基于GAMOS的蒙特卡罗方法模拟放疗电子线照射的剂量学研究

2020-08-04李毅杨泽吴文婧

中国医学物理学杂志 2020年7期

李毅，杨泽，吴文婧

1.西安交通大学第一附属医院肿瘤放疗科，陕西西安710061；2.榆林市第二医院肿瘤放疗科，陕西榆林719000；3.西安市疾病预防控制中心放射卫生科，陕西西安710054

前言

蒙特卡罗（Monte Carlo,MC）模拟作为目前最精确的剂量算法，在放疗剂量计算方面有着广阔的应用前景［1‐3］。但因为MC 模拟的精度和模拟粒子数的平方成正比［4‐6］，所以当模拟需要达到一定精度时，MC 程序需要模拟大量的粒子在物质中的输运和能量沉积，计算耗费大量时间。因此，提高MC 程序的运行效率成为研究的热点问题。

MC 模拟射线穿过物质时发生的相关物理过程，追踪初级电子、次级光子、次级电子所有粒子的状态。目前常用的MC模拟程序包括EGS4［7‐8］、MCNP［9］和GEANT4［10］。GEANT4 软件可模拟放疗中电子线轰击靶后，与加速器机头和被照射物体发生的相互作用，包括康普顿效应、光电效应、瑞利散射、轫致辐射、电离等相关物理过程。

GAMOS（GEANT4‐based Architecture for Medicine‐Oriented Simulations）是近年来开发的基于GEANT4的MC模拟软件，简化了GEANT4的仿真流程。使用该软件的用户不需要有C语言基础，同时不需要对GENAT4的仿真结构有充分的了解，而且可将新功能加入到该软件。

GAMOS 软件已应用于核医学领域，但很少涉及其它领域。本研究首次在国内将该软件应用于肿瘤放射治疗领域，模拟医用加速器电子线照射水模体，研究该软件模拟放疗的准确性。

1 材料与方法

1.1 水箱数据扫描

为了获取百分深度剂量（Percent Dose of Depth,PDD）和等平面剂量（Profile）分布，利用水箱（二代蓝水箱，IBA，比利时）及附属探头测量电子线在水中的剂量分布。测量3 档电子线（6、9 和12 MeⅤ）和3 个限光筒［（6×6）、（10×10）和（15×15）cm2］的数据，源皮距为100 cm，利用电离室探头测量PDD，分析最大剂量点深度（Dmax）、50%剂量深度（D50）和射程（Rp）；利用半导体探头测量Profile，分析照射野大小。照射野大小定义为中心点剂量50%的宽度范围。

1.2 MC模拟

为了模拟放疗粒子传输，分析水中剂量分布，本研究采用基于GEANT4 的MC 模拟软件GAMOS 4.0.0 模拟相关粒子的传输。利用GAMOS 模拟电子束照射水模体，分析水中的剂量分布。本研究模拟Ⅴarian rapidarc加速器机头各部件的尺寸、位置，材料组成部分及各部分的原子序数和比例，包括电子线束、出射窗、初级准直器、散射箔、反光镜和次级准直器。电子线治疗中，采用高斯分布的能谱，多叶准直器全开，不参与电子线束的阻挡，所以未考虑多叶准直器的模拟。水模体为（500×500×100）mm3，单个体素大小为（5×5×1）mm3。

据报道，MC 模拟误差应不大于最大剂量的2%。为了满足该模拟精度，本研究模拟5×108个粒子在物质中的输运和能量沉积。因模拟的粒子数较多且费时，本研究采用多CPU 的并行同步计算方法（Macbook、Intel Core i7、2.2 GHz、16 G RAM），减少模拟所用的时间。

1.3 数据分析软件及方法

本研究采用Matlab 软件分析电子线治疗水模体过程中水中的PDD 和Profile。将模拟结果与电离室或半导体测量结果对比，分析两者的差异。

2 结果

2.1 粒子数量对于水中吸收剂量的影响

本研究采用6、9、12 MeⅤ3档电子线分别照射水模体，（10×10）cm2限光筒，水模中模拟的吸收剂量与测量的结果对比如图1～3所示。由图可见，粒子数越多，模拟的PDD 和Profile 曲线越光滑，且模拟与测量的结果误差越小。对于5×108个粒子，模拟的吸收剂量和测量结果PDD和Profile误差最小。

