15 MV醫(yī)用直線加速器X射線束的MCNP模擬

鄧 磊 周 寧 瞿述根 王 哲 王 健 陳以水 涂 彧 劉永泉

1（江西省職業(yè)病防治研究院 南昌 330006）

2（放射醫(yī)學(xué)與輻射防護國家重點實驗室（蘇州大學(xué)） 蘇州 215123）

3（溫州醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生與管理學(xué)院 溫州 325035）

醫(yī)用直線加速器產(chǎn)生的X射線已普遍應(yīng)用于國內(nèi)各大醫(yī)院的腫瘤放射治療中。高能醫(yī)用直線加速器（標(biāo)稱能量大于8 MeV）的X射線束與機頭高Z物質(zhì)發(fā)生（γ，n）、（γ，2n）反應(yīng)產(chǎn)生光核中子，相對于低能加速器其輻射防護問題更為復(fù)雜，受到越來越多研究人員的關(guān)注［1］。至今，多種蒙特卡羅模擬軟件應(yīng)用于加速器輻射防護及劑量學(xué)的研究中。比如，EGS（Electron Gamma Shower）軟件配置了BEAMnrc模塊［2?4］，專門用于放射治療設(shè)備臨床劑量學(xué)的模擬計算，但僅限于光子和電子輸運的模擬。有研究顯示［5］，加速器機頭相空間分布（Position Sensitive Detector，PSD）的MCNP（Monte Carlo N Particle Transport Code）模擬結(jié)果與EGS 一致，而且MCNP 具有復(fù)雜幾何的編輯能力，在高能加速器光中子模擬方面MCNP 比EGS 更有優(yōu)勢。故本研究利用MCNP 軟件開展15 MV 高能醫(yī)用直線加速器產(chǎn)生的X 射線束能譜和劑量分布的模擬，計算不同照射野下X射線束在水模體中的百分深度劑量和剖面相對劑量等特征參數(shù)，并分析機頭不同組件對X射線束能譜及其穿透能力的影響。

1 材料與方法

1.1 機頭模型的建立

本研究模擬一臺15 MV X 射線工作模式下的Clinic 23EX 型醫(yī)用電子直線加速器。依據(jù)廠家提供的機頭內(nèi)部件的材料組成和幾何尺寸構(gòu)建加速器機頭模型。為保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，機頭模型包含部件不僅有靶（Target）、初級準(zhǔn)直器（Primary Collimater）、均整器（Flatteing Filter）、次級準(zhǔn)直器（上層檔塊（Upper Jaws）、下層檔塊（Lower Jaws）），還包括周圍其他的金屬屏蔽部件，構(gòu)建了一個精細的加速器機頭模型［6?7］。為簡化程序代碼，提高計算效率，模型不考慮多葉準(zhǔn)直器（Multi-leaf Collimator，MLC），因為MLC在次級準(zhǔn)直器的下方，與主射線束相互作用幾率極?。?］。機頭模型具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 加速器機頭剖面示意圖Fig.1 Profile diagram of the accelerator head model

1.2 MCNP模擬方法

模擬過程以電子束打鎢靶開始，電子束初始動能為15.3 MeV［9］。利用FILL 卡把水模體分成若干個相等的長方體柵元，根據(jù)不同的計數(shù)需要選擇合適柵元尺寸。由于MCNP 軟件運行時間與其記數(shù)小柵元數(shù)量成正比，所以本次模擬只給出百分深度劑量（Percentage Depth Dose，PDD）曲線所需要中心軸處小柵元和profile 曲線對應(yīng)的不同深度處inline方向（與治療床平行的方向）或者crossline 方向（與治療床垂直的方向）小柵元的吸收劑量。采用*F8計數(shù)卡記錄水模體中各體積元的吸收劑量，并設(shè)置特定曲面，利用F1 卡和En 卡記錄特定曲面不同能量間隔的通量計數(shù)確定加速器機頭的不同位置處的X射線能譜。此外，通過采用DXT卡和能量截斷卡（CUTE=0.1 MeV，CUTP=0.01 MeV）降低模擬結(jié)果的方差，提高模擬計算效率［10］。

1.3 現(xiàn)場實驗測量

現(xiàn)場實驗測量使用的是德國IBA 公司生產(chǎn)的Blue Phantom 2型三維水箱。測量時，等中心輸出劑量為300 cGy·min?1，靶到水箱內(nèi)水表面的距離為100 cm；測量采用的是兩個0.13 mL 電離室，一個設(shè)置在射線束中心軸水面以下，另一個作為參考電離室設(shè)置在水面上方照射野覆蓋范圍內(nèi)的位置。根據(jù)兩個電離室所測量到各測點吸收劑量來確定該加速器PDD曲線和profile曲線，并采用Omnipro-accept7分析軟件對測量結(jié)果進行優(yōu)化。

