醫(yī)用直線加速器主要部件對X射線能譜的影響

韓俊杰 朱金漢 張白霖 陳立新 劉小偉

1（中山大學(xué) 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院 廣州 510275）

2（中山大學(xué) 腫瘤防治中心 華南腫瘤學(xué)國家重點實驗室 廣州 510060）

醫(yī)用直線加速器主要部件對X射線能譜的影響

韓俊杰1朱金漢2張白霖1陳立新2劉小偉1

1（中山大學(xué) 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院 廣州 510275）

2（中山大學(xué) 腫瘤防治中心 華南腫瘤學(xué)國家重點實驗室 廣州 510060）

研究了醫(yī)用直線加速器的主要部件對X射線能譜的影響。利用蒙特卡羅軟件包EGSnrc/BEAMnrc針對Varian600C醫(yī)用直線加速器，模擬完整及分別去除初級準(zhǔn)直器、均整器和次級準(zhǔn)直器條件下的相空間文件，通過相空間文件分析程序Beamdp對相空間文件進(jìn)行分析，分別得到相應(yīng)條件下的X射線能譜。均整器對能譜的影響非常大，對比于無均整器的情況，有均整器時，平均能量上升了48.9%；但初級準(zhǔn)直器、次級準(zhǔn)直器對能譜的影響小，平均能量的變化小于1%。在射野內(nèi)，對比于無均整器的情況，有均整器時，能量注量降低了52.4%，但其空間分布變均勻，非平坦度從15.09%變?yōu)?.82%；對比于無初級準(zhǔn)直器的情況，有初級準(zhǔn)直器時，能量注量上升了1.58%；而對比于無次級準(zhǔn)直器的情況，有次級準(zhǔn)直器時，能量注量下降了2.00%。均整器對X射線的能譜的影響起主要作用，它能夠使X射線的平均能量上升和射野內(nèi)能量注量的分布變均勻。初級準(zhǔn)直器對X射線能譜影響小但對X射線的散射不可忽略，而次級準(zhǔn)直器對X射線能譜的影響小而且對X射線的散射作用可以忽略，這些結(jié)果對加速器X射線束流模型的建立有一定的參考意義。

初級準(zhǔn)直器，均整器，次級準(zhǔn)直器，X射線能譜

醫(yī)用直線加速器是目前放射治療的主流設(shè)備，它用于放射治療，其原理是利用高能電子打靶產(chǎn)生的韌致X射線對病灶區(qū)進(jìn)行照射，從而達(dá)到抑制和控制腫瘤的目的[1]。對醫(yī)用直線加速器X射線能譜的了解，是建立加速器束流模型和計算吸收劑量的基礎(chǔ)。影響醫(yī)用直線加速器X射線能譜的主要部件包括初級準(zhǔn)直器、均整器、次級準(zhǔn)直器等。研究醫(yī)用直線加速器主要部件對X射線能譜的影響，對束流模型的建立及簡化將提供有價值的數(shù)據(jù)，同時對醫(yī)用直線加速器的設(shè)計及優(yōu)化也有重要的參考價值。對醫(yī)用直線加速器X射線能譜的研究，主要采用蒙特卡羅方法[2–4]，如Mohan等[3]利用EGS3模擬計算了Varian不同機(jī)型的X射線能譜，Ding[2]利用EGS4模擬計算了Varian2100EX的X射線能譜。然而，通過對去除某個主要部件的加速器進(jìn)行模擬，能更清楚地了解此部件對X射線能譜的影響。隨著調(diào)強(qiáng)放射治療的發(fā)展，國外兩大醫(yī)用直線加速器廠商Varian以及Elekta均分別推出可無均整(Flattening Filter Free, FFF)的醫(yī)用直線加速器True Beam及Versa HD。無均整器的醫(yī)用直線加速器的劑量學(xué)特性研究已有相關(guān)報道[5–12]。研究去除均整器醫(yī)用加速器的X射線能譜，對無均整器醫(yī)用加速器束流模型的建立有很好參考價值。

本文利用蒙特卡羅軟件包EGSnrc[13]/BEAMnrc[14]針對Varian600C醫(yī)用直線加速器，模擬完整及分別去除初級準(zhǔn)直器、均整器、次級準(zhǔn)直器條件下的相空間文件，通過相空間文件分析程序Beamdp[15]對相空間文件進(jìn)行分析，得到相應(yīng)條件下的X射線能譜，從而研究了初級準(zhǔn)直器、均整器、次級準(zhǔn)直器對X射線能譜的影響，并對醫(yī)用直線加速器束流模型的建立進(jìn)行了一些相關(guān)的探討。

