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基于蒙特卡罗方法的XHA600D医用电子直线加速器的入射电子束参数研究

王宁宇 顾少娴 崔凤洁 尹楚欧 张盛元 胡金有 蔡芸竹 吴章文 勾成俊

王宁宇, 顾少娴, 崔凤洁, 尹楚欧, 张盛元, 胡金有, 蔡芸竹, 吴章文, 勾成俊. 基于蒙特卡罗方法的XHA600D医用电子直线加速器的入射电子束参数研究[J]. 原子核物理评论, 2022, 39(4): 519-526. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021088
引用本文: 王宁宇, 顾少娴, 崔凤洁, 尹楚欧, 张盛元, 胡金有, 蔡芸竹, 吴章文, 勾成俊. 基于蒙特卡罗方法的XHA600D医用电子直线加速器的入射电子束参数研究[J]. 原子核物理评论, 2022, 39(4): 519-526. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021088
Ningyu WANG, Shaoxian GU, Fengjie CUI, Chuou YIN, Shengyuan ZHANG, Jinyou HU, Yunzhu CAI, Zhangwen WU, Chengjun GOU. The Study of Incident Electron Beam Parameters of XHA600D Medical Linear Accelerator Based on Monte Carlo Method[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(4): 519-526. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021088
Citation: Ningyu WANG, Shaoxian GU, Fengjie CUI, Chuou YIN, Shengyuan ZHANG, Jinyou HU, Yunzhu CAI, Zhangwen WU, Chengjun GOU. The Study of Incident Electron Beam Parameters of XHA600D Medical Linear Accelerator Based on Monte Carlo Method[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(4): 519-526. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021088

基于蒙特卡罗方法的XHA600D医用电子直线加速器的入射电子束参数研究

doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021088
基金项目: 科技部国家重点研发计划项目(2016YFC0105103)
详细信息
    作者简介:

    王宁宇(1997−),女,山东聊城人,硕士研究生,从事辐射物理与医学物理研究; E-mail: 820588019@qq.com

    通讯作者: 勾成俊,E-mail: goucjscu720@scu.edu.cn
  • 中图分类号: R815.6

The Study of Incident Electron Beam Parameters of XHA600D Medical Linear Accelerator Based on Monte Carlo Method

Funds: National Key Research and Development Programme of China(2016YFC0105103)
More Information
  • 摘要: 使用蒙特卡罗方法研究入射电子束参数对XHA600D医用电子直线加速器产生的剂量分布的影响,并确定优化的入射电子束参数。根据厂商提供的XHA600D加速器治疗头的几何、材料参数,使用蒙特卡罗程序EGSnrc对不同的入射电子束参数进行模拟并记录其在水模体中产生的剂量分布,将模拟结果与测量结果进行比较。模拟的入射电子束参数包括平均能量、径向强度分布、角度展宽和能量展宽;实验测量数据包括4 cm×4 cm、10 cm×10 cm、30 cm×30 cm射野条件下的百分深度剂量与离轴剂量。结果表明当入射电子束的平均能量为6 MeV、径向强度的半高宽(Full Width at Half Maximum, FWHM)为0.25 cm、角度展宽为0.15°时,模拟结果和测量结果吻合非常好。这些参数可以作为建立适用于XHA600D加速器的TPS(Treatment Planning System)剂量计算模型的基础参数。
  • 图  1  XHA600D 加速器治疗头结构示意图

    图  2  入射电子束的平均能量对 10 cm×10 cm 射野的 PDD 曲线的影响(在线彩图)

    图  3  入射电子束的平均能量为6 MeV时在10 cm×10 cm 射野下模拟PDD与测量PDD比较(Gamma的评价标准为 1 mm/1%)(在线彩图)

    图  4  入射电子束的径向强度 FWHM 对 10 cm×10 cm 射野的 OAR 曲线的影响(在线彩图)

    图  5  入射电子束的径向强度 FWHM 对 10 cm×10 cm 射野的 PDD 曲线的影响(在线彩图)

