瓦里安加速器6MV X線的蒙特卡羅模擬

王逸軒 朱琳 孟皓宇 譚翔 李飛 王學(xué)濤＊

1 昆明醫(yī)科大學(xué)海源學(xué)院 （云南 昆明 650106）

2 廣東省中醫(yī)院 （廣東 廣州 510120）

內(nèi)容提要：目的：通過(guò)比較電離室測(cè)量及蒙特卡羅計(jì)算結(jié)果，確定加速器治療頭的入射電子束參數(shù)。方法：用EGSnrc/BEAMnrc程序?qū)arian Clinac 23EX加速器6MV X線進(jìn)行模擬，分析入射電子束參數(shù)對(duì)百分深度劑量和離軸比的影響。結(jié)果：電離室測(cè)量結(jié)果和蒙特卡羅計(jì)算結(jié)果一致性較好。結(jié)論：蒙特卡羅方法可用于加速器X射線的模擬，模擬結(jié)果可用于進(jìn)一步的研究工作。

醫(yī)用直線加速器是重要的放療設(shè)備，蒙特卡羅方法能夠進(jìn)行放療劑量的精確計(jì)算[1]，蒙特卡羅方法模擬醫(yī)用直線加速器治療頭的結(jié)構(gòu)和輸出射線的各種特性，一直是蒙特卡羅方法和放射治療物理學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。加速器治療頭的結(jié)構(gòu)基本一致，但具體細(xì)節(jié)差別較大，導(dǎo)致同一標(biāo)稱能量的X-射線，因廠家、型號(hào)的不同，測(cè)量的百分深度劑量和射野離軸比等物理數(shù)據(jù)存在較大差別[2]；甚至同一型號(hào)的設(shè)備，由于出廠時(shí)間和安裝條件的不同，測(cè)量的物理數(shù)據(jù)也會(huì)存在差別[3]。

研究表明[4-6]，蒙特卡羅方法能夠通過(guò)模擬醫(yī)用直線加速器治療頭的構(gòu)造，模擬加速器射線的特性及各種射野的劑量學(xué)參數(shù)，這對(duì)于開展新的放射治療技術(shù)，保障劑量的準(zhǔn)確性有很重要的意義。本研究采用OMEGA/BEAM模擬Varian Clinac 23EX加速器的6MV X線，在相同條件下獲取水模體中的測(cè)量結(jié)果，比較分析測(cè)量和計(jì)算的結(jié)果，評(píng)估蒙特卡羅方法模擬放療劑量的可行性。

1.方法

1.1 初始入射電子束

建立直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)在靶面中心，靶面中心到射野等中心的方向?yàn)閆軸正方向。Jaffray等[7]研究了Varian Clinac 2100加速器的入射電子束，認(rèn)為在XY平面上基本上是對(duì)稱分布的，在XZ、YZ平面高斯分布的。對(duì)于Varian Clinac 23EX加速器6MV X線，我們假定入射電子的能量E=6MeV左右，高斯分布的半高寬為3%左右。

1.2 蒙特卡羅模擬

常規(guī)加速器醫(yī)用加速器的治療頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中AA′平面以上的部分，包括靶、初級(jí)準(zhǔn)直器、均整器、電離室和射野鏡屬于加速器機(jī)頭中固定的部分，與照射野的尺寸和水模體無(wú)關(guān)，可以在BEAMnrc中單獨(dú)模擬，獲得第1個(gè)相空間文件；圖中AA′和BB′平面之間的部分為次級(jí)準(zhǔn)直器，用戶通過(guò)它來(lái)設(shè)置照射野的尺寸，將第1個(gè)相空間文件作為輸入文件，用BEAMnrc模擬可以計(jì)算不同射野大小的相空間文件；將相空間文件輸入DOSXYZnrc軟件包，計(jì)算放療劑量分布[9]。

圖1.Varian Clinac 23EX醫(yī)用直線加速器治療頭結(jié)構(gòu)示意圖

用BEAMnrc計(jì)算第1個(gè)相空間文件，選擇第19號(hào)放射源，能量取6.0MeV左右，半高寬取1.3mm左右，垂直向下入射，第1個(gè)相空間文件的記錄面選在射野鏡的下面，第2個(gè)相空間文件的記錄面設(shè)在源皮距為100cm的地方，照射野設(shè)置為10cm×10cm。

運(yùn)行DOSXYZnrc軟件包時(shí)，為提高計(jì)算效率，根據(jù)需要具體計(jì)算任務(wù)的需要將X、Y、Z三個(gè)方向的體素設(shè)置成不同的尺寸，對(duì)于計(jì)算10cm×10cm射野的百分深度劑量時(shí)，在射野中心設(shè)置成小體素，如2mm×2mm×5mm，在射野周邊設(shè)置成大體素，如30mm×30mm×60mm；射野離軸比的計(jì)算同樣道理。