1 模型的建立和模擬參數(shù)的設(shè)置

模擬的醫(yī)用直線加速器機(jī)型是Varian600C，模型示意圖如圖1所示。模型部件包括靶、初級準(zhǔn)直器、均整器、監(jiān)測電離室、燈光野鏡、次級準(zhǔn)直器，具體參數(shù)由廠家提供。采用EGSnrc結(jié)合BEAMnrc

模擬計算了以下4種情況的相空間文件：(1) 包括所有部件的完整模型(Complete model, CM)；(2) 去除初級準(zhǔn)直器模型(Lack of primary collimator model, LPCM)；(3) 去除均整器模型(Lack of flattening filter model, LFFM)；(4) 去除次級準(zhǔn)直器模型(Lack ofsecondary collimator model, LSCM)。模擬時，通過BEAMnrc的SLABS描述靶；CONS3R描述初級準(zhǔn)直器；FlATFILT描述均整器；CHAMBER描述監(jiān)測電離室；MIRROR描述燈光野鏡；JAWS描述次級準(zhǔn)直器。模擬的條件為：電子的截止能量ECUT=0.7MeV，光子的截止能量PCUT=0.01MeV；入射電子束的能量設(shè)為5.8MeV，其空間分布是半高寬為0.1cm的高斯分布[16]；模擬的初始粒子數(shù)為2×107個。為提高模擬效率，采用的減方差技巧為：軔致輻射方向分裂(Directional bremsstrahlung splitting, DBS)，分裂數(shù)(NBRsPL)為1 000，分裂野半徑FS=10 cm；全局電子射程截斷能量Esave設(shè)置為2.0 MeV，鎢靶的電子射程截斷能量Esave設(shè)置為0.7MeV。相空間文件的記錄平面位于靶下100cm處，記錄平面按正方形劃分為N個區(qū)域，每個的間隔為d，具體劃分如圖2所示。

圖1 加速器模型示意圖Fig.1 Sketch map of linear accelerator.

圖2 記錄平面空間劃分示意圖Fig.2 Sketch map of recorded plane.

采用Beamdp對模擬得到的相空間文件進(jìn)行分析。分析時，將能量均勻劃分為j個區(qū)間，由此得到第i個空間區(qū)域X射線的注量φij及第i個空間區(qū)域的平均能量Ei、注量φi、能量注量φi。它們之間的關(guān)系如下：

式中，ΔE=0.125MeV為能量區(qū)間的間隔。

為描述能量注量射野內(nèi)的均勻性，引入?yún)?shù)非平坦度F，其定義為：

式中，φmax為射野內(nèi)能量注量的最大值；φmin為射野內(nèi)能量注量的最小值。

2 結(jié)果及分析

2.1 加速器完整模型的X射線能譜及平均能量

圖3給出了加速器完整模型模擬得到的i=1、3、5三個空間區(qū)域的X射線能譜。模擬的射野為10cm×10cm，劃分空間區(qū)域的正方形的間隔d=1cm。圖3中的能譜圖對面積進(jìn)行了歸一，縱坐標(biāo)表示一個光子在各能量區(qū)間所占的份額。為清晰起見，不以直方圖的形式表示，而是取能量區(qū)間的中點值以及其所對應(yīng)的注量值連成的曲線來表示。每一個能量區(qū)間所對應(yīng)的注量值的模擬誤差大部分都在1%之內(nèi)。

從圖3看出，各空間區(qū)域的能譜隨著能量的增加發(fā)生的變化趨勢一致，均是先增大，達(dá)到峰值后逐漸減小。但隨著離軸距離(Off axis distance)的增加，能譜的峰值逐漸增大，此處離軸距離指的是離射野中心軸的距離。相對區(qū)域1，區(qū)域3的峰值上升2.28%，而區(qū)域5的峰值則上升6.02%；峰值對應(yīng)的能量則分別在0.875–1MeV和0.75–0.875MeV以及0.75–0.875MeV這三個能量區(qū)間內(nèi)。而且隨著離軸距離的增加，低能光子所占的比例逐漸增多。能量小于或等于1MeV的光子注量所占的比例，在區(qū)域1為25.1%，區(qū)域3為26.3%，區(qū)域5為28.2%。圖4給出了不同空間區(qū)域內(nèi)的平均能量的離軸變化曲線。從圖4中可以看出，隨著離軸距離的增加，平均能量逐漸降低，最大的降幅為3.53%。

圖3 完整模型在不同空間區(qū)域的X射線能譜（歸一后）Fig.3 Normalized energy spectra of complete model in different regions.

