袁繼龍 程金生 劉立明 蘇 旭*

動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)體部伽瑪?shù)遁椛鋭┝繉W(xué)蒙特卡羅模擬研究*

袁繼龍①程金生①劉立明①蘇 旭①*

目的：在同一蒙特卡羅(MC)模擬平臺(tái)上，對(duì)不同型號(hào)的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)體部伽瑪?shù)遁椛鋭┝繉W(xué)進(jìn)行MC模擬研究。方法：①根據(jù)體部伽瑪?shù)毒劢拐丈淠Ｊ?，選擇代表機(jī)型，即OUR-QGD型體部伽瑪?shù)逗蚅UNA全身伽瑪?shù)?；②基于EGSnrc分別進(jìn)行MC建模；③利用EBT3膠片和160 mm有機(jī)玻璃球模體測(cè)量焦點(diǎn)處劑量分布進(jìn)行MC模型驗(yàn)證；④利用驗(yàn)證的模型進(jìn)行劑量學(xué)研究。結(jié)果：OUR-QGD型體部伽瑪?shù)逗蚅UNA全身伽瑪?shù)兜腗C模型模擬結(jié)果分別與對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行對(duì)比，不同準(zhǔn)直器條件下，劑量分布半高寬偏差均≤1 mm，MC模擬的輸出因子和廠商數(shù)據(jù)對(duì)比，偏差均在±4%之內(nèi)，并進(jìn)一步對(duì)偏差進(jìn)行了分析。結(jié)論：動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)體部伽瑪?shù)遁椛鋭┝繉W(xué)MC模擬研究，基本可以為目前臨床使用的不同機(jī)型體部伽瑪?shù)兜妮椛鋭┝繉W(xué)質(zhì)量控制提供重要參考和依據(jù)。

動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)；體部伽瑪?shù)?；輻射劑量學(xué)；蒙特卡羅模擬

體部伽瑪?shù)妒侨砹Ⅲw定向放射治療專(zhuān)用設(shè)備，目前國(guó)內(nèi)已有諸多廠商相繼研發(fā)了不同類(lèi)型的體部伽瑪?shù)?，并大量投入臨床使用。體部伽瑪?shù)兜幕驹頌槎囝w鈷60(60Co)源協(xié)同相應(yīng)準(zhǔn)直器采用動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)聚焦方式對(duì)病灶靶區(qū)進(jìn)行高劑量照射，同時(shí)使靶區(qū)外正常組織盡可能少的接受輻射劑量。根據(jù)本研究調(diào)研，不同類(lèi)型的體部伽瑪?shù)兜脑大w動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)聚焦具體方式主要分為錐形旋轉(zhuǎn)聚焦(如OUR-QGD型體部伽瑪?shù)?、KLF-A型OPEN式體部伽瑪?shù)都笆?ài)數(shù)控體部伽瑪?shù)?和扇形旋轉(zhuǎn)聚焦(如LUNA全身伽馬刀、SGS-I超級(jí)伽馬刀)[1-2]兩類(lèi)。不同機(jī)型的源個(gè)數(shù)、源強(qiáng)、準(zhǔn)直器大小和初裝機(jī)焦點(diǎn)劑量率等都不同，這些放射治療設(shè)備基本只在我國(guó)大陸臨床使用，屬于我國(guó)特有的放射治療設(shè)備(對(duì)錐形旋轉(zhuǎn)聚焦形式的研究報(bào)道可參見(jiàn)文獻(xiàn)[3-4]；對(duì)扇形聚焦形式的研究報(bào)道可參見(jiàn)文獻(xiàn)[5-6])，所采用的測(cè)量方法均難以全面反映焦點(diǎn)處三維劑量分布，而國(guó)內(nèi)外對(duì)其結(jié)合蒙特卡羅(monte carlo，MC)模擬的輻射劑量學(xué)研究報(bào)道很少[7-8]。但是臨床已有100多臺(tái)體部伽瑪?shù)对谟?，因此體部伽瑪?shù)兜妮椛鋭┝繉W(xué)研究亟需系統(tǒng)的開(kāi)展，而基于MC模擬對(duì)體部伽瑪?shù)哆M(jìn)行輻射劑量學(xué)研究，可以更全面地對(duì)其臨床治療計(jì)劃制定及質(zhì)量控制提供參考依據(jù)[9]。

