中华放射医学与防护杂志  2015, Vol. 35 Issue (12): 945-947   PDF    
引用本文
冯仲苏, 岳海振, 张艺宝, 吴昊, 程金生, 苏旭. TrueBeam加速器6 MV非均整模式X射线的蒙特卡罗模拟[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2015, 35(12): 945-947, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2015.12.014.
TrueBeam加速器6 MV非均整模式X射线的蒙特卡罗模拟
冯仲苏1, 岳海振2, 张艺宝2, 吴昊2, 程金生1, 苏旭1     
1. 100088 北京, 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;
2. 北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所放射治疗科 恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室
收稿日期: 2015-08-06
基金项目： 卫生行业科研专项(201002009);公益性行业科研专项 (201510001-02)
通信作者：苏旭,Email:suxu@nirp.cn
[摘要]    目的 对TrueBeam加速器6 MV非均整模式(FFF)X射线蒙特卡罗模拟,寻找最佳的模型参数,为进一步研究6 MV FFF X射线临床剂量学奠定模型基础。方法 借助BEAMnrc和DOSXYZnrc程序,调整入射电子束能量、径向强度分布及角度展宽等参数,对TrueBeam加速器6 MV FFF X射线4 cm×4 cm到40 cm×40 cm射野的百分深度剂量(PDD)和离轴比(OAR)曲线进行蒙特卡罗模拟,比较不同大小射野情况下模拟和测量结果的差异。结果 在入射电子能量为6.1 MeV、半高宽(FWHM)为0.75 mm和角度展宽为0.9°时,模拟结果与相应条件下实际测量结果最接近。不同射野的PDD和30 cm×30 cm及以下射野的OAR曲线与测量数据相比满足Local Dose的限制条件,剂量误差<1%,位置误差<1 mm;40 cm×40 cm射野的OAR满足剂量误差<1.5%,位置误差<1 mm的限制条件。结论 本模型模拟结果与实际测量结果一致性较好,可将模型参数用于6 MV FFF X射线临床剂量学研究。
[关键词]     TrueBeam加速器    非均整模式    蒙特卡罗模拟    百分深度剂量    离轴比    
Monte Carlo simulation of 6 MV flattening-filter-free beams in TrueBeam accelerator
Feng Zhongsu, Yue Haizhen, Zhang Yibao, Wu Hao, Cheng Jinsheng, Su Xu
Key Laboratory of Radiological Protection and Nuclear Emergency, China CDC, National Institute for Radiological Protection, Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 100088, China
[Abstract]    Objective To find the best model parameters through Monte Carlo simulation of 6 MV flattening-filter-free (FFF) beams in TrueBeam accelerator, and establish the foundation for the further study of the clinical dosimetry on 6 MV FFF X-rays. Methods Using the BEAMnrc and DOSXYZnrc codes, the percentage depth dose (PDD) and the off-axis ratio (OAR) curves of field ranges from 4 cm×4 cm to 40 cm×40 cm were simulated for 6 MV FFF X-ray by adjusting the incident beam energy, radial intensity distribution and angular spread, respectively. The simulation results and measured data were compared, where the optimal Monte Carlo model input parameters were acquired. Results The simulation was most comparable to the measurement when the incident electron energy, full width at half maximum (FWHM) and the spread angle were set as 6.1 MeV, 0.75 mm and 0.9°, respectively. The deviation of 1 mm (position)/1% (local dose) could be met by the PDD of all tested field sizes and by the OAR when the fields sizes were no larger than 30 cm ×30 cm. The OAR of 40 cm×40 cm field sizes fulfilled criteria of 1 mm (position)/1.5% (local dose). Conclusions Monte Carlo simulation agrees well with the measurement and the proposed model parameters, which can be used for further clinical dosimetry studies of 6 MV FFF X-rays.
[Key words]     TrueBeam accelerator    Flattening-filter-free    Monte Carlo    Percentage depth dose    Off-axis ratio    

