基于beamnrc程序的均整器射野劑量分布研究

基于beamnrc程序的均整器射野劑量分布研究

現(xiàn)在，醫(yī)療直線模擬器通常使用4.20mav能量的x線作為輻射源，并使用x射線梁的劑量分布不均勻。為了獲得治療領(lǐng)域的35.40cm大小，滿足一定的平坦度和對(duì)稱性要求，可以進(jìn)行臨床治療。由于x射線穿過不同的材料，因此具有不同的衰減率。因此，產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)或電子效應(yīng)的相互作用的概率是不同的，因此需要調(diào)整平均裝置材料的選擇和幾何參數(shù)的配置是一個(gè)值得研究的問題。蒙特卡羅(MonteCarlo)方法非常適合于解決物質(zhì)中粒子的輸運(yùn)問題,可以用來模擬粒子與物質(zhì)的相互作用,被稱作“理論上的實(shí)驗(yàn)”.由于MonteCarlo方法具有解析方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn),因而在核科學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理、分子動(dòng)力學(xué)、醫(yī)學(xué)等自然科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.BEAMnrc是一種通用的MonteCarlo程序包,可用來模擬光子、電子等粒子輸運(yùn)問題.BEAMnrc全面考慮了電子、光子在通過物質(zhì)時(shí)發(fā)生的各種相互作用,通過對(duì)大量粒子歷史的追蹤記錄,得到治療野平面的相空間數(shù)據(jù).BEAMdp和DOSXYZnrc程序可以用來分析相空間數(shù)據(jù),得到粒子在治療野平面上的能量注量、能譜分布角分布以及模體中的離軸劑量分布、離軸比(off-axialratio,OAR)、百分深度劑量(percentagedepthdose,PDD)分布等信息.張潔熹等利用MonteCarlo程序BEAM對(duì)XHA9醫(yī)用加速器治療模式進(jìn)行了模擬,計(jì)算了水模中的PDD分布曲線,分析了各部件產(chǎn)生的電子對(duì)治療電子束的貢獻(xiàn),確定了限光筒產(chǎn)生的大量低能電子是導(dǎo)致出現(xiàn)標(biāo)稱能量低、表面劑量偏高的主要原因.通過修改限光筒、散射箔等部件,分步優(yōu)化了治療頭結(jié)構(gòu).Sawkey等將測(cè)量所得的西門子加速器機(jī)頭參數(shù)作為模擬參數(shù)輸入,利用EGSnrc/BEAMnrc程序?qū)?MV和18MV醫(yī)用加速器進(jìn)行了模擬,并將模擬計(jì)算得到的X射線劑量分布曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的劑量分布曲線進(jìn)行了對(duì)比,二者的一致性非常好,說明MonteCarlo模擬計(jì)算結(jié)果非常準(zhǔn)確,可將這種方法應(yīng)用于臨床.本研究利用BEAMnrc程序構(gòu)建了加速器治療頭模型,采用嘗試錯(cuò)誤法設(shè)計(jì)了X射線均整器.首先對(duì)幾種單一材料均整器下的射野劑量分布進(jìn)行了模擬計(jì)算,通過分析各種材料對(duì)X射線衰減程度的特征,選擇了兩種金屬作為均整器材料.反復(fù)調(diào)整幾何參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,最終使得X射線在通過所設(shè)計(jì)的均整器后射野劑量分布均勻,滿足了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的均整度要求.此外,本研究還討論了X射線劑量利用率、粒子角分布及帶電粒子污染問題.1模型和方法1.1材料及幾何模型的建立本研究所建立的加速器治療頭模型如圖1所示.采用16MeV電子束打靶產(chǎn)生的X射線作為輻照源,電子束半徑為0.001cm,垂直入射打靶,靶幾何形狀為長(zhǎng)方體,長(zhǎng)和寬均為1.6cm,厚為1cm,分3層,各層厚度由上而下依次為0.16,0.64和0.20cm,材料依次為金、水和不銹鋼.模擬粒子數(shù)目為107個(gè),取標(biāo)稱源皮距(sourceskindistance,SSD)為100cm,射野為10cm×10cm光子束照射野.初級(jí)準(zhǔn)直器、次級(jí)準(zhǔn)直器等部件按廠家給定參數(shù)設(shè)置.