2.2 模拟时间的比较

MC 模拟非常耗时，3 档不同能量与3 种不同限光筒大小的电子束照射模拟的时间如图4所示。模拟的平均时间分别为0.80 h［6 MeⅤ、（6×6）cm2］、1.96 h［6 MeⅤ、（10×10）cm2］、3.94 h［6 MeⅤ、（15×15）cm2］、1.75 h［9 MeⅤ、（6×6）cm2］、4.70 h［9 MeⅤ、（10×10）cm2］、9.67 h［9 MeⅤ、（15×15）cm2］、4.08 h［12 MeⅤ、（6×6）cm2］、15.52 h［12 MeⅤ、（10×10）cm2］、17.06 h［12 MeⅤ、（15×15）cm2］。结果表明，能量越大，限光筒尺寸越大，并行同步模拟所用的时间越多，模拟时间的变化越大。

2.3 水中吸收剂量的MC模拟误差

MC 模拟的PDD 和Profile 分布结果与测量结果的比较如图5和图6所示。PDD 曲线均归一到Dmax点，Profile 曲线均归一到中心点。根据推荐的标准，MC模拟剂量分布的误差为最大剂量点的2%。

对于PDD 分布，3 档电子线射程（Rp）的模拟结果如表1所示，与测量结果一致；模拟的Dmax和D50与测量结果一致；3档能量模拟PDD建成区误差的最大值如表1所示。图5结果表明，建成区（初始零位到吸收最大剂量点位置）模拟误差较大，建成区之外，模拟结果和测量结果的误差均在2%以内。对于Profile，图6表明，模拟的照射野大小与测量结果一致，模拟结果和测量结果误差在2%以内。

3 讨论

图1 模拟的6 MeV电子线粒子数对PDD和Profile的影响Fig.1 Effects of the number of simulated 6 MeV particles on PDD and Profile

目前临床使用的各种解析式电子线剂量计算方法的误差较大，达10%以上［11‐13］。MC 方法能准确模拟粒子输运过程，从而实现精确的剂量计算，是放疗剂量计算的金标准［14‐15］。肿瘤放射治疗中，电子线照射广泛应用于体表肿瘤的治疗。本研究利用MC 方法模拟电子线照射水模型的物理过程，分析了不同能量和限光筒照射条件下，粒子数对于模拟结果的影响，MC 所用的模拟时间和PDD、Phonerofile 分布的误差结果。

图2 模拟的9 MeV电子线粒子数对PDD和Profile的影响Fig.2 Effects of the number of simulated 9 MeV particles on PDD and Profile

MC 模拟方法非常耗时，本研究得出随着能量和限光筒大小的增加，MC 模拟的时间增加。在采用12 MeⅤ能量和（10×10）cm2限光筒条件下，模拟100万个粒子的时间最高可达15.90 h，模拟3 000 万个粒子可耗时19.88 d。尽管如此，可通过增加电脑的内存配置，采用多任务同步计算的方式模拟粒子，减少模拟所用的时间。

图3 模拟的12 MeV电子线粒子数对PDD和Profile的影响Fig.3 Effects of the number of simulated 12 MeV particles on PDD and Profile

与电离室测量结果相比，本研究MC 剂量模拟结果中，PDD 和Profile 的模拟结果与测量结果相差2%。符合AAPM 推荐的误差标准［16‐17］。Helo等［18］研究的结果显示，MC 剂量模拟结果中，PDD 建成区误差达3%，Profile 半影区域误差达10%。Helo 等［18］研究结果误差稍大于本研究，可能因为其研究中采用粒子数只有100 万个，远小于本研究采用的粒子数，导致结果误差较大。因此，基于GAMOS 的MC 模拟过程中，模拟的粒子数达5 000 万时，模拟和测量的结果误差在2%以内，与Andreo 等［13］的研究结果一致。