本研究根據(jù)體部伽瑪?shù)兜脑大w動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)聚焦的兩類(lèi)方式，分別選擇了目前臨床使用中占大多數(shù)、具有代表性的OUR-QGD型體部伽瑪?shù)逗蚅UNA全身伽瑪?shù)蹲鳛檠芯繉?duì)象，建立通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的MC模型進(jìn)行輻射劑量學(xué)研究。OUR-QGD型體部伽瑪?shù)兜脑大w有30顆60Co源在39.5°～69.5°的球冠上非等間隔、非對(duì)稱分布，工作時(shí)源體協(xié)同兩級(jí)準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)形成30個(gè)錐形面聚焦射線在球心處，即等中心處，準(zhǔn)直器有3種規(guī)格，分別為Φ10 mm、Φ30 mm和Φ50 mm的圓形孔準(zhǔn)直器。LUNA全身伽瑪?shù)队?2顆60Co源在球體50°扇面上呈非等間隔扇形對(duì)稱分布，同樣工作時(shí)，源體協(xié)同兩級(jí)準(zhǔn)直器形成扇形射束聚焦在球心處，準(zhǔn)直器有6種規(guī)格，分別為6 mm×6 mm、8 mm×8 mm、14 mm×14 mm、14 mm×20 mm、14 mm×40 mm以及14 mm×60 mm的矩形孔準(zhǔn)直器。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備與材料

OUR-QGD型體部伽瑪?shù)?深圳奧沃國(guó)際科技發(fā)展有限公司)；LUNA-260型LUNA全身伽瑪?shù)?深圳一體醫(yī)療科技有限公司)；直徑160 mm有機(jī)玻璃質(zhì)控球模；Gafchromic EBT3膠片；EPSON 10000XL膠片掃描儀；ImageJ圖像分析程序(美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院)；EGSnrc蒙特卡羅模擬程序工具包(加拿大國(guó)家研究中心)。

1.2 研究方法

分別以O(shè)UR-QGD型體部伽瑪?shù)逗蚅UNA全身伽瑪?shù)稙槟Ｐ?，根?jù)廠商提供的技術(shù)文檔，將承載放射源的源體、預(yù)準(zhǔn)直器和終準(zhǔn)直器等機(jī)頭結(jié)構(gòu)與材料、相對(duì)空間分布及動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)模式作為MC模擬模型輸入?yún)?shù)，分別在BEAMnrc和DOSXYZnrc模型中進(jìn)行設(shè)置并運(yùn)行計(jì)算，獲得有機(jī)玻璃模體中的劑量分布，基于Matlab自制程序提取分析臨床坐標(biāo)軸上的劑量分布，計(jì)算半高寬(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)；同時(shí)利用直徑160 mm體部伽瑪?shù)顿|(zhì)控有機(jī)玻璃球模體加載EBT3膠片的插件盒，分別在XZ、YZ坐標(biāo)軸平面進(jìn)行焦點(diǎn)處二維劑量分布測(cè)量，分析膠片掃描圖像獲取焦點(diǎn)處臨床坐標(biāo)軸上劑量分布FWHM[10]。MC模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證MC模型，利用MC模型計(jì)算輸出因子。