受治療頭內(nèi)部空間條件的限制,均整器的幾何外形給定為底面半徑為3.0cm,高為3.2cm的圓錐(見圖2),其他模擬參數(shù)按程序默認(rèn)值設(shè)置,均整器的材料及其幾何參數(shù)需要多次模擬后確定.1.2均整器材料參數(shù)的確定圖3為模擬計(jì)算的流程圖.治療頭的主要參數(shù)設(shè)定如1.1節(jié)所述,均整器參數(shù)的確定采取嘗試錯(cuò)誤法,即預(yù)先設(shè)定其材料和幾何參數(shù),在一次計(jì)算完成后對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,然后修改均整器的材料及幾何參數(shù)再次計(jì)算.重復(fù)上述步驟,直至得到滿意的結(jié)果為止.主要步驟如下:①選取鉛作為均整器材料,其他參數(shù)如1.1節(jié)所述,進(jìn)行仿真模擬;②分別選取鋁、銅、鎢作為均整器材料,其余參數(shù)同步驟①,分3次進(jìn)行計(jì)算;③分析以上兩步計(jì)算結(jié)果,設(shè)計(jì)復(fù)合材料均整器,幾何外形如圖4所示.采用兩錐或多錐嵌套結(jié)構(gòu),即在上述固定外形的圓錐形均整器內(nèi)部依次插入一個(gè)或多個(gè)小圓錐,內(nèi)外圓錐的材料參數(shù)根據(jù)各材料對(duì)X射線的衰減程度和均整程度的不同而定.通過反復(fù)調(diào)整內(nèi)部圓錐的錐度及底面半徑,調(diào)節(jié)各材料的相對(duì)厚度,直到X射線劑量分布均勻且符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為止.2結(jié)果和分析2.1x-pb-2均整器設(shè)計(jì)及結(jié)果離軸劑量分布與離軸比是衡量射野平坦度和對(duì)稱性好壞的重要標(biāo)準(zhǔn).由圖1可以看出,治療頭關(guān)于X,Y軸輪換對(duì)稱,故只計(jì)算了X軸方向的離軸比及離軸劑量分布.圖5為單一材料均整器對(duì)應(yīng)的離軸比曲線.可以看出,低原子序數(shù)的銅、鋁均整器對(duì)X射線的均整效果不明顯;高原子序數(shù)的鉛、鎢對(duì)X射線有一定的均整度,其離軸比和劑量離軸分布曲線在距離射野中心軸附近有一定的平坦區(qū)域,對(duì)稱性較好,但邊緣處的相對(duì)劑量波動(dòng)超過±5%,未能達(dá)到國(guó)際電子委員會(huì)(IEC)規(guī)定的±3%標(biāo)準(zhǔn).圖6為各均整器對(duì)應(yīng)的離軸劑量分布曲線.可以看出,相對(duì)鋁材料而言,重金屬鎢材料的均整器對(duì)應(yīng)的X射線劑量利用率較低.考慮到低原子序數(shù)金屬對(duì)X射線衰減程度較小,銅材料的均整器也產(chǎn)生了一定的均整效果,這里利用鋁、銅兩種金屬制作了兩層相嵌套的復(fù)合均整器,外錐幾何尺寸如1.1節(jié)所述,材料為鋁,內(nèi)部小圓錐材料為銅,采用了多種不同尺寸分別進(jìn)行計(jì)算.圖6和圖7記錄了其中的兩組曲線(標(biāo)記為Al-Cu-1和Al-Cu-2).從這兩組離軸劑量分布圖和離軸比可以看出,只采用輕金屬作為均整器材料很難將其離軸比和離軸劑量分布曲線中的凸起部分“消平”,要想實(shí)現(xiàn)X射線在治療射野內(nèi)的劑量平坦度要求,必須在射野中心軸附近適當(dāng)加入高原子序數(shù)材料,通過重金屬對(duì)X射線的衰減來降低射野中心軸附近的劑量值.采用重材料鉛錐嵌入鋁錐中心處(見圖4),外錐尺寸如1.1節(jié)所述,內(nèi)部鉛錐底面半徑為1.6cm,高為2.6cm.由于鉛材料可使透射X射線能量有較大幅度的降低,而包圍鉛錐的鋁材料對(duì)X射線的衰減程度較小,因此,這種設(shè)計(jì)不僅可以“消去”各離軸分布曲線中心處的凸起部分,還不會(huì)過分降低射野邊緣區(qū)域的X射線劑量,進(jìn)而在滿足射野劑量平坦度要求的同時(shí),達(dá)到提高X射線劑量利用率的目的.由圖6和圖7中Al-Pb-1的離軸劑量分布和離軸比可以看出,射野中心軸附近有較寬的平坦部分,說明鋁-鉛復(fù)合材料均整器的均整效果已經(jīng)得到了顯著提高,但射野邊緣劑量值的陡降程度不夠理想,導(dǎo)致均整區(qū)域內(nèi)最大吸收劑量點(diǎn)與最小吸收劑量點(diǎn)吸收劑量的比值超出了國(guó)標(biāo)中規(guī)定的不大于106%的標(biāo)準(zhǔn).經(jīng)過幾次調(diào)整鉛錐高度及底面半徑大小,當(dāng)鉛錐底面半徑調(diào)整為1.2cm,高為2.2cm時(shí),得到了標(biāo)記為Al-Pb-2的離軸分布曲線和離軸比,如圖6和圖7所示.