LUNA全身伽马刀输出因子的蒙特卡罗模拟研究*

袁继龙　程金生*

LUNA全身伽马刀输出因子的蒙特卡罗模拟研究*

袁继龙①程金生①*

目的：利用蒙特卡罗模拟方法，对LUNA全身伽马刀重要剂量学参数输出因子进行研究。方法：采集厂商提供的技术数据文档，建立LUNA全身伽马刀蒙特卡罗模型，模型验证后结合厂商测量输出因子所用探测器，设置蒙特卡罗模型相关参数进行模拟计算，比较分析厂商提供的输出因子与蒙特卡罗模拟计算出输出因子的差异。结果：在3%偏差范围内，不同准直器条件下，厂商提供的输出因子和蒙特卡罗模拟计算得到的输出因子符合性好，并进一步分析了相关差异的原因。结论：LUNA全身伽马刀输出因子的蒙特卡罗模拟研究为该设备的临床使用和质量控制提供了参考和依据。

LUNA全身伽马刀；蒙特卡罗模拟；输出因子

［First-author’s address］ Key Laboratory， Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety， Chinese Center for Disease Control and Prevention， Beijing 100088， China.

LUNA全身伽马刀是全身立体定向放射治疗专用设备，目前全国已经有40余台LUNA全身伽马刀应用于临床治疗。LUNA全身伽马刀有42颗60Co放射源在源体中沿着临床X轴和Y轴平面呈扇形对称分布，通过准直器聚焦在等中心位置，LUNA全身伽玛刀配备6组不同规格，即6 mm×6 mm、8 mm×8 mm、14 mm×14 mm、14 mm×20 mm、14 mm×40 mm和14 mm×60 mm，分别对应1号、2号、3号、4号、5号和6号准直器的矩形孔准直器。

在临床治疗时放射源体连同准直器可以绕着临床Z轴进行旋转进行非共面的聚焦照射，最大旋转角度是以临床Y轴为基准的180o。6个型号的准直器以满足头部、体部肿瘤的体积大小的立体定向放射治疗照射需要进行安装使用，所有准直器条件下在等中心焦点处形成的聚焦野，皆非传统放射治疗10 cm×10 cm的标准照射野，结合LUNA全身伽马刀的临床动态旋转照射治疗特点，其剂量学研究有着极其重要的临床治疗和质量控制意义。由于LUNA全身伽马刀主要在国内使用，其相关剂量学研究报道很少［1-6］。为此，本研究结合蒙特卡罗模拟的优势进行建模，比对厂商测试结果，对LUNA全身伽马刀的输出因子这一重要剂量学参数进行研究，为LUNA全身伽马刀放射治疗的质量控制提供参考和依据［7-10］。

1　资料与方法

1.1设备与材料

Luna-260型LUNA全身伽马刀（深圳一体公司生产）；EGSnrc蒙特卡罗模拟程序工具包（加拿大国家研究中心开发）。

1.2研究方法

以LUNA全身伽马刀为模型，根据厂商提供的技术文档，将放射源、放置放射源的源体、预准直器以及终准直器等剂量学相关部件的几何尺寸、相对空间位置分布、对应材料及动态旋转模式作为模型的输入参数进行蒙特卡罗模拟计算。

1.3蒙特卡罗模拟计算

蒙特卡罗模拟计算使用通用EGSnrc蒙特卡罗模拟程序工具包，在BEAMnrc模块3号源项中设置建模部分的相关部件几何尺寸、相对空间位置分布和对应材料，抽样γ粒子数为2×109，获得终准直器出口位置的源相空间文件，其主要包括射线到达设定位置区域的位置、角动量及对应的能量等分布信息。

（1）以此源相空间文件为输入文件在DOSXYZnrc模块中进行设置，该部分设置分两步进行：①验证蒙特卡罗模型，对应实际测量情况，在8号源项中设置相关源分布进行静态聚焦照射，模体体素为1 mm×1 mm×1 mm，抽样γ粒子数为2×109，分析模拟结果3ddose文件，分别提取临床X轴、Y轴和Z轴上的聚焦野剂量分布信息，计算剂量分布半高宽，与厂商技术文件提供相关信息进行比对分析，验证模型［11］；②在验证蒙特卡罗模型的基础上，在20号源项中根据源体旋转拉弧的角度和源的活度实际分布进行设置。

