正。 右图给出了12MeV电子束照射圆柱形固体模体时，计算的剂量分布与测量的剂量分布的比较。,电子束斜入射对剂量分布的影响,

17、虚线为计算值 实线为胶片法测量值,电子束在不均匀性组织如骨、肺和气腔中，其剂量分布会发生显著变化，应对其校正。校正方法：等效厚度系数法(CET法)。如果计算位于厚度为Z的不均匀性组织后的某一点深度d处的剂量，应先计算该点的等效深度deff ：,三、组织不均匀性校正,(1) deff=dZCETZ = dZ（CET1),CET由不均匀组织对水的相对电子密度求得。,然后，经平方反比 定律 校正，可得到该点剂量。,CET值的范围：l.l(疏松骨)1.65(致密骨)。肺组织，平均约为0.5，并依赖于在肺组织中的深度。,f：有效源皮距,(2),电子束照射胸壁，不作肺修正和用笔形束模型作肺修正时的剂量分布

18、情况。,校正不均匀组织对剂量分布的影响的较精确的计算方法是，使用以多级散射理论为基础的计算模型，如笔形束模型等。,电子束的补偿技术用于： 补偿人体不规则的外轮廓； 减弱电子束的穿透能力； 提高皮肤剂量。,四、电子束的补偿技术,胸壁照射的示例：不加补偿时，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，并有意增加高剂量区位置处补偿材料的厚度，既降低了肺前缘的受量，又减弱了高剂量区的剂量。,图629 电子束照射胸壁的剂量分布,未加补偿材料,填加补偿材料,临床常用的补偿材料有石蜡、聚苯乙烯和有机玻璃。 石蜡易于成形，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

19、隙，常被用作类似胸壁照射时的补偿材料。 聚苯乙烯和有机玻璃可制成不同厚度的平板，在一些特殊照射技术中，如电子束全身皮肤照射，用它作电子束能量的衰减材料时，因其有效原子序数较低，不会增加因轫致辐射产生的x射线成分。,对一些特殊部位的病变的照射，如全脑全脊髓照射中的脊髓野，乳腺癌术后的胸壁照射野等，因单一电子束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，必须恰当处理，避免靶区内超、欠剂量的发生。,五、电子束照射野的衔接技术,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，形成较好的剂量分布。 具体采取何

20、种方式衔接，要依据所使用的电子能量的电子射野的等剂量分布情况 下图给出了7MeV和16MeV电子束两野衔接或重叠、或共线、或间隔时，等剂量曲线分布的情况。,（一）电子束照射野衔接的基本原则,注意：用于确定相邻射野衔接方式的等剂量曲线，一般是在均匀模体内测得的。 但在实际使用过程中，由于患者曲面及体内组织的影响，剂量分布会因人而异，所以在整个治疗过程中，经常变换其衔接位置，以避免固定位置衔接造成过高或过低的剂量。,临床中，特别是在头颈部肿瘤的治疗时，会遇到这种衔接问题。采用的方法一般采用两照射野在皮肤表面共线相交。这会使得X（）射线照射野一侧出现剂量热点，电子束一侧出现剂量冷点。其原因是由于电子

21、束照射野产生的侧向散射。剂最的冷、热点还同时受到电子束源皮距的影响，源皮距延长，空气间隙的增加，使得电子束等剂量曲线变得较标称条件下的更加弯曲，冷，热点剂量区域变宽。,（二）电子束和X（）射线照射野的衔接,9MeV电子束和6MVx射线照射野在皮肤表面共线衔接时的剂量分布。,电子束为标称源皮距照射,电子束源皮距延长至120cm,（三）楔形板在照射野衔接中的作用 靶区范围较大，治疗深度不同时，在两个照射野相邻的边缘，放置用聚苯乙烯等组织替代材料制成的楔形板，改变射野边缘的剂量分布，使包括衔接部位的整个靶区的剂量分布均匀。,图632 利用聚苯乙烯楔形板改善照射野边缘的剂量分布，以实现照射野的衔接,总