1.3 PDD和OAR的測(cè)量

測(cè)量設(shè)備采用德國(guó)IBA公司的“藍(lán)水箱”Blue Phantom，該系統(tǒng)由水箱和控制計(jì)算機(jī)軟件組成，水箱體積大，掃描精度高。主要可以測(cè)量百分深度劑量和射野離軸比，分析射野離軸比的半高寬、平坦度、對(duì)稱性等。

按照與蒙特卡羅模擬相同的條件，用三維水箱掃描射野的百分深度劑量和離軸比，與蒙特卡羅的模擬結(jié)果進(jìn)行比較。

2.結(jié)果

2.1 初始入射電子束對(duì)射野百分深度劑量的影響

Vairan Clianc 23EX加速器6MV X-射線10cm×10cm，入射電子束半高寬為1.4mm，圖2為電子束能量對(duì)PDD的影響，電子束能量為6.0MeV左右，在深度d>dm建成區(qū)深度時(shí)，蒙特卡羅的計(jì)算值與測(cè)量值沒(méi)有明顯差異，最大差異為2.6%（5.4MeV），說(shuō)明入射電子束的能量對(duì)百分深度劑量沒(méi)有明顯影響。

圖2.入射電子束能量對(duì)射野百分深度劑量的影響

入射電子束初始能量為6.0MeV，圖3為電子束FWHM對(duì)PDD的影響，電子束FWHM分別為0.8mm、1.2mm、1.4mm和1.6mm，在深度d>dm建成區(qū)深度時(shí)，蒙特卡羅的計(jì)算值與測(cè)量值沒(méi)有明顯差異，大部分點(diǎn)的差異都小于1.0%，說(shuō)明入射電子束的半高寬對(duì)百分深度劑量沒(méi)有明顯影響。

圖3.入射電子束半高寬對(duì)射野百分深度劑量的影響

2.2 初始入射電子束對(duì)射野離軸比的影響

入射電子束半高寬為1.4mm，圖4為入射電子束初始能量對(duì)射野離軸比的影響，由圖可見，在整個(gè)射野范圍內(nèi)，蒙特卡羅的計(jì)算值與測(cè)量值差異明顯，能量越高，曲線的“肩部”越低，說(shuō)明入射電子束的能量對(duì)射野離軸比有一定的影響。

圖4.入射電子束初始能量對(duì)射野離軸比的影響

入射電子束初始能量為6.0MeV，圖5為入射電子束半高寬對(duì)射野離軸比的影響，在整個(gè)射野范圍內(nèi)，蒙特卡羅的計(jì)算值與測(cè)量值沒(méi)有明顯差異，說(shuō)明入射電子束的半高寬對(duì)射野離軸比沒(méi)有影響。

圖5.入射電子束半高寬對(duì)射野離軸比的影響

3.結(jié)論與討論

在醫(yī)用直線加速的實(shí)際模擬中，一般是根據(jù)一臺(tái)通用加速器（general linac）的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。入射電子束初始的能量值及分布是X-射線模擬的重要參數(shù)；入射電子束的能量偏移對(duì)X-射線的離軸比有很大影響，實(shí)際模擬時(shí)，入射電子束的入射角嚴(yán)格按照Z(yǔ)軸正方向選擇，但加速器入射電子束如果有微小的角度偏移，實(shí)踐中也很難確認(rèn)；初級(jí)準(zhǔn)直器的參數(shù)由廠家提供，但是開口尺寸的要精確到0.01cm，否則，就會(huì)對(duì)X-射線的模擬結(jié)果產(chǎn)生明顯影響[8]。

當(dāng)電子束的能量為6MeV，半高寬為1.4mm時(shí)，百分深度劑量和射野離軸比的模擬與測(cè)量的結(jié)果吻合度高。本文通過(guò)對(duì)Varian Clianc 23EX加速器6MV X-射線進(jìn)行模擬，分析了入射電子束位置的高斯分布，加速器治療頭的射束均整器對(duì)10cm×10cm射野百分深度劑量和離軸比的影響，發(fā)現(xiàn)入射電子束的初始能量、高斯分布的半高寬等均對(duì)射野劑量產(chǎn)生不同程度的影響。因此，準(zhǔn)確的入射電子束分布、準(zhǔn)確的加速器治療頭的組件構(gòu)成、材料和尺寸等是加速器模擬的關(guān)鍵，否則后續(xù)的劑量計(jì)算結(jié)果沒(méi)有意義。文中列舉了10cm×10cm和40cm×40cm射野的百分深度劑量和不同深度的離軸比，比較了蒙特卡羅模擬值和測(cè)量值，驗(yàn)證了所選參數(shù)的正確性。

本文以及國(guó)內(nèi)外其他研究的結(jié)果表明，通過(guò)大量射野百分深度劑量及離軸比曲線的模擬值與實(shí)驗(yàn)值的比較，可以較為準(zhǔn)確地確定醫(yī)用直線加速器的參數(shù)這為進(jìn)一步研究放射治療中的劑量學(xué)問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。