1.3 MC模擬計(jì)算

建模過(guò)程、MC參數(shù)設(shè)置及相關(guān)劑量學(xué)參數(shù)計(jì)算的詳細(xì)描述可參考文獻(xiàn)[11]，其中源體，預(yù)準(zhǔn)直體和終準(zhǔn)直體部分都在BEAMnrc模型中設(shè)置，模擬計(jì)算獲得的終準(zhǔn)直體出口處的相空間文件作為DOSXYZnrc模型的輸入文件，根據(jù)對(duì)應(yīng)每顆源的空間位置分別在各自模型對(duì)應(yīng)的DOSXYZnrc模型中設(shè)置，利用每顆源在其旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)均勻采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)模擬效果[12]。OUR-QGD型體部伽瑪?shù)兜姆派湓词?60°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；LUNA全身伽瑪?shù)兜姆派湓词?80°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。驗(yàn)證過(guò)的OUR-QGD型體部伽瑪?shù)逗蚅UNA全身伽瑪?shù)禡C模型，分別以其最大尺寸的準(zhǔn)直器為基準(zhǔn)，體素大小為1 mm×1 mm×1 mm，分別計(jì)算每個(gè)體部伽馬刀各準(zhǔn)直器條件下對(duì)應(yīng)的輸出因子，以上模擬計(jì)算設(shè)置的抽樣粒子數(shù)為2×109，相應(yīng)模擬計(jì)算出的焦點(diǎn)處劑量值偏差均控制在0.5%以內(nèi)[13]。

1.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

EBT3膠片的刻度在中國(guó)疾病預(yù)防控制中心輻射安全所標(biāo)準(zhǔn)劑量學(xué)實(shí)驗(yàn)室放射治療級(jí)60Co輻射場(chǎng)中進(jìn)行，至少選擇0 Gy、0.5 Gy、1.0 Gy、1.5 Gy、2 Gy以及2.5 Gy這5個(gè)劑量點(diǎn)進(jìn)行照射刻度，照射后避光保存EBT3膠片，等待其穩(wěn)定24 h后進(jìn)行掃描。EPSON 10000XL掃描基本設(shè)置為300 dpi圖像分辨率，利用ImageJ提取掃描圖像中劑量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素值并按照參考文獻(xiàn)[14]進(jìn)行劑量刻度曲線擬合，將同批次的EBT3膠片根據(jù)膠片盒尺寸進(jìn)行裁剪，裝載在球模體中，分別在OUR-QGD型體部伽瑪?shù)逗蚅UNA全身伽瑪?shù)稐l件下進(jìn)行照射，根據(jù)旋轉(zhuǎn)聚焦方式不同，OURQGD型體部伽瑪?shù)?個(gè)準(zhǔn)直器條件分別在焦點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的XZ、YZ軸平面照射1 min；LUNA全身伽瑪?shù)?個(gè)準(zhǔn)直器條件分別在焦點(diǎn)處對(duì)應(yīng)進(jìn)行0～-30°的拉弧照射1 min，獲得XZ軸平面劑量分布，-60°～-120°拉弧照射1 min獲得YZ軸平面劑量分布，照射過(guò)的EBT3膠片處理和膠片刻度時(shí)的處理方式一致，同樣利用ImageJ程序提取劑量分布像素值，根據(jù)劑量刻度曲線得到實(shí)際劑量分布，獲取焦點(diǎn)處X軸、Y軸和Z軸上劑量分布FWHM。

2 結(jié)果

OUR-QGD型體部伽瑪?shù)兜膶?shí)測(cè)和MC模擬計(jì)算的X軸、Y軸和Z軸上劑量分布FWHM結(jié)果對(duì)比分別見(jiàn)表1、表2和表3；MC模擬輸出因子和廠商提供輸出因子對(duì)比見(jiàn)表4。

表1 體部伽馬刀X軸上劑量分布FWHM(mm)

表2 體部伽馬刀Y軸上劑量分布FWHM(mm)

表3 體部伽馬刀Z軸上劑量分布FWHM(mm)

表4 OUR-QGD型體部伽瑪?shù)稄S商提供輸出因子與MC模擬計(jì)算輸出因子比較(mm)