    图  6  入射电子束的角度展宽对 30 cm×30 cm 射野(在线彩图)

    图  7  入射电子束的角度展宽对 10 cm×10 cm 射野的 PDD 曲线的影响(在线彩图)

    图  8  入射电子束的能量展宽对 10 cm×10 cm 射野的 OAR 曲线的影响(在线彩图)

    图  9  入射电子束的能量展宽对 10 cm×10 cm 射野的 PDD 曲线的影响(在线彩图)

    图  10  4 cm×4 cm 射野下模拟与测量的 PDD 曲线和 OAR 曲线及 Gamma 分析结果(在线彩图)

    图  11  10 cm×10 cm 射野下模拟与测量的 PDD 曲线和 OAR 曲线及 Gamma 分析结果(在线彩图)

    图  12  30 cm×30 cm 射野下模拟与测量的 PDD 曲线和 OAR 曲线及 Gamma 分析结果(在线彩图)

    表  1  不同FWHM情况下10 cm×10 cm射野10 cm深度处的模拟半影宽度与测量半影宽度

    FWHM/cm半影宽度
    模拟值/cm测量值/cm差异/%
    0.100.5390.752−28.324
    0.250.7480.752−0.532
    0.401.2020.75259.840
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    表  2  入射电子束参数对不同射野的剂量分布的影响

    入射
    电子束
    参数
    影响
    10 cm×10 cm
    射野的PDD
    4 cm×4 cm
    射野的OAR
    10 cm×10 cm
    射野的OAR
    30 cm×30 cm
    射野的OAR
    平均能量较大较大较大较大
    径向强度较小较大较大较大
    角度展宽较小较小较小较大
    能量展宽较小较小较小较小
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-03
  • 修回日期:  2022-01-21
  • 刊出日期:  2022-12-20

基于蒙特卡罗方法的XHA600D医用电子直线加速器的入射电子束参数研究

doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021088
    基金项目:  科技部国家重点研发计划项目(2016YFC0105103)
    作者简介:

    王宁宇(1997−),女,山东聊城人,硕士研究生,从事辐射物理与医学物理研究; E-mail: 820588019@qq.com

    通讯作者: 勾成俊,E-mail: goucjscu720@scu.edu.cn
  • 中图分类号: R815.6

摘要: 使用蒙特卡罗方法研究入射电子束参数对XHA600D医用电子直线加速器产生的剂量分布的影响,并确定优化的入射电子束参数。根据厂商提供的XHA600D加速器治疗头的几何、材料参数,使用蒙特卡罗程序EGSnrc对不同的入射电子束参数进行模拟并记录其在水模体中产生的剂量分布,将模拟结果与测量结果进行比较。模拟的入射电子束参数包括平均能量、径向强度分布、角度展宽和能量展宽;实验测量数据包括4 cm×4 cm、10 cm×10 cm、30 cm×30 cm射野条件下的百分深度剂量与离轴剂量。结果表明当入射电子束的平均能量为6 MeV、径向强度的半高宽(Full Width at Half Maximum, FWHM)为0.25 cm、角度展宽为0.15°时,模拟结果和测量结果吻合非常好。这些参数可以作为建立适用于XHA600D加速器的TPS(Treatment Planning System)剂量计算模型的基础参数。

