医用电子直线加速器的蒙特卡罗模拟

代玉美，林 辉，吴本科，蔡金凤，裴 曦，熊桢宇

（1.合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009；2.中国科学院 合肥物质科学研究院核能安全技术研究所，安徽 合肥230031）

0 引言

医用直线加速器是实现肿瘤外放射治疗的重要设备，对医用直线加速器照射源的准确模拟可为放射治疗计划系统（Treatment Planning System，TPS）中剂量计算提供参考。剂量计算有模拟算法和解析算法［1］。模拟算法就是用医用电子直线加速器模拟粒子在膜体中的沉积能量。医用电子直线加速器通常有靶、初级准直器、均整器、电离室、灯光野镜、次级准直器，多叶光栅（Multi－Leaf Collimators，MLC）等部件组成，如图1所示。根据不同的机型，可选择与之对应的独立模块组件进行描述。传统的加速器模拟通常分3步进行，步与步之间通过相空间文件（Phase Space File，PSF）传递粒子输运信息。

（1）第1步。从靶模拟到灯光野镜，这部分几何模型不随治疗病人的不同而改变，称为加速器的固定不变部分。

（2）第2步。从灯光野镜后到模体上表面之间部分，此部分根据照射野的不同而变化，称为加速器的变化部分。

（3）第3步。以第2步产生的PSF作为入射源模拟粒子在模体中的沉积能量。

三步法的好处是对于不同的照射野，加速器的固定不变部分只需要模拟1次，可有效节省时间而被广泛使用［2－4］。然而此种方法的缺点是产生的PSF文件较大，通常为几个GB，且PSF记录粒子的有效性较差。

图1 医用加速器的二维示意图

文献［5］开发了具有自主知识产权的精确放射治疗系统（Accurate Radiotherapy System，ARTS）。该系统集调强放射治疗、图像引导放射治疗及剂量引导治疗于一体，已经通过了大量测试，目前正在申请国家医疗器械注册证。本文建立XHA600D加速器的蒙特卡罗模型，以用于加速器的照射束分析。XHA600D加速器是利用微波电场加速电子经过打靶后转换为X辐射以用于治疗深部肿瘤。

相关工作已有报道，文献［6］建立了Varian 2300C直线加速器6MV－X线的蒙特卡罗模型，文献［7］基于蒙特卡罗模拟的快速有限笔束算法进行了研究；文献［8］模拟了清华同源双束医用加速器；文献［9］对Varian 600C医用直线加速器进行了模拟。

本文的研究利用大型蒙特卡罗程序EGSnrc［10］的 OMEGA/BEAMnrc程序建立XHA600D加速器蒙特卡罗模型，并采用二步法进行模拟，通过比较测量值和模拟值，互相吻合较好，可用于ARTS系统加速器的照射束分析。

1 材料和方法

本文采用的二步法是在BEAMnrc建立加速器模型中，将三步法中的第1步和第2步合并模拟，仅获得一个PSF文件，然后把此PSF文件放到水模之上，采用DOSXYZnrc模拟3D剂量分布。使用电子束靶，经过一级准直器、均整器、监测电离室、灯光野镜、可移动二级准直器，最后到达多叶光栅这个模件，来记录粒子的路径。

通过对模拟与测量的百分深度剂量曲线对比，基于此模型入射电子束能量为6MV即可满足精度要求。经10cm×10cm照射野的百分深度剂量（Percent Depth Dose，PDD）和百分离轴剂量（Off－axis Ratio，OAR）模拟数据与测量数据反复对比后，发现入射电子采用高斯径向分布为1mm的圆形电子平行束，能量设为6MV较合适。从靶到PSF的垂直距离为60cm，若放射源到模体表面照射野中心的距离是100cm，则PSF位于水模上表面之上40cm处。DOSXYZnrc［11］模拟中采用“源2：相空间源从任何方向射入”，并使用了PSF粒子信息重新分布（phase space redistribution，PSR）的技术；电子和光子截止能量分别设为0.521MeV和0.01MeV。

照射模体为30cm×30cm×30cm均匀水模体，网格大小为0.5cm×0.5cm×0.2cm，照射野大小分别为5cm×5cm、10cm×10cm、20cm×20cm，源皮距SSD＝100cm，并与测量数据PDD和OAR（1.5cm、5cm 和10cm深度）进行了对比。整个计算在一台Intel（R）Xeon（R）E5620 Power服务器（CPU 2.40GHz，3.0GB 内存，8核）上进行。