非均整模式(FFF)治疗技术已用于立体定向放射治疗和立体定向放射外科 [1, 2]。蒙特卡罗方法可精确计算剂量，而准确的加速器机头结构参数是蒙特卡罗模拟的关键。目前，对TrueBeam 加速器进行的蒙特卡罗模拟都是基于美国Varian公司提供的相空间文件 [3]。但是，使用相空间文件不能考虑射野大小对相空间源的影响；同时也不能对剂量进行绝对化。本研究借助BEAMnrc和DOSXYZnrc程序 [5]，通过调整相关参数对Varian TrueBeam加速器6 MV FFF X射线4 cm×4 cm到40 cm×40 cm射野的百分深度剂量(PDD)和离轴比(OAR)曲线进行了蒙特卡罗模拟，并与TrueBeam加速器该档能量的测量数据进行比较，为进一步研究6 MV FFF X射线临床剂量学奠定模型基础。

材料与方法

1. 机头模型：采用美国Varian公司生产的iX型号加速器，去除6 MV X射线的均整器，在均整器托盘相应位置加上一定厚度的铜箔，其余结构参数均与高能加速器iX机头参数一致。将相应模型参数输入BEAMnrc程序，建立模拟所用的TrueBeam加速器机头模型。

2. BEAMnrc程序参数设置：源皮距为100 cm，电子输运终止能量(ECUT)和碰撞产生电子的最低能量(AE)均为0.7 MeV，光子输运终止能量(PCUT)和韧致辐射产生光子的最低能量(AP)均为0.01 MeV。采用方向性韧致辐射分裂(DBS)技术，光子分裂数(NBRSPL)均为1 000，分裂半径分别等于相应射野的大小 [6]。入射源为径向强度为高斯分布的圆形射束 (ISOURCE=19)，初始入射电子数为1×109。

3. DOSXYZnrc程序参数设置：采用50 cm×50 cm×50 cm水模体，其中 ECUT、AE、PCUT和AP参数与BEAMnrc程序相应参数设置相同。在计算PDD曲线时，计算体素设置为0.2 cm×0.2 cm×0.1 cm；计算离轴比曲线时，半影区体素设置为0.1 cm×0.2 cm×0.2 cm，非半影区体素设置为0.2 cm×0.2 cm×0.2 cm。根据射野大小的不同，对入射粒子的历史数据进行调整，调整范围在5×109～9×109之间，以确保剂量计算在每个体素点的不确定度为0.1%～0.5%。

4. 蒙特卡罗模拟：将BEAMnrc源(ISOURCE=9) 作为DOSXYZnrc的模拟粒子源，通过调整入射电子束能量、径向强度分布以及角度展宽，对不同射野大小的PDD和OAR曲线进行模拟。

5. 数据处理及分析：用Matlab程序处理模拟产生的数据，其中PDD数据在10 cm处进行归一，OAR曲线在中心轴处进行归一。用德国PTW公司VeriSoft软件中的γ分析方法进行分析 [7]。选用Local Dose限制条件，剂量误差设置为1%，位置误差设置为1 mm，而40 cm×40 cm 射野的OAR曲线的剂量误差设置为1.5%。分别评估不同大小射野情况下模拟结果和测量结果的差异，在满足上述限制条件的情况下，得到最优的蒙特卡罗模型输入参数。

结果

1. 参数选择：通过调整入射电子束能量、径向强度分布以及角度展宽，对不同射野大小的PDD和OAR曲线进行模拟，获得最佳参数数据。入射电子能量为6.1 MeV，半高宽(FWHM)为0.75 mm，角度展宽为0.9°。

2. PDD曲线：不同射野模拟和电离室测量的PDD曲线如图1所示。由图1可知，模拟结果和测量结果符合较好。经γ分析，模拟结果和测量结果的剂量误差＜1%，位置误差＜1 mm，满足Local Dose限制条件。

图1 不同射野测量和模拟的百分深度剂量曲线

3. OAR曲线：不同深度10 cm×10 cm射野及10 cm深度不同射野时模拟和测量OAR曲线结果如图2和图3所示。由图2和图3可知，对不同深度、不同射野大小的OAR曲线，模拟结果和测量结果符合较好。经γ分析，30 cm×30 cm及以下射野模拟得到的OAR曲线与测量结果相比满足剂量误差＜1%，位置误差＜1 mm限制条件；40 cm×40 cm射野的OAR曲线满足剂量误差＜1.5%，位置误差＜1 mm限制条件。