圖4 完整模型在射野內(nèi)的平均能量離軸變化曲線Fig.4 Mean energy profiles of complete model in the radiation field.

2.2 初級準(zhǔn)直器、均整器及次級準(zhǔn)直器對X射線能譜的影響

由于初級準(zhǔn)直器、均整器、次級準(zhǔn)直器對射野內(nèi)不同空間區(qū)域能譜的影響規(guī)律相同，在此只討論區(qū)域1能譜。模擬的結(jié)果表明，均整器對低能光子的吸收明顯，有均整器時，能譜峰值從0.25–0.375MeV這一能量區(qū)間內(nèi)右移至0.875–1.0MeV這一能量區(qū)間內(nèi)，能量小于或等于1MeV的光子注量所占的比例，由原來的56.3%降至25.1%。由于完整模型、去除初級準(zhǔn)直器模型及去除次級準(zhǔn)直器模型的能譜幾乎重疊，圖5只給出完整模型及去除均整器模型在區(qū)域1內(nèi)的能譜，圖中能譜圖已經(jīng)對面積進(jìn)行了歸一。

圖6給出了完整模型及去除均整器模型的平均能量離軸變化曲線。相對于無均整器的情況，由于均整器對低能光子的吸收截面較大，均整器使得平均能量增高約50%。在射野內(nèi)，隨離軸距離的增大，完整模型及去除均整器模型的平均能量均下降。對于完整模型，最大的降幅為3.78%，去除均整器模型的最大降幅為0.76%。在射野外，離軸距離5–8cm處，完整模型的平均能量平緩變化；而去除均整器之后，由于缺少來自均整器的散射光子，因此去除均整器模型的平均能量逐漸上升。而完整模型、去除初級準(zhǔn)直器及去除次級準(zhǔn)直器模型在射野內(nèi)X射線的平均能量的差異小于1%。

圖5 相同區(qū)域內(nèi)不同模型的能譜（歸一后）的比較Fig.5 Normalized energy spectra of different models in the same region.

圖6 有無均整器的平均能量離軸變化曲線Fig.6 Mean energy profiles with and without flattening filter model.

2.3 初級準(zhǔn)直器、均整器及次級準(zhǔn)直器對X射線能量注量的影響

圖7給出了完整模型、去除初級準(zhǔn)直器模型、去除次級準(zhǔn)直模型的能量注量離軸變化曲線。由圖7給出的結(jié)果對比可知，有初級準(zhǔn)直器時射野內(nèi)的能量注量上升，平均上升幅度為1.58%，射野內(nèi)最大的上升幅度為2.80%，這主要是由于初級準(zhǔn)直器對X射線的散射造成的；而由于次級準(zhǔn)直器對X射線的吸收，有次級準(zhǔn)直器時射野內(nèi)的能量注量下降，平均下降幅度為2.00%，射野內(nèi)最大的下降幅度為3.02%。

圖8給出了完整模型及去除均整器模型的X射線能量注量離軸變化曲線。由圖8可知，相對于無均整器的情況，有均整器時能量注量下降明顯，最大的下降幅度為56.4%，射野內(nèi)平均下降幅度約為52.4%；有均整器時，射野內(nèi)能量注量變得均勻，非平坦度F從無均整器時的15.09%下降到1.82%。

圖7 不同模型的能量注量離軸變化曲線Fig.7 Energy fluence profiles for different models.

2.4 射野內(nèi)總能量注量和平均能量

表1給出了10cm×10cm的射野內(nèi)完整模型及去除初級準(zhǔn)直器、去除均整器、去除次級準(zhǔn)直器的加速器模型的X射線能量注量、平均能量。由表1可知，初級準(zhǔn)直器使得光子注量上升1.58%，平均能量下降0.25%；均整器使得光子能量注量下降52.5%，平均能量上升48.9%；次級準(zhǔn)直器使得光子能量注量下降2.00%，平均能量上升0.75%。

表1 射野內(nèi)各不同情況的光子能量注量、平均能量Table 1 Photon energy flux, mean energies in the radiation field for different models.