English Abstract

王宁宇, 顾少娴, 崔凤洁, 尹楚欧, 张盛元, 胡金有, 蔡芸竹, 吴章文, 勾成俊. 基于蒙特卡罗方法的XHA600D医用电子直线加速器的入射电子束参数研究[J]. 原子核物理评论, 2022, 39(4): 519-526. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021088
引用本文: 王宁宇, 顾少娴, 崔凤洁, 尹楚欧, 张盛元, 胡金有, 蔡芸竹, 吴章文, 勾成俊. 基于蒙特卡罗方法的XHA600D医用电子直线加速器的入射电子束参数研究[J]. 原子核物理评论, 2022, 39(4): 519-526. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021088
Ningyu WANG, Shaoxian GU, Fengjie CUI, Chuou YIN, Shengyuan ZHANG, Jinyou HU, Yunzhu CAI, Zhangwen WU, Chengjun GOU. The Study of Incident Electron Beam Parameters of XHA600D Medical Linear Accelerator Based on Monte Carlo Method[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(4): 519-526. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021088
Citation: Ningyu WANG, Shaoxian GU, Fengjie CUI, Chuou YIN, Shengyuan ZHANG, Jinyou HU, Yunzhu CAI, Zhangwen WU, Chengjun GOU. The Study of Incident Electron Beam Parameters of XHA600D Medical Linear Accelerator Based on Monte Carlo Method[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(4): 519-526. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021088
    • 放射治疗是肿瘤临床治疗和控制的重要手段之一,精确计算放射治疗的剂量分布是保证放射治疗质量的关键环节之一。在放射治疗过程中需要使用放射治疗计划系统(TPS)对治疗方案的剂量分布进行计算和评估,因而TPS的剂量计算精度需要满足临床要求。为了保证TPS的剂量计算精度,必须要对医用加速器的参数有全面的了解,才能在此基础上建立准确的剂量计算模型。这些参数包括入射电子束的平均能量、能量展宽、径向强度分布和角度展宽,以及电子通过轫致辐射后产生的光子能谱和剂量分布等[1]。而加速器厂商通常提供的数据仅包括百分深度剂量、离轴剂量和总散射因子等剂量分布参数。因而建立TPS剂量计算模型所需的入射电子信息就要通过其它方式获得。这些参数难以通过实验测量的方式获得,而蒙特卡罗方法[2-3]以概率统计为基础,可以真实地描述光子、电子、中子等粒子的输运全过程,因此蒙特卡罗模拟方法通常就成为了获得精确的入射电子信息的首要选择。本研究所使用的蒙特卡罗程序是EGSnrc[4],被广泛应用于医学物理和加速器领域。本文根据厂商提供的加速器的几何、材料参数,利用EGSnrc程序建立加速器的治疗头模型,模拟其在水模体中产生的剂量分布。然后与加速器厂商提供的测量剂量参数进行比较。通过改变电子的入射参数,可以获得与测量结果符合度最高的参数组合,并将其作为加速器的入射电子束的实际参数。

      已经有很多针对瓦里安、医科达、西门子等国外加速器的相关研究[5-8],而关于国产加速器的研究则很少报道。本文则针对XHA600D医用电子直线加速器[9]的入射电子束参数进行了研究,该加速器由山东新华医疗器械股份有限公司生产,是国家科技部认定的首批“国家自主创新产品”,相继推出了常规、适形调强、影像引导调强放疗等多种放疗技术。

    • 本研究所使用的加速器的剂量学参数由山东新华医疗器械股份有限公司测量。测量设备为IBA公司的Blue Phantom2三维蓝水箱和DOSE1电离室剂量仪,其中水箱的扫描体积为480 mm×480 mm×410 mm (X/Y/Z);测量源皮距(Source Skin Distance, SSD)为100 cm;测量射野分别为4 cm×4 cm、6 cm×6 cm、8 cm×8 cm、10 cm×10 cm、15 cm×15 cm、20 cm×20 cm、25 cm×25 cm、30 cm×30 cm;测量数据为三维水箱中心轴上的百分深度剂量和不同深度处(dmax, 5, 10, 20和25 cm)的离轴剂量。

    • 本研究使用蒙特卡罗软件工具包EGSnrc对XHA600D加速器进行模拟。EGSnrc程序可以模拟动能介于1 keV和10 GeV之间的光子、电子和正电子的传输,并且可以模拟粒子在任何元素、化合物或者混合物中的传输等[10]。本文的模拟共分为两步,首先采用BEAMnrc程序[11]模拟了XHA600D加速器的治疗头,然后采用DOSXYZnrc程序[12]来计算水模体中的吸收剂量。

