基于蒙特卡罗方法的医用电子直线加速器最优剂量参数及输出剂量测量质量控制研究

杜涌泉 杜建华 代 伟

近年来，随着肿瘤疾病发病率升高，越来越多的肿瘤患者接受放射治疗。放射治疗即指电离辐射或γ射线、X射线的放射性，其破坏、杀死靶组织和靶细胞而达到治疗目的。人体接受电离辐射治疗后，会出现生物学、化学及物理学等一些列的变化，最终出现生物效应(指组织生物学损伤)，该损伤程度与组织吸收电离辐射能量成正比，该方法虽然具备一定肿瘤细胞杀伤作用，同时也可对周围健康细胞造成破坏损伤，而剂量计算直接关系放射治疗效果，是放射治疗计划的核心[1]。

蒙特卡罗方法是目前公认最精确的计算方法，其主要包括患者模拟和直线加速器治疗头模拟两部分。精确的加速器蒙特卡罗模型是保证模拟剂量准确性的前提，其中入射电子直线加速器参数，即平均角展宽、径向强度分布及平均能量，可一定程度影响离轴剂量与百分深度剂量。本研究对电子直线加速器10 cm×10 cm射野下的剂量分布特性进行分析，探究其输出剂量测量的质量控制与最优剂量参数。

1 资料与方法

1.1 被测仪器

Varian Clinac 23EX医用直线加速器(美国瓦里安公司)，中心处宽1 cm的叶片组成的准直器，左右各40片，X射线剂量率100～600 cGy/min，X射线能量为6 MV和15 MV；电子线剂量率100～1000 cGy/min，电子线能量分别为6 MeV、9 MeV、12 MeV、15 MeV、18 MeV和22 MeV。原轴距100 cm，中心处最大射野40 cm×40 cm。9606B型号电离子室剂量仪(中国测试技术研究院)；其他仪器包括气压计(80～110 kPa)、温度计(0～50 ℃)，仪器最小值测距尺1 mm、气压计0.1 kPa、温度计0.5 ℃[3-5]。

1.2 测量条件

进行蒙特卡罗方法测量，控制大气压强80～110 kPa，环境温度为15～35 ℃，相对湿度30%～75%。测量环境的辐射为本底，机械振动与外来磁场均不应造成测量剂量的不稳与偏差。9606B型号电离室剂量仪，全自动三维扫描水箱，计量仪检验合格，且符合相关规定与要求。检测采用容积30 cm×30 cm×30 cm的标准水模体[4-6]。

1.3 模拟程序与步骤

基于蒙特卡罗程序EGSnrc对医用电子直线加速器的水模体、粒子运输剂量沉积步骤：子程序BEAMnrc生产相空间文件，包含粒子信息，粒子经过治疗头运输时，达到垂直于粒子入射方向且与靶特定距离的平面后，钙离子的权重、入射方向、坐标位置、能量等信息均会在相空间文件被储存，该文件以子程序DOSXYZnrc输入源，对水模体中剂量进行计算[7]。

1.4 蒙特卡罗子程序BEAMnrc中加速器治疗头建模

据Varian Clinac 23EX医用直线加速器的材料、几何尺寸等，采用JAWS、MIRROR、CHAMBER、FLATFILT、SLABS、CONS3R及SLABS模块分别模拟次级准直器(上下铅门)、射野镜、电离室、均整器、真空窗、初级准直器以及模拟靶[8-14]。模拟的4个射野大小分别为30 cm×30 cm、20 cm×20 cm、10 cm×10 cm以及4 cm×4 cm。相空间文件在垂直粒子射出方向，采用直线韧致辐射分裂(directional bremsstrahlung splitting，DBS)作为方差减少技术，源皮距(source-skin distance，SSD)为100 cm处平面上。假设入射电子束服从高斯径向强度分布，子程序BEAMnrc中的多类型电子线源，采用19号电子线源，包括径向强度分布、电子线能量。设置电子束为单能圆形平行束，明确不同射野最优能量，设置径向强度分布0.1 cm(由高斯分布标准差给出，σ表示)，保持大小不变，获取不同能量值的百分深度剂量；研究百分深度剂量受径向强度分布影响同时，设置电子线能量为最佳值，调整径向强度大小，分析百分深度剂量的变化。

1.5 百分深度剂量测量

运用电离室(Semiflex 31010)进行百分深度剂量测量，在模拟同等条件下采用电离室、三维水箱(PTW公司提供)测量水箱中心轴上百分深度剂量。子模体定位精准度±0.1 mm，分辨率0.1 mm。扫描电离5.5 mm室腔体直径、0.125 cm3有效体积。对不同大小射野剂量分布进行测量，调节电离室至水面的射野中心轴上，放射源与电离室有效测量点距离100 cm，对不同深度射野中心轴输出剂量率进行测量，归一至最大剂量深度输出剂量，获取百分深度剂量。对上述步骤进行重复，获取不同射野下百分深度剂量。

1.6 子程序DOSXYZnrc水模剂量计算

设立输入源为相空间文件，同样子程序DOSXYZnrc中设立输入源类型，设立输入源为相空间文件，源号2，对水模中百分深度剂量进行计算。三维坐标方向相互垂直，Z轴原点位于水模上表面中心点，为粒子入射方向，垂直向下。水模大小为30 cm×30 cm×30 cm，分成大小不同的体素，体素长度在Y轴、X轴上均为1 cm，而Z轴上长度不一，水模表面深度＞1 cm则素体Z轴长度0.5 cm，水模表面深度≤1 cm则素体Z轴长度0.2 cm。边界穿越法使用EXACT(精确)，电子步长算法使用PRESTA-Ⅱ[7]。