圖中可見,整個(gè)均整區(qū)域內(nèi),Al-Pb-2均整器下的X射線劑量分布平坦,且對(duì)稱性好,區(qū)域邊緣處劑量值急劇下降,均整區(qū)域內(nèi)最大吸收劑量點(diǎn)與最小吸收劑量點(diǎn)吸收劑量的比值約為103%,完全滿足GB15213—94的要求.對(duì)比圖6中的各組離軸劑量分布曲線還可以看出,Al-Pb-2均整器下X射線劑量利用率較高.為驗(yàn)證模體不同深度處的劑量分布是否理想,計(jì)算了模體表面下5和15cm深度處X軸方向的離軸比和離軸劑量分布,結(jié)果如圖8和圖9所示.該結(jié)果與10cm深度處的結(jié)果具有一致性.5cm深度處X射線劑量分布均勻,治療射野內(nèi)劑量平坦度和對(duì)稱性非常好,邊緣區(qū)域劑量分布也滿足要求;15cm深度處的離軸比和劑量離軸分布曲線在均整區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了小幅度波動(dòng),這主要是由于統(tǒng)計(jì)誤差造成的,更精確的計(jì)算需要繼續(xù)增大入射粒子數(shù).2.2u3000能量注量分布能量注量(energyfluence)是以進(jìn)入輻射場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)處單位截面積球體的粒子總動(dòng)能描述輻射場(chǎng)性質(zhì)的一個(gè)量.能量注量離軸分布可以從能量角度反映出治療射野劑量平坦度和對(duì)稱性問題.圖10為源皮距SSD為100cm的治療野平面上各均整器對(duì)應(yīng)的能量注量離軸分布曲線.可以看出,X射線經(jīng)各均整器后得到的能量注量分布差別很大,其規(guī)律與離軸劑量分布類似:低原子序數(shù)的鋁、銅材料均整器下,能量注量在靠近射野中心軸附近較高,射野邊緣較低;高原子序數(shù)的鉛、鎢材料均整器下,能量注量在射野內(nèi)有較寬的平坦寬度,但射野邊緣處劇降效果不明顯,而且整體上能量注量值相對(duì)較低,反映出X射線劑量利用率較低.復(fù)合材料均整器(Al-Pb-2)對(duì)應(yīng)的能量注量分布在射野內(nèi)非常平整,均整區(qū)域內(nèi)射線能量分布均勻,且能量注量值較高,說明X射線劑量利用率較高,邊緣部分能量注量值急劇下降.2.3輻射防護(hù).圖11為X射線經(jīng)過復(fù)合材料均整器(Al-Pb-2)均整后的粒子角分布曲線,插圖為放大后的電子和正電子角分布曲線.由圖可見,光子角分布集中在0°～4°之間,前向性較好,利于臨床治療使用.正負(fù)電子角分布范圍廣,角度較大,這種分布會(huì)使其偏離出治療射野外,不能進(jìn)入模體,不會(huì)造成射野內(nèi)帶電粒子污染.射野外的帶電子污染可通過輻射防護(hù)設(shè)計(jì)來解決.2.4電子和正電子能譜分布圖12為X射線經(jīng)過復(fù)合材料均整器(Al-Pb-2)后在治療野平面上的粒子能譜分布圖,插圖為放大后的電子和正電子能譜分布圖.由圖可見,光子能量在0～16MeV范圍內(nèi)呈連續(xù)分布,峰值出現(xiàn)在1MeV附近,射野內(nèi)光子平均能量約為3.81MeV,電子和正電子能譜分布在數(shù)值上與光子能譜分布相差近3個(gè)數(shù)量級(jí),說明帶電粒子污染非常小.2.5x-ct/sdsd圖13為X射線經(jīng)復(fù)合材料均整器(Al-Pb-2)均整后得到的水模體內(nèi)深度分布曲線,SSD為100cm.可以看出明顯的X射線劑量建成區(qū),最大劑量點(diǎn)約在模體下3.5cm處,表面劑量小于37%,滿足國(guó)標(biāo)中規(guī)定的中心軸表面劑量不得超過最大劑量的60%的要求.由于最大劑量點(diǎn)不在表面,因此,在治療深度腫瘤時(shí)可以很好地保護(hù)皮膚.3模擬仿真模擬本研究利用BEAMnrc程序設(shè)計(jì)了復(fù)合材料均整器.由以上分析可以看出,重金屬材料對(duì)X射線的衰減程度較大,因此,在經(jīng)過了幾次對(duì)計(jì)算結(jié)果分析后,選擇了兩種金屬相結(jié)合作為均整材料.采用嘗試錯(cuò)誤法多次調(diào)節(jié)材料各區(qū)域的相對(duì)厚度,即根據(jù)X射線束流分布特點(diǎn),增大射野中心軸附近區(qū)域重金屬材料的厚度,減小邊緣區(qū)域重金屬材料的厚度,最終使得X射線分布均勻,在均整區(qū)域內(nèi)得到了平坦的劑量