      在BEAMnrc程序中,加速器机头的建模共分为两部分:几何结构和入射电子束。根据制造商提供的硬件参数,首先在BEAMnrc程序中建立XHA600D加速器治疗头的几何模型。对治疗头的不同组件的建模如图1所示,依次为靶、初级准直器、均整器、电离室、反射镜和次级准直器。射野的尺寸可以由次级准直器的开口决定。本研究针对XHA600D加速器的6MV光束共模拟了4 cm×4 cm、6 cm×6 cm、8 cm×8 cm、10 cm×10 cm、15 cm×15 cm、20 cm×20 cm、25 cm×25 cm、30 cm×30 cm七种射野情况。针对不同的射野尺寸设置了不同的初始粒子数,调整范围为6×108~1×109。电子输运截止能量(ECUT)和光子输运截止能量(PCUT)分别设定为0.7和0.01 MeV。靶的射程截断(Range Rejection)[13]设置为1 MeV, 全局电子射程截断阈值能量(ECUTRR)设置为2 MeV。并采用了定向轫致辐射分裂(Directional Bremsstrahlung Splitting, DBS)[14]的方差缩减技术,其中光子分裂数(NBRSPL)均为1 000,分裂半径等于相应的射野大小。入射电子源选择高斯分布源(ISOURC=19),对平均能量、能量展宽、径向强度分布和角度展宽四个参数进行了调整。在距离靶100 cm处,设置了相空间平面对BEAMnrc程序生成的粒子信息进行记录。

      图  1  XHA600D 加速器治疗头结构示意图

      在DOSXYZnrc程序中采用50 cm×50 cm×50 cm的水模体,并且将BEAMnrc程序得到的相空间平面设置在水模体的表面。其中水模体的体元尺寸为0.2 cm×0.2 cm×0.2 cm。DOSXYZnrc模拟的初始粒子数都设置为1×109,ECUT和PCUT参数与BEAMnrc程序中的设置相同。所有模拟都在SSD等于100 cm的条件下进行。

    • 入射电子束参数(平均能量、能量展宽、径向强度分布和角度展宽)难以通过实验手段获得,主要使用蒙特卡罗程序进行模拟,然后通过模拟得到的剂量分布与实际测量的剂量分布比较来确定优化的入射电子束参数[10]。为了使得与测量的剂量数据之间的误差减小,将四种入射电子束参数分别进行调试直至准确。本文选取了能够分别代表小射野、参考射野和大射野的4 cm×4 cm、10 cm×10 cm、30 cm×30 cm三种情况来展示入射电子束参数的调试结果。在模拟中,我们假设入射电子束的四个参数是互相独立的。这样,可以对每个参数独自地寻找最优结果,从而大大减少模拟的工作量。在模拟过程中,先设置某一种入射电子束参数的最小值和最大值,同时使其他参数保持不变,来分析该参数在最小值和最大值时对不同射野情况下的剂量分布参数产生的影响。对于其他三种参数,我们可以采用类似的方法进行分析。当四个参数都独自取得了最优值后,我们认为加速器的入射电子束参数就取得了最优值。对于入射电子束的平均能量,试验的最小值和最大值分别为5和7 MeV;对于径向强度的FWHM,试验的最小值和最大值分别为0.1和0.4 cm;对于角度展宽,试验的最小值和最大值分别为0.15°和1°;对于能量展宽,试验的最小值和最大值分别为5%和20%。其中剂量分布参数包括百分深度剂量(Percentage Depth Dose, PDD)和射野离轴比(Off Axis Ratio, OAR)。PDD被定义为射野中心轴上某一深度d处的吸收剂量率d与参考点深度d0处剂量率d0的百分比:

      $$ \mathrm{PDD}=\frac{\dot{{D}} _{d}}{{\dot{{D}}}_{{{d}} 0}} \times 100 \text{%} \text{,} $$ (1)