（2）在等中心处设置8 cm×8 cm×8 cm的有机玻璃模体，等中心位置体素根据不同准直器条件下厂商测量输出因子所用探测器灵敏体积进行设置；①在3号、4号、5号及6号准直器条件下，使用0.015 cc电离室进行测量，其灵敏体积近似为2 mm×2 mm×5 mm，1号和2号准直器条件下，使用Diode半导体探测器进行测量；②其灵敏体积近似为1 mm×1 mm×1 mm，对这些感兴趣区域体素和0o～180o的旋转聚焦照射进行编程设置；③在每个准直器条件下，抽样γ粒子数均为2×109，分析模拟结果3ddose文件，获取等中心处剂量值，相应剂量值（归一到每一个粒子）偏差均控制在≤0.5%范围内，偏差计算为公式1：

［（MC模拟-厂商数据）÷MC模拟］×100%（1）

（3）以最大尺寸的6号准直器为基准，分别计算其余准直器条件下的输出因子，并与厂商所提供技术文件中的相应输出因子进行比较分析。

2　结果

（1）基于EGSnrc的蒙特卡罗模拟环境在Ubuntu12.04 32位系统下搭建，运行CPU为4核InterCoreTM760 2.8 GHz，有效利用内存大约为3.0 GB，每个准直器条件下BEAMnrc模块运行为4.5 h左右，每个准直器条件下DOSXYZnrc模块运行为8 h左右。LUNA全身伽马刀静态聚焦照射时，等中心处聚焦野在X轴上的剂量分布半高宽见表1。

表1　X轴上剂量分布半高宽(mm)

LUNA全身伽马刀静态聚焦照射时，等中心处聚焦野在Y轴上的剂量分布半高宽见表2。

表2　Y轴上剂量分布半高宽(mm)

LUNA全身伽马刀静态聚焦照射时，等中心处聚焦野在Z轴上的剂量分布半高宽见表3。

表3　Z轴上剂量分布半高宽(mm)

（2）根据不同准直器条件，分别进行对应的焦点处感兴趣区域的体素设置，采用蒙特卡罗模拟计算，其等中心处感兴趣区域剂量值结果归一到每个抽样模拟计算的粒子上，见表4。

表4　蒙特卡罗模拟等中心处感兴趣区域剂量值(×10-17cGy)

（3）由蒙特卡罗模拟等中心处感兴趣区域的剂量值计算LUNA全身伽马刀不同准直器条件下的输出因子，并与厂商提供基于测量计算出的输出因子进行比较，其相应偏差见表5。

3　讨论

本研究目的是在蒙特卡罗模拟计算辅助下分析LUNA全身伽马刀输出因子，涉及的聚焦野焦点吸收剂量全部为小野模式，相较于传统的放射治疗射野剂量分布的测量，小野模式需要考虑灵敏体积较大的探测器，如0.6 cc及0.125 cc电离室，在聚焦野内测量时存在侧向电子欠平衡效应及体积效应问题，这两个效应会影响到测量结果的准确性，而且LUNA全身伽马刀所有准直器条件下的聚焦野都是非标准野，直接用灵敏体积小的电离室如0.015 cc电离室和其他探测器如Diode半导体探测器和MOSFET场效应管探测器测量前不但需要在标准辐射场下准确刻度修正，而且需要预先了解所测聚焦野的剂量分布情况，以便在不同的聚焦野剂量分布条件下准确使用合适的探测器。

