杜涌泉 杜建華 代 偉

近年來，隨著腫瘤疾病發(fā)病率升高，越來越多的腫瘤患者接受放射治療。放射治療即指電離輻射或γ射線、X射線的放射性，其破壞、殺死靶組織和靶細胞而達到治療目的。人體接受電離輻射治療后，會出現(xiàn)生物學、化學及物理學等一些列的變化，最終出現(xiàn)生物效應(指組織生物學損傷)，該損傷程度與組織吸收電離輻射能量成正比，該方法雖然具備一定腫瘤細胞殺傷作用，同時也可對周圍健康細胞造成破壞損傷，而劑量計算直接關系放射治療效果，是放射治療計劃的核心[1]。

蒙特卡羅方法是目前公認最精確的計算方法，其主要包括患者模擬和直線加速器治療頭模擬兩部分。精確的加速器蒙特卡羅模型是保證模擬劑量準確性的前提，其中入射電子直線加速器參數(shù)，即平均角展寬、徑向強度分布及平均能量，可一定程度影響離軸劑量與百分深度劑量。本研究對電子直線加速器10 cm×10 cm射野下的劑量分布特性進行分析，探究其輸出劑量測量的質(zhì)量控制與最優(yōu)劑量參數(shù)。

1 資料與方法

1.1 被測儀器

Varian Clinac 23EX醫(yī)用直線加速器(美國瓦里安公司)，中心處寬1 cm的葉片組成的準直器，左右各40片，X射線劑量率100～600 cGy/min，X射線能量為6 MV和15 MV；電子線劑量率100～1000 cGy/min，電子線能量分別為6 MeV、9 MeV、12 MeV、15 MeV、18 MeV和22 MeV。原軸距100 cm，中心處最大射野40 cm×40 cm。9606B型號電離子室劑量儀(中國測試技術研究院)；其他儀器包括氣壓計(80～110 kPa)、溫度計(0～50 ℃)，儀器最小值測距尺1 mm、氣壓計0.1 kPa、溫度計0.5 ℃[3-5]。

1.2 測量條件

進行蒙特卡羅方法測量，控制大氣壓強80～110 kPa，環(huán)境溫度為15～35 ℃，相對濕度30%～75%。測量環(huán)境的輻射為本底，機械振動與外來磁場均不應造成測量劑量的不穩(wěn)與偏差。9606B型號電離室劑量儀，全自動三維掃描水箱，計量儀檢驗合格，且符合相關規(guī)定與要求。檢測采用容積30 cm×30 cm×30 cm的標準水模體[4-6]。

1.3 模擬程序與步驟

基于蒙特卡羅程序EGSnrc對醫(yī)用電子直線加速器的水模體、粒子運輸劑量沉積步驟：子程序BEAMnrc生產(chǎn)相空間文件，包含粒子信息，粒子經(jīng)過治療頭運輸時，達到垂直于粒子入射方向且與靶特定距離的平面后，鈣離子的權(quán)重、入射方向、坐標位置、能量等信息均會在相空間文件被儲存，該文件以子程序DOSXYZnrc輸入源，對水模體中劑量進行計算[7]。

1.4 蒙特卡羅子程序BEAMnrc中加速器治療頭建模

據(jù)Varian Clinac 23EX醫(yī)用直線加速器的材料、幾何尺寸等，采用JAWS、MIRROR、CHAMBER、FLATFILT、SLABS、CONS3R及SLABS模塊分別模擬次級準直器(上下鉛門)、射野鏡、電離室、均整器、真空窗、初級準直器以及模擬靶[8-14]。模擬的4個射野大小分別為30 cm×30 cm、20 cm×20 cm、10 cm×10 cm以及4 cm×4 cm。相空間文件在垂直粒子射出方向，采用直線韌致輻射分裂(directional bremsstrahlung splitting，DBS)作為方差減少技術，源皮距(source-skin distance，SSD)為100 cm處平面上。假設入射電子束服從高斯徑向強度分布，子程序BEAMnrc中的多類型電子線源，采用19號電子線源，包括徑向強度分布、電子線能量。設置電子束為單能圓形平行束，明確不同射野最優(yōu)能量，設置徑向強度分布0.1 cm(由高斯分布標準差給出，σ表示)，保持大小不變，獲取不同能量值的百分深度劑量；研究百分深度劑量受徑向強度分布影響同時，設置電子線能量為最佳值，調(diào)整徑向強度大小，分析百分深度劑量的變化。