      其中参考点一般取最大剂量点处。OAR被定义为射野中任意一点 (x, y, d) 处的剂量率 (x, y, d)与同一深度处射野中心轴上的剂量率 (0, 0, d)之比:

      $$ \mathrm{OAR}\left(x,\,y,\,d\right)=\frac{{\dot{{D}}}\left(x,\,y,\,d\right)}{{\dot{{D}}}\left(0,\,0,\,d\right)}\times 100 \text{%} \text{。} $$ (2)

      设置了入射电子束参数后,采用Gamma分析方法[15]对蒙特卡罗模拟和测量数据进行比较,来量化剂量差异。Gamma分析方法则由以下公式来表示:

      $$\gamma \left({r}_{\text{m}}\right)=\mathrm{min}\{\varGamma ({r}_{\text{m}},\,{r}_{\text{c}})\}\forall \{{r}_{\text{c}}\} \text{,} $$ (3)

      $ {r}_{\text{m}} $为测量剂量分布上的剂量点;$ {r}_{\text{c}} $为蒙特卡罗剂量分布上的剂量点。

      其中:

      $$ \varGamma \left({r}_{\text{m}},\,{r}_{\text{c}}\right)=\sqrt{\frac{{r}^{2}({r}_{\text{m}},\,{r}_{\text{c}})}{\Delta {d}_{M}^{2}}+\frac{{\delta }^{2}({r}_{\text{m}},\,{r}_{\text{c}})}{\Delta {D}_{M}^{2}}} \text{,} $$ (4)

      $r({r}_{\text{m}},\,{r}_{\text{c}})$$ {r}_{\text{m}} $${{r}_{\text{c}}}$两点之间的距离;$\delta({r}_{\text{m}},\,{r}_{\text{c}} )$为点$ {r}_{\text{c}} $处的剂量值$ {D}_{\text{c}} $($ {r}_{\text{c}} $)与点$ {r}_{\text{m}} $处的剂量值$ {D}_{\rm m} $($ {r}_{\rm m} $)之间的差值;$\Delta {d}_{M}^{}$是设定的位置误差;$\Delta {D}_{M}^{}$是设定的剂量误差。如果$\gamma({r}_{\text{m}}) \leqslant 1$,则认为该模拟点通过了Gamma分析的限制条件;如果$\gamma({r}_{\text{m}})$>1,则该点没有通过限制条件。本研究使用MATLAB编写了Gamma分析的算法,其中剂量误差设置为1%,位置误差设置为1 mm。

    • Almberg等[1]与Lin等[16]的研究表明,入射电子束的平均能量对PDD和OAR曲线的影响都较大,而PDD曲线主要受入射电子束能量的影响,因此,入射电子束的平均能量可以通过比较模拟和测量的百分深度剂量来确定。图2给出了当入射电子束的能量为5和7 MeV时,在10 cm×10 cm射野下,两种能量下模拟的PDD曲线与实验测量的PDD曲线的比较。此时径向强度的FWHM、角度展宽和能量展宽分别为0 mm、0°和0%。图中所有PDD曲线都归一化到了最大剂量深度处。从图2中可以看出,当能量为7 MeV时,最大剂量深度之后的模拟吸收剂量都高于实验数据,而当能量为5 MeV时,从最大剂量深度之后模拟的吸收剂量降低更快,这与Tugrul等[17]的研究一致。该结果表明入射电子束的能量应该介于5和7 MeV之间。

      图  2  入射电子束的平均能量对 10 cm×10 cm 射野的 PDD 曲线的影响(在线彩图)

      通过分析入射电子束能量变化对PDD曲线的影响,在5和7 MeV范围内调节平均能量。结果表明,当平均能量为6 MeV时,模拟的PDD与测量的PDD之间符合1 mm/1%的Gamma分析标准。图3显示了入射电子束平均能量为6 MeV时,10 cm×10 cm射野下模拟与测量的PDD曲线的Gamma分析结果。其中红色实线代表的是测量的PDD曲线,红色虚线代表的是模拟的PDD曲线,蓝色曲线代表的是模拟与测量的百分深度剂量差异所对应的伽马值曲线。按照1 mm/1%的标准,$ \gamma $通过率为100%,其中最大$ \gamma $值为0.816,最小$ \gamma $值为0.002。