2 結(jié)果與討論

2.1 PDD曲線模擬結(jié)果與實測值比較

通過MCNP 模擬得到10 cm×10 cm（標(biāo)準(zhǔn)照射野）和40 cm×40 cm（最大照射野）方形照射下15 MV 主束X 射線在水模體中的PDD 和profile 曲線，將其與現(xiàn)場三維水箱實測結(jié)果進行對比，來驗證加速器機頭模型的可靠性。

圖2、圖3 分別是10 cm×10 cm 和40 cm×40 cm照射野下，X射線束在水模體中PDD曲線MCNP模擬結(jié)果與實測值的比較。各測點深度劑量百分比值均歸一到中心軸上水下最大劑量點（測點深度劑量百分比等于該測點的模擬值或?qū)崪y值與相應(yīng)最大劑量的比值）。在10 cm×10 cm和40 cm×40 cm照射野下，主射線束中心軸上水模體中不同深度處各測點百分劑量比的模擬值與實測值最大偏差分別為1.99%和2.22%，模擬結(jié)果與實測值之間偏差主要來源于建成區(qū)的前幾個測點數(shù)據(jù)，造成這種情況的原因是實測中水表面存在電子污染，而實際的MCNP模擬計算中未考慮電子污染產(chǎn)生的劑量，導(dǎo)致水表面附近的幾個測點實測值比模擬值大，但是由于電子穿透能力有限，隨著測點深度增加兩者差距也在縮??；而在PDD 曲線尾部這種偏差又有所增大，是因為MCNP 模型的電子束打靶能譜與實際情況相比存在差異所造成的。

圖2 10 cm×10 cm照射野下，PDD曲線的MCNP模擬值與實測值比較Fig.2 Comparison of the PDD curve between the MCNP simulation and the measurement results in 10 cm×10 cm radiation field

圖3 40 cm×40 cm照射野下，PDD曲線的MCNP模擬值與實測值比較Fig.3 Comparison of the PDD curve between the MCNP simulation and measurement results in the 40 cm×40 cm radiation field

表1 為劑量學(xué)參數(shù)實測值與MCNP 模擬值對比，從表1中可知，在10 cm×10 cm照射野下，模擬值與實測值的最大劑量點深度（dmax）差值為0.3 mm，水下20 cm、10 cm 處吸收劑量D20、D10的比值D20/D10（用于表征射線的輻射質(zhì)）相對偏差僅為0.62%；而在40 cm×40 cm 照射野下，兩者dmax差值為0.6 mm，D20/D10的相對偏差為1.34%。從PDD曲線中各劑量學(xué)參數(shù)對比情況來看，MCNP 模擬結(jié)果與實測值吻合。

表1 劑量學(xué)參數(shù)的實測值與MCNP模擬值的對比Table 1 Comparison of dosimetric parameters between the measurement and the MCNP simulation

2.2 Beam profile模擬結(jié)果與實測值比較

圖4、圖5 分別是10 cm×10 cm 和40 cm×40 cm照射野下，crossline 方向的profile 曲線MCNP 模擬值與實測值的對比，測試的深度分別為3 cm、10 cm、20 cm。各點的離軸比（Off Axis Ratio，OAR）歸一為中心軸上的3 cm深度處測點相對劑量為100%。各照射野下，高劑量區(qū)域（坪區(qū)）的模擬值與實測值的相對差值范圍為0.35%～2.76%，低劑量區(qū)（陡降部分）為0.48%～5.86%，這類偏差主要是由模擬過程中打靶電子束的角分布和直徑大小與實際情況存在差異造成的［9］。

圖4 10 cm×10 cm照射野下，profile曲線的MCNP模擬結(jié)果與實測值比較Fig.4 Comparison of profile curves between the MCNP simulation and the measurement results in the 10 cm×10 cm radiation field

圖5 40 cm×40 cm照射野下，profile曲線的MCNP模擬結(jié)果與實測值比較Fig.5 Comparison of profile curves between the MCNP simulation and the measurement results in the 40 cm×40 cm irradiation field