1.5 百分深度劑量測量

運用電離室(Semiflex 31010)進行百分深度劑量測量，在模擬同等條件下采用電離室、三維水箱(PTW公司提供)測量水箱中心軸上百分深度劑量。子模體定位精準度±0.1 mm，分辨率0.1 mm。掃描電離5.5 mm室腔體直徑、0.125 cm3有效體積。對不同大小射野劑量分布進行測量，調(diào)節(jié)電離室至水面的射野中心軸上，放射源與電離室有效測量點距離100 cm，對不同深度射野中心軸輸出劑量率進行測量，歸一至最大劑量深度輸出劑量，獲取百分深度劑量。對上述步驟進行重復，獲取不同射野下百分深度劑量。

1.6 子程序DOSXYZnrc水模劑量計算

設立輸入源為相空間文件，同樣子程序DOSXYZnrc中設立輸入源類型，設立輸入源為相空間文件，源號2，對水模中百分深度劑量進行計算。三維坐標方向相互垂直，Z軸原點位于水模上表面中心點，為粒子入射方向，垂直向下。水模大小為30 cm×30 cm×30 cm，分成大小不同的體素，體素長度在Y軸、X軸上均為1 cm，而Z軸上長度不一，水模表面深度＞1 cm則素體Z軸長度0.5 cm，水模表面深度≤1 cm則素體Z軸長度0.2 cm。邊界穿越法使用EXACT(精確)，電子步長算法使用PRESTA-Ⅱ[7]。

2 結(jié)果

2.1 電子線能量

(1)當電子直線加速器徑向強度分布為0～0.19 cm變化時，測量與模擬的主劑量區(qū)內(nèi)離軸劑量差異最??；對平均角展寬進行調(diào)整，有助于提高測量與模擬的離軸劑量符合度。當電子直線加速器徑向強度與平均能量分別在0.1～0.4 cm及5.5～6.4 MeV時，百分深度劑量無較大變化。

(2)此次研究均于1.5 cm處的最大劑量點對測量、計算深度劑量進行歸一處理，獲取相應百分深度劑量；當射野劑量為4 cm×4 cm時，對百分深度劑量曲線影響，不同入射能量的測量深度與計算深度劑量曲線如圖1A所示。因不同能量獲取百分深度無較大差異，為計算出測量與模擬的百分劑量差，獲取最佳能量值，對該劑量差異最小二乘法擬合，獲取3個相應能量值百分劑量差異曲線圖(如圖1所示)。

2.2 其他能量

對其他能量值進行擬合，擬合曲線中，截距絕對值越小、斜率越接近于0的曲線圖所表示的電子線能量最佳。對其他3個視野進行擬合，獲取Varian clinac 23EX醫(yī)用直線加速器最優(yōu)參數(shù)分別為：30 cm×30 cm最佳值6.4 MeV、20 cm×20 cm最佳值6.3 MeV、10 cm×10 cm最佳值6.0 MeV以及4 cm×4 cm最佳值5.9 MeV。經(jīng)測試，不同射野值下測量獲取的水模表面處、百分深度劑量均與模擬值存在一定差異。4個射野中面積由大至小，獲取的測量與模擬劑量差異最大值分別為2.22%、1.91%、1.03%和0.44%。

圖 1 不同電子能量下對應的百分劑量差及5.9 MeV百分深度劑量散點圖

3 討論

目前，主要采用膠片法、半導體法、熱釋光法以及電離室法對吸收劑量進行測量，實驗室中主要采用化學計量法和量熱法進行測量。以上測量方法均各具優(yōu)勢，其中以電離室法被國家技術監(jiān)督機構(gòu)、國際權(quán)威性學術組織確定為監(jiān)測、校準放射治療吸收劑量重要方法，其具有操作簡單、性能穩(wěn)定、靈敏度高、能量響應好及測量準確等優(yōu)點。一般現(xiàn)場在水模體中對吸收劑量進行校準。在臨床輻射劑量學中放射治療中人體吸收劑量的校準至關重要，必須嚴格依照國際原子能(International Atomic Energy Agency，IAEA)TRS-277的相關內(nèi)容進行，在水模體中測量電子直線加速器產(chǎn)生的電子束與X射線的吸收劑量。