      图  3  入射电子束的平均能量为6 MeV时在10 cm×10 cm 射野下模拟PDD与测量PDD比较(Gamma的评价标准为 1 mm/1%)(在线彩图)

    • 将入射电子束的平均能量设置为6 MeV,角度展宽和能量展宽分别设置为0°和0%。改变电子束的径向强度分布的FWHM值,以分析电子束径向强度分布对PDD和OAR的影响。类似于对入射电子束平均能量的研究,首先分析径向强度分布的最大值和最小值。将入射电子束的径向强度分布的FWHM值分别设置为0.1和0.4 cm,并模拟此条件下的PDD和OAR 。结果表明,4 cm×4 cm、10 cm×10 cm、30 cm×30 cm三种射野的OAR对FWHM这一参数都十分敏感,并且参数FWHM主要影响OAR的半影区域。图4显示了入射电子束的径向强度FWHM为0.1和0.4 cm时在10 cm×10 cm射野10 cm深度处的模拟与测量的OAR曲线对比。图中所有OAR曲线都按照10 cm深度处的中心轴剂量来进行归一化。当FWHM变大时,半影区的OAR曲线变斜,半影宽度明显变大,且其他射野与其他深度都具有类似的现象。图5示意了电子束的径向强度分布对10 cm×10 cm射野的PDD的影响,其中PDD曲线归一化到射野的最大剂量深度处。从图中可以看出,入射电子束的径向强度分布对PDD的影响很小,在1 mm/1%的Gamma分析标准下的最大的$ \gamma $值仅为0.907,$ \gamma $通过率为100%。

      图  4  入射电子束的径向强度 FWHM 对 10 cm×10 cm 射野的 OAR 曲线的影响(在线彩图)

      图  5  入射电子束的径向强度 FWHM 对 10 cm×10 cm 射野的 PDD 曲线的影响(在线彩图)

      因此只需要使模拟与测量的半影宽度之间的差异小于1%,即可确定优化的入射电子束径向强度分布。半影宽度通常定义为OAR曲线上80%和20%剂量值之间的侧向距离[18]表1列出了当射野为10 cm×10 cm时,不同的入射电子径向强度分布在10 cm深度处的半影宽度。结果表明,当FWHM值为0.1 和0.4 cm时,模拟与测量的半影宽度之间的差异较大。经过试验得到FWHM = 0.25 cm时,模拟结果与测量结果高度吻合,模拟的半影宽度为0.748 cm,测量的半影宽度为0.752 cm,二者之间的误差仅为0.532%。其他射野和其他深度情况的结果类似。

      表 1  不同FWHM情况下10 cm×10 cm射野10 cm深度处的模拟半影宽度与测量半影宽度

      FWHM/cm半影宽度
      模拟值/cm测量值/cm差异/%
      0.100.5390.752−28.324
      0.250.7480.752−0.532
      0.401.2020.75259.840
    • 根据前面的结果,使入射电子束平均能量为6 MeV、径向强度FWHM为0.25 cm且能量展宽为0%时,改变角度展宽,分析它对不同射野离轴剂量分布和中心轴剂量分布的影响。研究发现4 cm×4 cm 、10 cm×10 cm射野的离轴剂量对角度展宽不敏感。而当射野较大时,离轴剂量对角度展宽较为敏感。图6中给出了入射电子束的角度展宽为0.15°和1°时,30 cm×30 cm射野下10 cm深度处的OAR曲线对比,其中OAR曲线归一化到10 cm深度处的中心轴剂量。结果表明,当角度展宽增大时,30 cm×30 cm射野的OAR曲线的中心区尤其是肩部变高,外侧半影区域没有变化。角度展宽为0.15°时模拟与测量的OAR曲线实现良好吻合,在1 mm/1%的Gamma分析标准下通过率达到99.376%。对PDD的分析表明,入射电子束的角度展宽对PDD的影响很小,作为例子,图7展示了在10 cm×10 cm射野下角度展宽分别为0.15°和1°时的模拟PDD与实验测量PDD的对比,$ \gamma $通过率都达到了100%。其中PDD曲线都归一化到最大剂量深度处。