LUNA全身伽瑪?shù)兜膶?shí)測(cè)和MC模擬計(jì)算的X軸、Y軸和Z軸上劑量分布FWHM結(jié)果對(duì)比分別見(jiàn)表5、表6和表7；MC模擬輸出因子和廠商提供輸出因子對(duì)比見(jiàn)表8。

表5 全身伽馬刀X軸上劑量分布FWHM(mm)

表6 全身伽馬刀Y軸上劑量分布FWHM(mm)

表7 全身伽馬刀Z軸上劑量分布FWHM(mm)

表8 LUNA全身伽瑪?shù)稄S商提供輸出因子與MC模擬計(jì)算輸出因子比較(mm)

3 討論

本研究的目的是在同一個(gè)MC模擬平臺(tái)，即基于EGSnrc，將國(guó)內(nèi)型號(hào)眾多的體部伽瑪?shù)栋凑展ぷ鲿r(shí)動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)的模式分類(lèi)，選擇代表性機(jī)型進(jìn)行MC建模，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型，進(jìn)一步進(jìn)行劑量學(xué)研究。從結(jié)果部分分析，無(wú)論錐形動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)照射的體部伽瑪?shù)洞頇C(jī)型OUR-QGD型體部伽瑪?shù)?，還是扇形動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)照射的體部伽瑪?shù)洞頇C(jī)型LUNA全身伽馬刀，MC模擬計(jì)算的焦點(diǎn)處X軸、Y軸和Z軸坐標(biāo)軸劑量分布FWHM和EBT3膠片實(shí)驗(yàn)相應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，偏差均≤1 mm，根據(jù)參考文獻(xiàn)[10]的相關(guān)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，2個(gè)MC模型得到驗(yàn)證，相比參考文獻(xiàn)[11]提供的MC模擬結(jié)果和廠商數(shù)據(jù)相比，本研究更進(jìn)一步用實(shí)驗(yàn)測(cè)量來(lái)驗(yàn)證MC模型，而且結(jié)果符合很好。

由于體部伽瑪?shù)兜木劢拐丈湟熬鶠樾∩湟埃∩湟暗膭┝繙y(cè)量準(zhǔn)確性正是目前國(guó)內(nèi)外放射治療劑量學(xué)研究熱點(diǎn)，本研究中的劑量學(xué)參數(shù)輸出因子的MC模擬和廠商數(shù)據(jù)對(duì)比正反映了這一點(diǎn)測(cè)量準(zhǔn)確性的重要意義。

利用MC模型計(jì)算的OUR-QGD型體部伽瑪?shù)遁敵鲆蜃雍蛷S商數(shù)據(jù)最大偏差-3.53%，這個(gè)偏差和廠商測(cè)量時(shí)選用的針尖電離室靈敏體積大小及電離室本身的校準(zhǔn)有關(guān)，國(guó)內(nèi)目前的電離室校準(zhǔn)的依據(jù)主要參考自國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)IAEA-TRS-277報(bào)告，校準(zhǔn)系統(tǒng)本身不確定度為2.5%(K=1)，而且OUR-QGD型體部伽瑪?shù)兑驗(yàn)榉派湓丛谇蚬谏戏堑乳g隔非對(duì)稱分布，因此在臨床Y軸上焦點(diǎn)處的上下劑量分布不對(duì)稱，最大劑量點(diǎn)向源體方向一側(cè)偏離(準(zhǔn)直器尺寸選擇越大，偏離等中心越多)，這樣的劑量分布造成焦點(diǎn)處(等中心)的劑量梯度分布，測(cè)量此體部伽瑪?shù)兜妮敵鲆蜃硬坏枰紤]小野問(wèn)題，還要考慮劑量梯度問(wèn)題，選擇探測(cè)器很重要，故該實(shí)驗(yàn)測(cè)量問(wèn)題需要繼續(xù)深入研究。