2 结果

采用Shinva XH600D医用直线加速器和48cm×48cm×41cm的三维水箱（IBA Blue Phantom、指型电离室CC13），分别对5cm×5cm、10cm×10cm和20cm×20cm 照射野（SSD＝100cm）的百分深度剂量）和 1.5、5、10cm深度的百分离轴剂量进行了测量，并将EGS的计算结果与水箱测量结果进行比对。

为了便于对比，将20cm×20cm、10cm×10cm和5cm×5cm照射野的PDD、OAR最大值分别归一到100%，80%、60%，结果如图2所示。从图2a中可以看出，常用的10cm×10cm标准射野下PDD吻合；从图2b中可以看出，OAR在野内基本吻合，在半影区偏移小于2mm，符合在临床治疗计划系统允许的误差范围。

为展现本模型对非规则野的模拟能力，对一非规则野的剂量分布进行了模拟，如图3所示。图3aVARMLC描述了1个不规则的形状，图3b给出了此非规则照射野在1.5cm深度剂量分布的三维曲面图。

图2 5cm×5cm、10cm×10cm和20cm×20cm照射野EGS计算结果与实验结果对比

图3 不规则野模

不规则野的OAR曲线对比如图4所示。图4a、图4c分别给出了1.5cm深度，整个y轴上，x轴正半轴1cm处及坐标原点上的2条OAR曲线对比；图4b给出了整个x轴上，y轴负半轴1cm处的OAR曲线。从对比图可以看出吻合较好，可见XHA600D直线加速器建立的模型的可靠性。

图4 不规则野的OAR曲线对比

3 讨论

蒙特卡罗方法是目前最精确的剂量计算方法之一，BEAMnrc采用模块化几何描述组件，可用于建立复杂的医用直线加速器照射源模型，以用于治疗计划系统源模型分析。医用直线加速器主要由钨、铜等金属材料做成，对输入参数非常敏感。在加速器模拟中不同的照射野设定铅门和MLC的参数要一致。模拟时对于5cm×5cm、10cm×10cm、20cm×20cm照射野，根据分配不同的随机数种子各分成4个计算任务进行模拟，对于较大照射野［11－12］20cm×20cm模拟的OAR曲线不整齐，此时采取的措施是调节DOSXYZnrc中x或y轴上的网格数，OAR曲线就相对比较整齐且平滑。在DOSXYZnrc中模拟不规则照射野时不能用粒子重新分布技巧。本研究发现对于5cm×5cm照射野，相空间文件产生100MB以内就可以进行下一步模拟，而且模拟结果通过比较PDD和OAR曲线吻合较好。

二步模拟方法的粒子有效性非常好。以20cm×20cm照射野为例，之前的模拟工作使用三步法模拟加速器时，发现第1步模拟仅需要约10.43h，就可获得2～3GB的PSF1，以此PSF1作为源进行第2步模拟。仅需要0.855h就可产生2～3GB的相空间文件PSF2。但是以PSF2作为源用DOSXYZnrc模拟水模中的剂量分布，获得的剂量分布曲线并不光滑。然而，二步模拟109个粒子，仅获得相空间文件100MB，就可以进行下一步模拟。对于5cm×5cm、10cm×10cm、20cm×20cm照射野，BEAMnrc模拟109粒子大约需要17.76、18.03、17.43h。DOSXYZnrc分别需要13.82、13.42、11.43h。以此相空间文件为源，DOSXYZnrc模拟水模中的剂量分布却比较光滑，这说明虽然PSF可以作为分布模拟的“信使”，但是粒子信息的有效性可能打些折扣。

此外，EGSnrc的BEAMdp软件提供了相空间文件合并功能，模拟时可以通过设置不同的随机数种子，分成若干个计算任务在计算机群上同时模拟，然后用BEAMdp软件合并这些相空间文件，可大大节省时间。

4 结束语

本工作利用大型蒙特卡罗程序EGSnrc系统的BEAMnrc程序，用二步法建立了XHA600D6 MV加速器模型，通过模拟的PDD曲线和若干深度的OAR曲线与测量数据比较，得到了模拟值与测量值较吻合的曲线。本蒙特卡罗加速器模型可用于后续ARTS系统加速器的照射束分析。

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