图2 不同深度10 cm×10 cm射野的离轴比曲线

图3 不同射野10 cm深度处的离轴比曲线
讨论

常规直线加速器中，入射电子打靶产生的光子射线经机头中的均整器均整后用于临床治疗。射线经过均整器的过程损失了大部分初始光子，并产生了大量散射线 [8]。FFF模式中将均整器去除后，机头散射明显降低。同时，FFF射束的射线质和射束粒子通量发生了变化。6 MV FFF X射线的射线质与均整模式下4 MV X射线的射线质相近，射线质变软；FFF射束粒子通量显著提高，剂量率明显增加，可以缩短治疗时间，提高治疗效率 [9, 10]。

宋婷和周凌宏 [11]与Belosi等 [12]分别利用TrueBeam机头相空间文件进行了蒙特卡罗模拟，结果表明，该相空间分布可信。但是，由于相空间文件是在次级准直器之上产生的，没有考虑到射野大小变化产生的反向散射对相空间的影响；而且用空间文件不能得到机头电离室通过的粒子数，只能用于相对剂量计算，不能对计算剂量进行绝对化。Rodriguez等 [13]将Varian 2100加速器的均整器移除后，在原来均整器的位置放置一个自制均整器,通过调整模型参数来拟合测量数据，得到的模拟结果明显优于TrueBeam机头相空间文件模拟产生的结果。但是，该自制均整器所用材料是高原子序数的金属，其存在会对射线质产生一定影响；自制均整器厚度不均匀，产生的反向散射将影响通过机头电离室的粒子数；同时，自制均整器的存在增加了机头的散射线强度。

本研究所用模型结构最接近TrueBeam加速器原型机，在模拟中考虑了不同射野大小产生的散射线对机头电离室的影响。模拟得到的PDD曲线和30 cm×30 cm及以下射野的OAR曲线与TrueBeam加速器该档能量的测量数据符合较好；对40 cm×40 cm射野的OAR两者相比相差较大。由于FFF模式主要用于10 cm×10 cm以下高剂量率射野，因此，可以将该模型用于6 MV FFF X射线临床剂量学研究。同时，该模型的精确性还需准确的机头结构参数进行验证。

参考文献
[1] Vassiliev ON, Kry SF, Kuban DA, et al. Treatment-planning study of prostate cancer intensity-modulated radiotherapy with a Varian Clinac operated without a flattening filter[J]. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2007, 68(5): 1567-1571.
[2] Navarria P, Pentimalli S, Ascolese A, et al. Lung metastases in oligometastatic patients: a new SBRT approach using VMAT with flattening filter-free (FFF) beams [J]. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2012, 84(Suppl 3): S579.
[3] Constantin M, Perl J, LoSasso T, et al. Modeling the TrueBeam linac using a CAD to Geant 4 geometry implementation: dose and IAEA-compliant phase space calculations[J]. Med Phys, 2011, 38(7): 4018-4024.
[4] Rogers DWO, Walters BR, Kawrakow I. BEAMnrc users manual. NRCC Report PIRS-0509(A) revL [R]. Ottawa: National Research Council of Canada, 2013.
[5] Walters BR, Kawrakow I, Rogers DWO. DOSXYZnrc users manual. NRCC Report PIRS-794 revB [R]. Ottawa: National Research Council of Canada, 2013.
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[9] Vassiliev ON, Titt U, Pönisch F, et al. Dosimetric properties of photon beams from a fiattening filter free clinical accelerator[J]. Phys Med Biol, 2006, 51(7):1907-1917.
[10] Salter BJ, Sarkar V, Wang B, et al. Rotational IMRT delivery using a digital linear accelerator in very high dose rate 'burst mode'[J]. Phys Med Biol, 2011, 56(7):1931-1946.
[11] 宋婷,周凌宏. 基于蒙特卡罗方法的 6 MV TrueBeam 剂量计算[J]. 强激光与粒子束, 2012, 24(12): 2975-2978.
[12] Belosi MF, Rodriguez M, Fogliata A, et al. Monte Carlo simulation of TrueBeam flattening-filter-free beams using Varian phase-space files: comparison with experimental data[J]. Med Phys, 2014, 41(5): 051707.
[13] Rodriguez M, Sempau J, Fogliata A, et al. A geometrical model for the Monte Carlo simulation of the TrueBeam linac [J]. Phys Med Biol, 2015, 60(11): N219-N229.