3 討論

X射線束流模型的建立應(yīng)該包含原射線和散射線。原射線是指電子打靶發(fā)生韌致輻射產(chǎn)生的光子，此光子不與機(jī)頭部件發(fā)生互相作用而直接到達(dá)記錄平面。通常對原射線建模時[17]，把原射線假設(shè)成點源；散射線是指從靶產(chǎn)生的韌致輻射光子與機(jī)頭的部件發(fā)生一次或者多次相互作用之后的光子，其中散射線最大的來源是均整器，其次是初級準(zhǔn)直器。

從模擬結(jié)果上看，初級準(zhǔn)直器使得10cm×10cm的射野內(nèi)光子注量上升1.83%，能量注量上升1.58%。這說明初級準(zhǔn)直器對X射線有散射作用，在建立加速器束流模型時需加以考慮。

由于初級準(zhǔn)直器對X射線有散射作用，對散射源建模時，如果只采用一個散射源，可通過設(shè)置散射源的尺寸大于均整器的尺寸，將初級準(zhǔn)直器與均整器的散射作用同時考慮。而無均整器醫(yī)用直線加速器的建模時，應(yīng)該把散射源放置于初級準(zhǔn)直器的下表面，宜建成一個環(huán)狀源[18]。

次級準(zhǔn)直器的存在使得射野內(nèi)光子注量下降2.73%，能量注量下降2.00%，這是因為次級準(zhǔn)直器對散射光子的吸收作用引起的。變量ZLAST[15]能對相空間中粒子的Z軸坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計分析。利用ZLAST對完整模型的相空間文件進(jìn)行分析可知，來自于次級準(zhǔn)直器的光子數(shù)只占總光子數(shù)的0.2%，因此在進(jìn)行束流模型建模時，可以不考慮次級準(zhǔn)直器對束流的散射，把次級準(zhǔn)直器看成吸收體。

4 結(jié)語

均整器對X射線能譜的影響起主要作用，它能夠使束流的平均能量上升和射野內(nèi)能量注量的空間分布均勻；初級準(zhǔn)直器對X射線能譜影響小但對X射線的散射不可忽略；而次級準(zhǔn)直器對X射線能譜的影響小而且對X射線的散射作用可以忽略。這些結(jié)果對加速器X射線束流模型的建立有一定的參考意義。

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CLC TL53

Effects of main components of clinical linac on X-ray energy spectra

HAN Junjie1ZHU Jinhan2ZHANG Bailin1CHEN Lixin2LIU Xiaowei1
1(School of Physics and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)
2(State Key Laboratory of Oncology in South China, Cancer Center of Sun Yat-sen University, Guangzhou 510060, China)

Background: It is well known that the main components of clinical linac such as the primary collimator, flattening filter and secondary collimator affect the X-ray energy spectra. How does it appear is the foundation of dose calculation, and it is helpful for building up a beam model. Purpose: This paper aims to make a detailed study on the effects of these main components on the X-ray energy spectra of a clinical linac beam. Methods: Monte Carlo program EGSnrc/BEAMnrc is employed to build up the beam model of Varian 600C linac, as well as the other three different beam models: without primary collimator, without flattening filter, without secondary collimator at the same time. After respective simulations, we use Beamdp program to analyze the phase space files, so as to obtain energy spectra for different models. Results: Flattening filter has heavy influence on X-ray beam’s energy spectra, the mean energy increases by 48.9% compared with its absence. But the primary collimator and secondary collimator have little influence on energy spectra, the change of mean energy is within 1% compared their absence. In the center field size of 10 cm×10 cm, flattening filter could let the energy fluence decrease by 52.4%, but the distribution becomes more flat and the unflatness changes from 15.09% to 1.82%; primary collimator could increase energy fluence by 1.58%; but secondary collimator could decrease the energy fluence by 2.00%. Conclusion: Flattening filter has mainly influence on the energy spectra of X-ray beam, it could let the mean energy increase and the energy fluence distribution become more flat; the scatter of primary collimator for X-ray beam must be taken into account whilst the scatter of secondary collimator for X-ray beam can be neglected. The results are meaningful to build a X-ray beam model for clinical linac.

Primary collimator, Flattening filter, Secondary collimator, X-ray energy spectrum

TL53

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.100202

廣東省產(chǎn)學(xué)研研究項目(No.2012B091000144)資助

韓俊杰，男，1991年出生，2013年畢業(yè)于中山大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，專業(yè)為粒子物理與原子核物理

劉小偉，E-mail: stslxw@mail.sysu.edu.cn

2015-04-27，

2015-09-27