22、结： 决定相邻照射野是否共线或留有间隙，前提是使靶区剂量分布尽量均匀。由于电子束治疗的肿瘤大多位于表浅部位，治疗的深度较浅，同时在治疗区域内往往没有重要的敏感器官存在，因此，在注意了可能会出现的剂量热点的位置、范围后，如若临床可以接受，则电子束的相邻照射野（包括与X（）射线照射野相邻），就可在皮肤表面共线衔接。,临床应用中，为适合靶区的形状并保护周围的正常组织，一般用附加铅块改变限光筒的标准照射野为不规则野。 附加铅块可固定在限光筒的末端，也可直接放在患者体表被遮挡位置。,六、电子束照射野的挡铅技术,从不同能量电子束在铅介质中的衰减情况，可以看出，铅厚度的微小变化，都会对电子束的剂量有很大的影

23、响。 如果挡铅厚度过薄，因其散射增加的部分可能会大于衰减的部分，使得剂量不仅不会减少，反而会有所增加。,（一）挡铅厚度的确定,一般情况下，挡铅厚度应略大于所需要的最小铅厚度值。但在有些情况下，特别在射野内遮挡时，如照射眼睑部位的肿瘤，为保护晶体，铅挡过厚使用起来不方便，而取最小铅厚度值的临界值。,挡铅厚度的正确选择，要依据不同能量的电子束在挡铅材料中的穿射曲线来进行。穿射曲线的测量，一般采用平行板电离室在固体模体内进行由于穿射剂量的最大贡献主要发生在表浅部位， 因此测量深度不应超过5mm。另外，测量应在宽束条件下，以适应临床使用的所有照射野。,最低的铅挡厚度(以mm为单位)应是电子束能量(以M

24、eV为单位)数值的二分之一。同时从安全考虑，可将铅挡厚度再增加l mm。,完全阻止不同能量电子束所需的挡铅厚度,不同型号的加速器,用电子束治疗某些部位的病变，如嘴唇、耳翼等，常需要用内遮挡以保护正常组织。在挡铅和组织接触的界面处产生电子束的反向散射，使其界面处的剂量大约增加3070。,（二）电子束的内遮挡,定义为组织遮挡界面处的剂量与均匀组织中同一位置剂量之比。经验公式为：,电子反向散射因子EBF(electron backscatter factor，EBF),表示电子束反向散射的强弱,不同能量和遮挡介质的电子反向散射因子情况：,（1）随遮挡介质的有效原子序数z的增高而增大；（2）随界面处电

25、子平均能量的增加而减小。,临床上为消弱电子反向散射的影响，作内遮挡时，在铅挡与组织之间加入一定厚度的低原子序数材料，如有机玻璃等。其作用是：（1）本身产生的反向散射低；（2）可以吸收挡铅所产生的反向散射。,不同能量电子束内遮挡引起的反向散射因子随遮挡材料有效原子序数的变化：,用于界面间填塞的材料厚度为2gcm-2左右。,（三）挡铅对剂量参数影响,下图给出了在Philips SL75-14直线加速器上，测试所得到的电子束百分深度剂量和射野输出因子随挡铅的变化规律。,标准电子束限光筒足够大（如6 cm6cm以上)时，不同能量电子束的百分深度剂量不受限光筒大小的影响；挡铅所形成的照射野，在较高能量(

26、1214 MeV)条件下，照射野小于8 cm8cm时，治疗深度变浅，剂量梯度变小；较低能量(10MeV)时没有显著变化。,特点为：,标准电子束限光筒的输出因子，在不同能量条件下，变化很大(最大为232)，且没有规律性；挡铅所形成的照射野，射野输出因子变化的规律性明显，即照射野越小，输出因子越大与高能X（）射线恰恰相反，较低能量时变化小（约1.0），较高能量时变化大(约6.0)。,对较高能量的电子束，挡铅确定的照射野，即使和标准限光筒大小一致，在小野（如6cm6cm）条件下，输出因子的差别为16.8，90剂量深度R90相差约6mm，剂量梯度也由固定限光筒的2.2变为1.9。 上述挡铅的剂量学效应，对不同类型及厂家的加速器来说，呈类似的规律性，但有变化幅度上的差别。由于不同机器的电子束限束系统和限光筒设计上的差异，临床应用时，应对其规律和变化进行实际测量。,3. 电子束治疗的计划设计能量和照射野的选择，斜入射校正，有效治疗深度，组织不均匀性校正，补偿技术，挡铅技术，照射野的衔接,小结：,1. 治疗电子束的产生 散射箔作用，电磁偏转展宽电子束,2. 电子束射野剂量学 深度剂量曲线特点，百分深度剂量的影响因素，等剂量分布特点，射野剂量均匀性及半影，虚源，有效SSD，输出剂量,