      图  6  入射电子束的角度展宽对 30 cm×30 cm 射野(在线彩图)

      图  7  入射电子束的角度展宽对 10 cm×10 cm 射野的 PDD 曲线的影响(在线彩图)

    • 假定能量展宽与径向强度分布具有相同的分布类型,即都为高斯分布。在本研究中,能量展宽用百分比来表示,它等于高斯能谱的FWHM与平均能量的比值。根据前面的分析结果,入射电子束的参数设置为平均能量6 MeV,径向强度的FWHM为0.25 cm,角度展宽为0.15°。然后将能量展宽分别设置为最小值5%和最大值20%,发现不同射野下的PDD和OAR都没有显著变化。图8显示了入射电子束的能量展宽对10 cm深度处10 cm×10 cm射野离轴剂量的影响,OAR曲线都归一化到10 cm深度处的中心轴剂量。图9显示了入射电子束的能量展宽对10 cm×10 cm射野中心轴剂量的影响,PDD曲线都归一化到最大剂量深度处。

      图  8  入射电子束的能量展宽对 10 cm×10 cm 射野的 OAR 曲线的影响(在线彩图)

      图  9  入射电子束的能量展宽对 10 cm×10 cm 射野的 PDD 曲线的影响(在线彩图)

      通过计算可得,当能量展宽为5%时,模拟OAR与测量OAR相比的$\gamma $通过率为99.501%,模拟PDD与实验PDD相比的$\gamma $通过率为100%;当能量展宽为20%时,模拟OAR与测量OAR相比的$\gamma $通过率为98.509%,模拟PDD与测量PDD相比的$\gamma $通过率为100%。这一结果表明,PDD与OAR对入射电子束的能量展宽不敏感。在模拟中,可以将入射电子束的能量展宽设置为0%。

    • 在确定入射电子束参数的过程中,本研究总结了入射电子束的平均能量、径向强度分布、角度展宽、能量展宽分别对10 cm×10 cm射野的PDD和对4 cm×4 cm 、10 cm×10 cm、30 cm×30 cm三种射野的OAR的影响,如表2所列。

      表 2  入射电子束参数对不同射野的剂量分布的影响

      入射
      电子束
      参数
      影响
      10 cm×10 cm
      射野的PDD
      4 cm×4 cm
      射野的OAR
      10 cm×10 cm
      射野的OAR
      30 cm×30 cm
      射野的OAR
      平均能量较大较大较大较大
      径向强度较小较大较大较大
      角度展宽较小较小较小较大
      能量展宽较小较小较小较小
    • 将四种入射电子束参数分别进行调试直至准确是一件工作量大且耗时的事情,因此本文通过研究PDD和OAR对不同入射电子束参数的敏感性,依据控制单一变量原则总结了以下确定入射电子束参数的基准流程,可以加快模拟速度。

      (i) 可确定的第一个参数为平均能量。由于PDD曲线主要受入射电子束能量的影响,因此入射电子束的平均能量可以通过比较模拟和测量的百分深度剂量来确定。可以将其他三个参数设置为0,只调节入射电子束的平均能量,直到模拟与测量的PDD曲线匹配。

      (ii) 可确定的第二个参数为径向强度分布的FWHM值。由于径向强度分布的FWHM值主要影响离轴剂量分布的半影区,因此该值可以通过匹配模拟和测量的半影宽度来确定。步骤(i)中已确定能量,可以将角度展宽和能量展宽设置为0,只调节入射电子束径向强度分布的FWHM值,直到模拟与测量的OAR曲线的半影宽度匹配。