利用MC模型計(jì)算的LUNA全身伽馬刀輸出因子已經(jīng)做了較全面分析，最大偏差均控制在±3%之內(nèi)。目前，測(cè)量模體均參考頭部伽瑪?shù)兜闹睆?60 mm有機(jī)玻璃質(zhì)控球模，考慮體部伽瑪?shù)兜呐R床應(yīng)用，需要設(shè)計(jì)更符合實(shí)際需求的測(cè)量模體，才能保證質(zhì)量控制數(shù)據(jù)能更好的為設(shè)備的臨床應(yīng)用提供參考[15]。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究對(duì)動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)體部伽瑪?shù)兜拇頇C(jī)型進(jìn)行MC建模，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證，利用2個(gè)MC模型分別計(jì)算的輸出因子，在±4%偏差范圍內(nèi)，MC模擬結(jié)果和廠商數(shù)據(jù)能很好符合，而且針對(duì)偏差原因進(jìn)行了分析。本研究為體部伽瑪?shù)兜呐R床使用和質(zhì)量控制提供了重要參考，然而體部伽瑪?shù)遁椛鋭┝繉W(xué)還需要更進(jìn)一步研究，故結(jié)合MC模擬的臨床放射治療計(jì)劃驗(yàn)證為下一步研究計(jì)劃[16-17]。

致謝

感謝深圳海博科技有限公司的核物理工程師謝敏在蒙卡建模過(guò)程中提供的幫助。

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Study on Monte carlo simulation of radiation dosimetry about stereotactic gamma ray radiotherapy system with dynamic rotation/

YUAN Ji-long, CHENG Jin-sheng, LIU Liming, et al//China Medical Equipment,2017,14(8):1-4.

Objective: To study radiation dosimetry of stereotactic gamma ray radiotherapy system with dynamic rotating of different types on the same platform of Monte Carlo simulation. Methods: 1)OUR-QGD stereotactic gamma ray radiotherapy system and LUNA whole body gamma ray radiotherapy system were selected as the representative model according to the focus mode of stereotactic gamma ray radiotherapy system. 2)MC modeling were implemented based on EGSnrc, respectively. 3)The distributions of dosage at focus were detected by using EBT3 film and 160 mm mode of plexiglass sphere so as to verify MC mode. 4)The relative research of dosimetry was implemented by using the verified mode. Results: The simulation results of the Monte Carlo model of the OUR-QGD stereotactic gamma ray radiotherapy systems and LUNA whole body gamma ray radiotherapy systems were compared with the corresponding result of experimental measurements, respectively. Under the different conditions of collimator, all of the Full Width at Half Maximum(FWHM) deviation of the dose distribution was less than or equal to 1 mm. And the result of the comparison between output factor of MC simulation and data from manufactory revealed that all of deviation were in ±4%, and the deviations were further analyzed. Conclusion: The research of Monte carlo simulation of radiation dosimetry about stereotactic gamma ray radiotherapy system with dynamic rotation can provide important reference and basis for quality control of radiation dosimetry of stereotactic gamma ray radiotherapy system of different type in clinical application at present.

Dynamic rotation; Stereotactic gamma ray radiotherapy system; Radiation dosimetry; Monte carlo simulation

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.

1672-8270(2017)08-0001-04

R144.1

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.08.001

袁繼龍,男,(1982- ),博士，助理研究員。中國(guó)疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所 輻射防護(hù)與核應(yīng)急中國(guó)疾病預(yù)防控制中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究方向：輻射劑量與輻射防護(hù)。

2017-04-17

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)2014-2015國(guó)際合作項(xiàng)目(CPR6006)“加強(qiáng)現(xiàn)代核醫(yī)學(xué)、放射診斷和放射治療實(shí)踐的質(zhì)量保證”①中國(guó)疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所 輻射防護(hù)與核應(yīng)急中國(guó)疾病預(yù)防控制中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100088

*通訊作者：suxu@nirp.cn