应用蒙特卡罗方法研究医用加速器光子能谱分布.pdf

文章编号：1671-7104(2024)02-0156-04应用蒙特卡罗方法研究医用加速器光子能谱分布【作者】徐云1，赵宇1，李自康1，吴骏翔21四川大学华西医院雅安医院肿瘤科，雅安市，6250002四川省肿瘤医院放疗中心，成都市，610041【摘要】目的研究医用直线加速器在等中心平面的光子能谱分布和次级准直器对光子能谱的影响。方法使用BEAMnrc程序模拟5cm5cm、10cm10cm、15cm15cm和20cm20cm射野下，能量为6MeV电子和光子在加速器治疗头中的输运行为，在等中心平面处设置相空间记录文件，以记录经过此平面的粒子信息。然后利用BEAMdp程序对相空间文件进行分析，从而获得在等中心平面的光子能谱分布及次级准直器对光子能谱的影响。结果通过分析标称能量为6MV的医用直线加速器的光子能谱，发现次级准直器对光子能谱影响很小；不同射野具有不同的光子能谱分布；同一射野不同中心区域的光子能谱具有相同的归一化分布。结论在放射治疗的剂量计算中，应仔细考虑光子能谱的影响。【关键词】蒙特卡罗方法；光子；医用直线加速器；能谱【中图分类号】R815.6;TH77【文献标志码】Adoi:10.12455/j.issn.1671-7104.230387Research Photon Energy Spectrum of Medical LinearAccelerator by Monte Carlo Method【Authors 】XUYun1,ZHAOYu1,LIZikang1,WUJunxiang21Oncology Department,West China Hospital of Sichuan University Yaan Peoples Hospital,Yaan,6250002RadiotherapyCenter,SichuanCancerHospital,Chengdu,610041【Abstract 】Objective The distribution of the photon energy spectrum in isocenter plane of the medical linearaccelerator and the influence of secondary collimator on the photon energy spectrum are studied.MethodsUsetheBEAMnrcprogramtosimulatethetransmissionofthe6MeVelectronsandphotonsin5cm5cm,10cm10cm,15cm15cmand20cm20cmfieldsintreatmentheadofthemedicallinearaccelerator,whereaphasespacefilewassetupattheisocenterplanetorecordtheparticleinformationpassingthroughthisplane.TheBEAMdpprogramisusedtoanalyzethephasespacefile,inordertoobtainthedistributionofthephotonenergyspectruminisocenterplaneandtheinfluenceofsecondarycollimator on the photon energy spectrum.Results By analyzing the photon energy spectrum of amedicallinearacceleratorwithanominalenergyof6MV,itisfoundthatthesecondarycollimatorhaslittle effect on the photon energy spectrum;different fields have different photon energy spectrumdistributions;thephotonenergyspectrumindifferentcentralregionsofthesamefieldhavethesamenormalizeddistribution.ConclusionInthedosecalculationofradiationtherapy,theinfluenceofphotonenergyspectrumshouldbecarefullyconsidered.【Key words】MonteCarlomethod,photon,medicallinearaccelerator,energyspectrum0引言引言恶性肿瘤已成为我国疾病致死的主要因素。目前，临床上治疗和控制肿瘤主要有3种手段：手术治疗、药物治疗和放射治疗1。随着制造技术、控制技术和计算机技术等相关领域的发展，放射治疗在肿瘤的控制和治疗中占据越来越重要的地位。对放射治疗相关课题的研究，持续吸引着广大医学物理研究者以及临床医生和物理师的关注。放射治疗根本目的在于给肿瘤区域足够且精确的辐射剂量照射，同时保证正常组织和危及器官只受到最少剂量或可容忍剂量的照射1。为了达到收稿日期：2023-07-10作者简介：徐云，E-mail:通信作者：吴骏翔，E-mail:ChineseJournalofMedicalInstrumentation2024年48卷第2期研 究 与 论 著156这一目的，在给定照射条件下，计算射线束在人体中精确的剂量分布是非常重要的一个环节。