因均整區(qū)邊緣下降速度快，同時MCNP 模擬過程中計數(shù)點位置與實測中探頭中心的位置之間有差異，導(dǎo)致在低劑量區(qū)模擬結(jié)果與實測結(jié)果的偏差相對較大。隨著測試深度增加profile曲線邊緣的離軸比與中心位置的比值逐漸減小，是因為離水表面越近邊緣的受照劑量受散射線的疊加作用影響越明顯，但隨著深度增加，散射線衰減比主射線更快，這種影響越來越小。

綜上所述，本研究建立的15 MV 醫(yī)用電子加速器機頭模型的X 射線束的PDD 和profile 曲線模擬計算結(jié)果與實測情況吻合，說明模擬得到的X 射線束輻射質(zhì)和劑量分布特性與實際情況一致，表明本研究建立的加速器機頭模型是可行的。

2.3 不同位置X 射線能譜模擬結(jié)果及其穿透能力變化

為提高放射治療的質(zhì)量，掌握射線束在直線加速器的治療頭內(nèi)的穿透情況以及治療頭內(nèi)部件對射線束的影響是非常重要的。治療頭內(nèi)每個部件的尺寸和材料組成對X 射線譜都會有一定的影響［11?13］，所以，了解射線束在加速器機頭內(nèi)的穿透或散射特性是很有必要的。通過MCNP 模擬計算出機頭內(nèi)各關(guān)鍵位置（靶、初級準(zhǔn)直器、均整器和次級準(zhǔn)直器）的能譜情況，模擬得出40 cm×40 cm照射野下，機頭內(nèi)各位置的X射線能譜如圖6所示。

圖6 40 cm×40 cm照射野下，不同位置處X射線能譜Fig.6 X-ray energy spectra at different positions in the 40 cm×40 cm irradiation field

圖6中分別給出了靶下方、初級準(zhǔn)直器下方、均整器下方以及次級準(zhǔn)直器下方4個位置的能譜模擬結(jié)果，上述4 個位置能譜的平均能量分別為2.00 MeV、2.32 MeV、2.58 MeV、3.21 MeV。在電子打靶后產(chǎn)生的X 射線束之后，射線束分別與初級準(zhǔn)直器、均整器及次級準(zhǔn)直器相互作用，能譜發(fā)生硬化，平均能量逐漸升高。此外，各位置的連續(xù)X射線能譜中在0.063 MeV 出現(xiàn)明顯的“毛刺”部分，是X射線與鎢靶作用產(chǎn)生的Kα、Kβ特征X 射線（前者為0.059 MeV，后者為0.067 MeV）疊加形成的。

圖7是在40 cm×40 cm 照射野下，均整（Flattening Filter，F(xiàn)F）模式與非均整（Flattening Filter Free，F(xiàn)FF）模式下PDD 曲線模擬結(jié)果的對比，前者的最大劑量點深度dmax=29.0 mm，后者的最大劑量點深度dmax=25.0 mm，同時FFF 模式下PDD 曲線的下降部分的斜率明顯小于FF模式，說明X射線束經(jīng)過均整器過濾后，射線硬化［14］，平均能量增大，X射線束PDD曲線中最大劑量點位置變深，穿透能力增強。那么，在加速器機房屏蔽設(shè)計和放射治療計劃制定中應(yīng)盡可能考慮FFF 模式下與FF 模式相比穿透能力所發(fā)生的變化，以便優(yōu)化屏蔽設(shè)計和提高放療病人受照劑量的精確性。

圖7 40 cm×40 cm照射野下，F(xiàn)F與FFF模式PDD曲線的對比Fig.7 Comparison of PDD curves between FF mode and FFF mode in 40 cm×40 cm irradiation field

3 結(jié)語

本文利用MCNP 軟件建立了Clinic 23EX 型醫(yī)用直線加速器機頭精細模型，并模擬得出15 MV X射線束在水模體中的PDD 和profile 曲線等劑量學(xué)參數(shù)，參數(shù)的模擬結(jié)果與三維水箱現(xiàn)場實測結(jié)果一致，表明該機頭模型可靠。依據(jù)該加速器機頭模型，可以系統(tǒng)地計算加速器產(chǎn)生的各部分輻射源項及劑量場分布等數(shù)據(jù)，后續(xù)可用于高能醫(yī)用直線加速器X射線及光核中子在患者各部分器官的劑量沉積特性研究，為光中子污染對放療患者危害評估及放射治療計劃劑量的優(yōu)化研究提供理論依據(jù)，并進一步完善高能醫(yī)用電子直線加速器的輻射防護及放療質(zhì)量控制。