2 结果

2.1 电子线能量

(1)当电子直线加速器径向强度分布为0～0.19 cm变化时，测量与模拟的主剂量区内离轴剂量差异最小；对平均角展宽进行调整，有助于提高测量与模拟的离轴剂量符合度。当电子直线加速器径向强度与平均能量分别在0.1～0.4 cm及5.5～6.4 MeV时，百分深度剂量无较大变化。

(2)此次研究均于1.5 cm处的最大剂量点对测量、计算深度剂量进行归一处理，获取相应百分深度剂量；当射野剂量为4 cm×4 cm时，对百分深度剂量曲线影响，不同入射能量的测量深度与计算深度剂量曲线如图1A所示。因不同能量获取百分深度无较大差异，为计算出测量与模拟的百分剂量差，获取最佳能量值，对该剂量差异最小二乘法拟合，获取3个相应能量值百分剂量差异曲线图(如图1所示)。

2.2 其他能量

对其他能量值进行拟合，拟合曲线中，截距绝对值越小、斜率越接近于0的曲线图所表示的电子线能量最佳。对其他3个视野进行拟合，获取Varian clinac 23EX医用直线加速器最优参数分别为：30 cm×30 cm最佳值6.4 MeV、20 cm×20 cm最佳值6.3 MeV、10 cm×10 cm最佳值6.0 MeV以及4 cm×4 cm最佳值5.9 MeV。经测试，不同射野值下测量获取的水模表面处、百分深度剂量均与模拟值存在一定差异。4个射野中面积由大至小，获取的测量与模拟剂量差异最大值分别为2.22%、1.91%、1.03%和0.44%。

图 1 不同电子能量下对应的百分剂量差及5.9 MeV百分深度剂量散点图

3 讨论

目前，主要采用胶片法、半导体法、热释光法以及电离室法对吸收剂量进行测量，实验室中主要采用化学计量法和量热法进行测量。以上测量方法均各具优势，其中以电离室法被国家技术监督机构、国际权威性学术组织确定为监测、校准放射治疗吸收剂量重要方法，其具有操作简单、性能稳定、灵敏度高、能量响应好及测量准确等优点。一般现场在水模体中对吸收剂量进行校准。在临床辐射剂量学中放射治疗中人体吸收剂量的校准至关重要，必须严格依照国际原子能(International Atomic Energy Agency，IAEA)TRS-277的相关内容进行，在水模体中测量电子直线加速器产生的电子束与X射线的吸收剂量。

蒙特卡罗软件是目前医学物理领域最常用的模拟软件，BEAMnrc软件采用模块化几何描述组间，可对任意的放射治疗设备进行模拟，以用于分析治疗计划系统源模型。建立准确的模型是模拟加速器射线剂量分布的关键，包括加速器电子束模型与几何模型；在保证准确的几何模型前体下，主要通过调整电子线参数控制剂量准确性。医用直线加速器主要由铜、钨等金属构成，具备较强的敏感性。本研究分析不同射野最佳径向强度、能量对深度剂量影响：①对电子直线加速器能量依据百分深度剂量确定，认为深度剂量受到径向强度的影响相对较小，或其影响值可忽略，进而获取到最佳能量值；②通过确定能量值，调整径向强度大小，认为径向强度是影响百分深度剂量的主要因素。

袁继龙等[15]报道，入射电子束径向强度分布与能量对离轴比造成直接影响，在剂量最大点时深度剂量曲线对电子束径向强度、能量分布等不敏感；其对10 cm×10 cm射野最佳剂量进行分析，在半高宽(full width at half maximum，FWHM)为0.4 cm及能量为5.8 MeV的参数组合，蒙特卡罗方法[9]模拟获取值与测量射野内的离轴比、百分深度剂量曲线最为接近；同时其指出，百分深度剂量受到不同电子线能量值的影响较小。鉴于此，本研究对4个不同射野最佳能量值进行研究，其结果显示，最优参数分别为：30 cm×30 cm最佳值6.4 MeV、20 cm×20 cm最佳值6.3 MeV、10 cm×10 cm最佳值6.0 MeV以及4 cm×4 cm最佳值5.9 MeV。对此国外学者同样对不同射野下剂量分布情况进行研究，在水模体30 cm深度处35 cm×35 cm、10 cm×10 cm以及2 cm×2 cm不同射野，在能量改变0.2 MeV时，测量值与模拟剂量存在误差为2%。经分析可能因其研究采用厂商提供的电子线能量值存在相关性，与实际情况存在一定偏差。因此，在模拟中有必要对电子直线加速器的电子线能量根据实际情况重新获取。本研究采用二次线性对模拟与测量的差值拟合，获得不同射野下最优剂量。

临床中放射治疗的有效、安全关键在于质量保证与质量控制。近年来，随着我国经济发展，临床中医用电子加速器得到良好普及，为临床放射治疗提供可行性。但由于管理监督力度不足、安全文化素养较低、放射治疗基本设施差等因素，导致设备应用质量、性能等良莠不齐，同时放射治疗过程中步骤繁琐、数量庞大，稍有差池即可造成无法挽回错误，进而影响放射治疗效果，甚至对患者造成放射损伤，产生各种不良反应，引发医患纠纷。因此，从加强卫生监督管理、提高工作人员安全素养、完善仪器设施等多方面加强质量控制同样不容忽视。

4 结语

保证蒙特卡罗方法模拟结果准确性的关键在于模拟所需电子线参数的确定。本研究分析提出一种电子线参数确定方法，据测量、模拟百分深度剂量，使用最小二乘拟合获取最优值作为确定值保持不变；在通过半影区剂量匹配，对径向强度分布大小进行确定；对平均角展宽进行调整，使测量值与离轴剂量更符合。采用蒙特卡罗模拟加速器，可获取最优能量参数，提高输出剂量控制。