表5　厂商提供输出因子与蒙特卡罗计算输出因子比较

本研究通过厂商技术文档提供的相关参数，建立LUNA全身伽马刀蒙特卡罗模型，模拟计算得到的等中心焦点处三维剂量分布，进一步提取出沿着临床X轴、Y轴及Z轴上剂量分布半高宽和厂商提供的设计尺寸进行对比，表1，表2和表3的结果对比表明，除最小准直器条件下模拟结果大于设计允许偏差外，原因应该是模体体素设置为1 mm×1 mm×1 mm，相较于5 mm的剂量分布半高宽相对较大，而且分析模拟计算结果时，采用线性插值方法获取模拟剂量分布半高宽的方法所造成，此差异在随后研究中将采用更小的体素来分析该准直器条件下聚焦野的剂量分布［12］。其余结果均在聚焦野设计允许偏差之内，因此本研究建立的LUNA全身伽马刀蒙特卡罗模型得到验证。

利用验证过的蒙特卡罗模型，参考蒙特卡罗模拟出剂量分布半高宽，可以选择灵敏体积合适的探测器进行输出因子的测量。本研究首先为了验证厂商给出的输出因子，按照厂商测试所采用探测器的灵敏体积在蒙特卡罗模型的模体中进行焦点处感兴趣区域设置进行模拟计算［13-15］。表5显示，厂商测试得到的输出因子和本研究蒙特卡罗模型模拟计算得到的输出因子的差异，其中4号、5号准直器的输出因子偏差很小，3号准直器偏差较大，应该是厂商测试所用0.015 cc电离室在此准直器条件下的聚焦野内出现体积平均效应，造成测量值偏低，测量结果和模拟结果出现如此偏差［16］。1号、2号准直器条件下，输出因子偏差相较于3号准直器条件偏差小很多，但与5号和6号准直器条件相比较偏差明显大些，而且此偏差均表现为测试结果大于蒙特卡罗模拟结果，厂商测试1号和2号准直器用的探测器是Diode半导体探测器，其灵敏体积的半导体有效原子序数大于测试及模拟所用有机玻璃模体，在测量过程中会有一定程度的过响应效应造成测量数据偏大，从而导致测试和模拟输出因子的偏差。

通过建立LUNA全身伽马刀的蒙特卡罗模拟模型，可以更容易的分析LUNA全身伽马刀的焦点处三维剂量分布情况，辅助解决现实中不容易实验测量的剂量学参数的问题，辅助实验测量中合适探测器的选择，相应复杂射野情况下修正因子的获取和测试结果的科学合理性分析［17-18］。

4　结语

本研究介绍了建立LUNA全身伽马刀蒙特卡罗模型的方法，在3%的偏差范围内，厂商提供的输出因子和蒙特卡罗模拟结果符合性好，并进一步分析了输出因子的测量和模拟结果在不同准直器条件下偏差的原因。本研究为LUNA全身伽马刀设备的临床使用及质量控制提供了参考和依据。同时，下一步将进行LUNA全身伽马刀的剂量学研究。

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Monte Carlo Simulation study of LUNA stereotactic body radiotherapy device’s output factors

YUAN Ji-long， CHENG Jin-sheng

China Medical Equipment，2016，13（9）:10-13.

Objective: Using Monte Carlo simulation method to study the important dosimetric parameter output factor of the LUNA stereotactic body radiotherapy device. Methods: Following the manufacturer’s technical documentation to establish the LUNA stereotactic body radiotherapy device’s Monte Carlo model and after model validation. After referring to the output factor measurement’s detector provided by manufacturer， set the relevant parameters in Monte Carlo model at last， compare and analyze the difference of output factor which provided between by manufacturer and calculated by Monte Carlo simulation. Results: In the range of 3% deviation，under the different collimator of condition， output factors which provided by manufacturers and calculated by Monte Carlo are in good agreement， and the reasons for the difference are also analyzed. Conclusion: LUNA stereotactic body radiotherapy device’s output factors of Monte Carlo simulated research work provides reference and basis for the clinical use and quality control.

LUNA stereotactic body radiotherapy device； Monte carlo simulation； Output factor

1672-8270（2016）09-0010-04

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.09.003

2016-06-02

国际原子能机构2014-2015国际合作项目（CPR6006）“加强现代核医学、放射诊断和放射治疗实践的质量保证”

①中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所 辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室 北京 100088

chengjs3393@163.com

袁继龙，男，（1982- ），博士，助理研究员。中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室，研究方向：辐射剂量与辐射防护。