国际辐射单位和测量委员会（InternationalCommissiononRadiationUnitsandMeasurements,ICRU）报告指出2，为了有效地控制肿瘤，需要将剂量投放的误差控制在5%以内。由于这个误差是整个治疗过程的系统误差，因此，对放射治疗计划系统的剂量计算的精度有更高的要求，国际原子能机构（InternationalAtomicEnergyAgency，IAEA）报告和国家标准3对绝大多数照射条件下的计算误差都要求不大于3%，在射束轴上，甚至要求小于2%。对医用直线加速器剂量分布的计算一直在研究中4-7。同时临床应用的发展对剂量计算精度有持续改进的要求。由于不同能量的入射束在介质中的输运行为存在差异。因此，为了准确计算剂量分布，获得入射束的能谱分布以及加速器治疗头组件对能谱的影响是必须的。在放射治疗的临床研究和应用中，使用了多种方法来获得医用加速器的入射束的能谱分布8-10。其中，直接测量法在临床应用中受到客观条件的限制，较难得到广泛应用。通过测量数据的反演得到的能谱实际上是有效能谱，通常情况下不能完全真实地反映射束的能谱分布。蒙特卡罗方法能够确定加速器治疗头组件对能谱的贡献。作为继续提高放射治疗计划系统计算精度工作的一部分，本研究通过蒙特卡罗模拟方法，分析加速器治疗头中次级准直器对光子能谱的贡献，不同射野光子能谱的分布规律以及同一射野不同区域光子能谱的分布规律。下面将介绍模拟时使用的加速器模型、主要参数及获得光子能谱的过程，随后对模拟的数据进行分析和总结。1资料和方法资料和方法1.1蒙特卡罗模拟参数使用蒙特卡罗程序（BEAMnrc1.25修订版本）11模拟标称能量为6MV的医用电子直线加速器治疗头。治疗头组件包括靶、初级准直器、均整器、监控电离室、灯光反射镜和次级准直器。材料选取于美国瓦里安公司VarianTrueBeam加速器机头结构数据库。相空间平面的位置在源-皮距（source-skindistance,SSD）为100cm处，即加速器的等中心平面，记录的参数包括经过该平面的粒子的种类、电荷、能量、运动方向以及粒子到达该平面时经过的加速器组件等12。所记录的相空间数据由BEAMdp处理13，获得相应的能谱信息。加速器的入射电子为6MeV单能电子，入射光斑直径为0.002cm。模拟过程考虑了电子和光子与物质的相互作用。电子的相互作用过程包括弹性散射、非弹性散射和轫致辐射等。光子的相互作用过程包括光电效应、康普顿散射和电子对效应等。电子和光子的截止能量分别设定为0.7MeV和0.01MeV，其中电子的能量包含其静止能量。使用到的方差降低技巧包括PhotonForcing、UniformBremsstrahlungSplitting(UBS)、RussianRoulette和BremsstrahlungCrossSectionEnhancement（BCSE）11。取样历史数为108。在个人计算机（RAM：4GB；CPU主频：3.0GHz；CPU型号：IntelCoreTMi5）上，每种设置的模拟耗时15h左右。1.2X、Y方向的次级准直器对能谱的影响为研究X、Y方向的次级准直器对光子能谱的影响，在10cm10cm标准射野下利用BEAMnrc程序中的粒子历史记录标志（LATCH）11。在模拟中将X和Y方向的次级准直器分别对应LATCH标志中的位9和位10。并设置其属性为当粒子经过该器件时，该位被设置为1，可以被继承。这样在使用BEAMdp程序分析相空间文件的能谱时，可以通过控制LATCH标志中相应位的逻辑关系来判断相空间中的粒子是否经过X或Y方向准直器。只选择X方向准直器对应的LATCH标志中的位9，统计经过X方向准直器的粒子数，使用BEAMdp程序分析光子能谱记为X(E)，表示只通过X方向准直器光子能谱。相应地，只选择Y方向准直器对应的LATCH标志中的位10，分析只通过Y方向准直器光子能谱记为Y(E)。选择X和Y方向准直器对应的LATCH标志中的位9和位10，分析经过X和Y方向准直器的光子能谱记为X+Y(E)。那么，同时经过X和Y方向准直器的光子能谱记为XY(E)，用式(1)表示：XY(E)=X(E)+Y(E)X+Y(E)(1)1.3不同射野的能谱分布在分析不同射野的光子能谱分布规律时，首先完成了一个标准射野（10cm10cm）的模拟。然后调整X和Y方向的次级准直器，使其在等中心平面分别形成不同大小的射野。在本研究中，给出了5cm5cm、15cm15cm和20cm20cm的射野数据。所有射野的相空间平面的位置都设置在等中心平面。所有相空间文件由BEAMdp程序进行分析。1.4同一射野不同区域的能谱分布选择10cm10cm的标准射野来研究同一射野ChineseJournalofMedicalInstrumentation2024年48卷第2期研 究 与 论 著157不同区域的光子能谱分布。在利用BEAMdp分析10cm10cm的射野的能谱时，分别设定2cm2cm、5cm5cm、8cm8cm和10cm10cm的区域，每个区域的中心都与射束中心重合。2实验结果及分析实验结果及分析2.1X、Y方向的次级准直器对能谱影响E表1所示为10cm10cm的标准射野在100cm等中心平面处，次级准直器对光子能谱的影响。单独经过X方向准直器光子的能谱记为X(E)，单独经过Y方向准直器光子的能谱记为Y(E)，同时经过X和Y方向准直器光子的能谱记为XY(E)。表1列出了在这3种情况下能谱的峰位置、能谱峰值和平均能量等。其中光子的平均能量（）14可表示为：E=rEmax0(E)EdErEmax0(E)dE(2)(E)式中：为光子的微分能谱分布，Emax为能谱中光子的最大能量。