人体组织替代材料在60Co放射治疗中的蒙特卡罗模拟

刘什敏, 李 祯

(伊犁师范大学 物理科学与技术学院,新疆 伊宁 835000)

0 引言

20世纪30年代发明了千伏X线治疗机,它只局限于浅层肿瘤,对于深部肿瘤,由于低能X射线穿透能力差,往往不能达到满意的治疗效果。1952年加拿大研制成功第一台60Co治疗机,它利用放射性核素60Co作为放射源,释放出平均能量为1.25 MeV的γ射线,以精确计时的方式控制放射源的衰变,从而达到能量控制的目的,放射治疗开始成为一门独立的学科。20世纪60—70年代医用加速器问世,其按能量的输出方式可分为单能与多能加速器,它利用高能电子加速管对脉冲振器产生的微波脉冲加以调制、放大、加速并产生高能电子线,该电子线击靶后产生治疗所需的X射线,并对其准直,均整后用于临床。可见,加速器既能产生高能电子线也能产生高能X射线,二者可用于治疗不同深度的肿瘤。X射线具有穿透力强,能量可以沉积的特性,所以用于治疗深部肿瘤;而电子线射程短,故用于治疗浅表部的肿瘤或皮肤病等。20世纪70—80年代,由于计算机技术和医学影像技术的发展,以X(γ)射线为放射源的立体定向放射技术得到迅速发展。

蒙特卡罗方法又称随机抽样技术或统计试验方法,用计算机技术模拟物理过程的思想,能抓住物理过程的物理量的数量和几何特征,利用数值方法加以仿真,能够比较逼真地描述事物的特点及物理过程。该方法是求解辐射输运问题和粒子能量沉积的一种相当成熟、实用和有效的方法,在肿瘤放射物理学尤其是远距离放射治疗中的应用已越来越广泛。 肿瘤的放疗一般也采用上述粒子进行照射,所以可以用MCNP(Monte Carlo N Particle)程序模拟放射粒子在机体组织中的辐射量分布情况,以指导实验或代替实验,从而节约大量的人物和物力。 本文中运用此方法对光子照射后分析在指定区域内的能量沉积情况。

1 材料和方法

用具有一系列自然属性的材料模拟一定机体组织,这种材料被称为组织代替材料(Tissue Substitute)。在深度剂量测量与计算时,组织替代材料的基本要求是“密度、化学和元素成分同模拟组织相似”。在使用60Co治疗癌症时,人体组织替代材料应选择那些光子的散射与吸收截面与人体组织相似的材料。本文取比较常用的4种材料:石蜡、水、聚苯乙烯、有机玻璃,4种替代材料和正常脑组织的元素成分和质量密度见表1。

表1 脑组织和4种组织代替材料的元素成分和质量密度

图1为模拟模型,以放射源为坐标原点,长方体为人体,在X轴上取N个计数体,用F6计数卡模拟计算沉积能量。在长方体以外球体以内为非计数范围。球体以外为非研究范围,不作为研究对象。利用MCNP-4C程序模拟计算了在光子(1.25 MeV)照射下,正常脑组织及4种组织代替材料(水、聚苯乙烯、有机玻璃、石蜡)中不同深度处的能量分布。并通过模拟数据计算出几种人体组织替代材料相对正常脑组织的能量相对误差分布。

图1 模拟模型

2 模拟计算结果

表2为通过蒙特卡罗模拟得到的正常脑组织及4种组织代替材料不同深度(厚度)的能量沉积,并由此得到相应的变化曲线(图2),进一步得到人体替代材料的沉积能量相对正常脑组织的相对误差E随材料厚度的变化曲线(图3)。

图2 沉积能量随代替材料厚度的变化

图3 沉积能量相对误差随材料厚度的变化

表2 不同深度处的能量沉积对比

3 结论

通过蒙特卡罗模拟计算可以看出,图2中与正常脑组织模拟数据最为接近的是水和有机玻璃两种材料,图3中相对误差的变化非常直观地反映了4种材料各自的差异:聚苯乙烯则由于相对误差最大,不适合作为人体组织的替代材料,石蜡和有机玻璃相对误差大,水与正常脑组织比较略微偏高。因此,4种人体组织替代材料中,水是最佳的替代材料。