      (iii) 可确定的第三个参数为角度展宽。由于入射电子束的角度展宽主要影响OAR曲线的中心区,尤其是在大射野情况下较为显著,因此可以在(i)和(ii)已经确定平均能量和径向强度分布的FWHM值的基础上,将能量展宽设置为0%,只调节入射电子束的角度展宽,直到大射野情况下模拟与测量的OAR曲线的中心区匹配。

      (iv) PDD与OAR对入射电子束的能量展宽都不敏感。因此在模拟中,可以将入射电子束的能量展宽设置为0%。

    • 根据前面的结果,最终确定径向强度的FWHM为0.25 cm、角度展宽为0.15°的6 MeV单能电子束为较精准的入射电子束参数。为了进一步验证该电子束模型的准确性,将模拟得到的4 cm×4 cm、10 cm×10 cm、30 cm×30 cm三种射野的PDD和OAR分别与实验测量数据进行对比,并利用MATLAB进行Gamma分析。研究表明,入射电子束参数对于不同深度处的OAR的影响具有相同的结论,本文仅展示10 cm深度处的OAR曲线。三种射野的结果分别如图10~12所示,其中红色实线代表的是测量数据,红色虚线代表的是基于优化的入射电子束参数的模拟数据,蓝色曲线代表的是1 mm/1%标准下的Gamma值。可以看出,在不同射野大小的情况下,模拟得到的PDD和OAR与实验测量的数据都具有良好的吻合度。在1 mm/1%的Gamma分析标准下,对于PDD,三种射野情况下的$\gamma $通过率都达到100%;对于OAR,除了在30 cm×30 cm射野情况下的$\gamma $通过率为99.376%,其他射野的$\gamma $通过率均达到100%。

      图  10  4 cm×4 cm 射野下模拟与测量的 PDD 曲线和 OAR 曲线及 Gamma 分析结果(在线彩图)

      图  11  10 cm×10 cm 射野下模拟与测量的 PDD 曲线和 OAR 曲线及 Gamma 分析结果(在线彩图)

      图  12  30 cm×30 cm 射野下模拟与测量的 PDD 曲线和 OAR 曲线及 Gamma 分析结果(在线彩图)

    • 放射治疗计划系统的剂量计算精度是保证放射治疗质量的关键环节之一。建立合理的剂量计算模型才能有效保证TPS的剂量计算精度,而这需要对加速器的入射电子束参数进行深入的了解。医用电子直线加速器的入射电子束参数包括:平均能量、能量展宽、径向强度分布、角度展宽。本文利用蒙特卡罗软件对入射电子束参数进行模拟,并将模拟得到的PDD和OAR与测量结果进行比较,从而确定入射电子束的优化的参数。模拟结果和测量结果的比较采用Gamma分析方法,其评判标准定义为1 mm/1%,并要求$\gamma $通过率为100%。分析结果显示,除了极大射野30 cm×30 cm的OAR情况以外 ($\gamma $的通过率为99.376%),其它结果都符合这一要求。模拟结果表明入射电子束参数对不同射野的PDD和OAR都有着不同程度的影响:PDD仅受平均能量的影响;OAR受径向强度分布的影响较大,因此可以通过模拟与测量的半影宽度匹配来确定这一参数;角度展宽对小射野的OAR的影响较小而大射野受其影响较大;能量展宽对PDD和OAR的影响都不显著,在进行蒙特卡罗模拟时,可以不考虑这个参数。根据研究结果,可以确定优化的入射电子束参数为:平均能量为6 MeV,径向强度分布的FWHM为0.25 cm,角度展宽为0.15°,角度展宽为0%。该研究结果为XHA600D加速器的TPS剂量计算模型的建立提供了基础参数,并且能够为我们进一步对XHA600D加速器6 MV X射线的剂量学研究提供帮助。

参考文献 (18)

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