对于6MV医用直线加速器Emax为6MeV。表1显示单独经过X或Y方向次级准直器光子的能谱大致相同。表1数据表明，同时经过X和Y方向次级准直器光子形成的能谱的峰位置、能谱峰值和平均能量都有较大偏低，一部分是由实验中统计涨落造成的。单独经过X或Y方向次级准直器的光子数占总粒子数比例都不到0.2%，同时经过X和Y方向次级准直器光子数占总粒子数比例只有0.006%。这表明，在分析光子的能谱时，可以忽略次级准直器带来的影响。表1经过X、Y方向次级准直器光子的能谱参数Tab.1ParametersofphotonenergyspectrumfromXorYsecondarycollimator参数X(E)Y(E)XY(E)总能谱分布能谱的峰位置/MeV1.425 1.2360.7951.236能谱峰值109/(MeV1cm2N1)4.133 3.3520.5581857.4平均能量/MeV2.070 2.1071.3482.256统计粒子数107/(MeV1cm2N1)1.224 0.8990.041679.5占总统计粒子数比例(%)0.180 0.1320.0061002.2不同射野的能谱分布表2所示为在100cm等中心平面处，射野的大小分别为5cm5cm，10cm10cm，15cm15cm和20cm20cm时的光子能谱分布。表2列出了不同射野的能谱的峰位置、能谱峰值和平均能量。从模拟结果可以看出，标准射野10cm10cm的能谱是连续X射线谱，能谱先单调上升，后单调下降，在约1.236MeV能量处达到能谱的峰值，在6MeV能量附近能谱趋近于0。此外，不同射野的光子能谱具有不同的分布，随着射野面积的增加，能谱的峰位置在向低能方向移动，而能谱峰值在逐渐增大，平均能量在逐渐减小。表2不同射野的光子能谱参数Tab.2Parametersofphotonenergyspectrumindifferentfields参数数值射野/cmcm551010 1515 2020能谱的峰位置/MeV1.425 1.2360.8580.795能谱峰值106/(MeV1cm2N1)1.343 1.8572.5553.704平均能量/MeV2.350 2.2562.1872.1192.3同一射野不同区域的能谱分布表3所示为在100cm等中心平面处射野大小为10cm10cm时，不同大小的中心区域的光子能谱归一化分布。中心区域的尺寸分别为2cm2cm，5cm5cm，8cm8cm和10cm10cm。表3列出了10cm10cm射野的不同区域的能谱的峰位置、能谱峰值和平均能量。从表3中可以看出，对于同一射野不同区域的光子能谱具有相同的归一化分布。表3射野为10cm10cm中心各分析区域的光子能谱归一化参数Tab.3Normalizedparametersofphotonenergyspectrumindifferentanalysisregionsof10cm10cmfield参数数值分析区域/cmcm2255881010能谱的峰位置/MeV1.299 1.236 1.2361.236能谱峰值106/(MeV1cm2N1)1.463 1.584 1.7541.857平均能量/MeV2.246 2.251 2.2572.2563讨论讨论在放射治疗中，高能光子线作为常用射线束，其能谱是剂量计算的重要参数，关系着放射治疗的精准度。刘娟等15使用模拟退火法实现对医用直线加速器6MVX射线在10cm10cm射野下能谱的重建。陈兴强等16采用蒙特卡罗方法研究了医用直线加速器6MVX射线在10cm10cm射野下的特性。本研究中标准射野10cm10cm能谱特性与上述研究基本一致。韩俊杰等17使用蒙特卡罗程序分析去除次级准直器模块情况下的光子能谱，发现来自整体次级准直器光子数占总光子数比例很小。本研究在不去除次级准直器模块的情况下，采用蒙特卡罗程序BEAMnrc粒子历史记录标注方法，进一步证明了通过单独X或Y方向次级准直器光子数占总粒子数比例都不到0.2%，同时通过X和Y方向次级准直器光子数占总粒子数比例仅为0.006%，这表明次级准直器对光子能谱影响很小，可以把次级准直ChineseJournalofMedicalInstrumentation2024年48卷第2期研 究 与 论 著158器当作吸收体，在分析不同射野的能谱及相同射野不同区域能谱时，可以忽略次级准直器的影响。4结论结论本研究通过蒙特卡罗程序BEAMnrc模拟电子和光子在医用加速器治疗头中的输运行为，获得相空间文件，通过BEAMdp对相空间文件处理得到不同情况光子能谱分布。分析得出：在研究光子能谱时可以忽略次级准直器的影响；不同射野的光子能谱的峰位置、能谱峰值、平均能量均不同；对于同一射野不同中心区域的光子能谱具有相同的归一化分布。本研究对医用直线加速器光子剂量计算具有一定的指导意义。本研究使用模拟程序进行实验，后期实际放射治疗工作中，将采集相关数据进一步验证实验结果。参考文献胡逸民.肿瘤放射物理学M.北京:原子能出版社,1999.1PENEV D,STAVREV P,STAVREVA N,et al.InfluenceofdoseuncertaintyonTCPestimates:amodelstudyJ.EurPhysJSpecTop,2023,232(10):1543-1547.2宋钢,卢峰,邓大平,等.远距治疗患者放射防护与质量保证要求应用指南J.中国卫生标准管理,2011,2(1):41-44.3YOUNES T,CHAUVIN M,DELBAERE A,et 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