蒙特卡羅軟件是目前醫(yī)學物理領域最常用的模擬軟件，BEAMnrc軟件采用模塊化幾何描述組間，可對任意的放射治療設備進行模擬，以用于分析治療計劃系統(tǒng)源模型。建立準確的模型是模擬加速器射線劑量分布的關鍵，包括加速器電子束模型與幾何模型；在保證準確的幾何模型前體下，主要通過調(diào)整電子線參數(shù)控制劑量準確性。醫(yī)用直線加速器主要由銅、鎢等金屬構(gòu)成，具備較強的敏感性。本研究分析不同射野最佳徑向強度、能量對深度劑量影響：①對電子直線加速器能量依據(jù)百分深度劑量確定，認為深度劑量受到徑向強度的影響相對較小，或其影響值可忽略，進而獲取到最佳能量值；②通過確定能量值，調(diào)整徑向強度大小，認為徑向強度是影響百分深度劑量的主要因素。

袁繼龍等[15]報道，入射電子束徑向強度分布與能量對離軸比造成直接影響，在劑量最大點時深度劑量曲線對電子束徑向強度、能量分布等不敏感；其對10 cm×10 cm射野最佳劑量進行分析，在半高寬(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)為0.4 cm及能量為5.8 MeV的參數(shù)組合，蒙特卡羅方法[9]模擬獲取值與測量射野內(nèi)的離軸比、百分深度劑量曲線最為接近；同時其指出，百分深度劑量受到不同電子線能量值的影響較小。鑒于此，本研究對4個不同射野最佳能量值進行研究，其結(jié)果顯示，最優(yōu)參數(shù)分別為：30 cm×30 cm最佳值6.4 MeV、20 cm×20 cm最佳值6.3 MeV、10 cm×10 cm最佳值6.0 MeV以及4 cm×4 cm最佳值5.9 MeV。對此國外學者同樣對不同射野下劑量分布情況進行研究，在水模體30 cm深度處35 cm×35 cm、10 cm×10 cm以及2 cm×2 cm不同射野，在能量改變0.2 MeV時，測量值與模擬劑量存在誤差為2%。經(jīng)分析可能因其研究采用廠商提供的電子線能量值存在相關性，與實際情況存在一定偏差。因此，在模擬中有必要對電子直線加速器的電子線能量根據(jù)實際情況重新獲取。本研究采用二次線性對模擬與測量的差值擬合，獲得不同射野下最優(yōu)劑量。

臨床中放射治療的有效、安全關鍵在于質(zhì)量保證與質(zhì)量控制。近年來，隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，臨床中醫(yī)用電子加速器得到良好普及，為臨床放射治療提供可行性。但由于管理監(jiān)督力度不足、安全文化素養(yǎng)較低、放射治療基本設施差等因素，導致設備應用質(zhì)量、性能等良莠不齊，同時放射治療過程中步驟繁瑣、數(shù)量龐大，稍有差池即可造成無法挽回錯誤，進而影響放射治療效果，甚至對患者造成放射損傷，產(chǎn)生各種不良反應，引發(fā)醫(yī)患糾紛。因此，從加強衛(wèi)生監(jiān)督管理、提高工作人員安全素養(yǎng)、完善儀器設施等多方面加強質(zhì)量控制同樣不容忽視。

4 結(jié)語

保證蒙特卡羅方法模擬結(jié)果準確性的關鍵在于模擬所需電子線參數(shù)的確定。本研究分析提出一種電子線參數(shù)確定方法，據(jù)測量、模擬百分深度劑量，使用最小二乘擬合獲取最優(yōu)值作為確定值保持不變；在通過半影區(qū)劑量匹配，對徑向強度分布大小進行確定；對平均角展寬進行調(diào)整，使測量值與離軸劑量更符合。采用蒙特卡羅模擬加速器，可獲取最優(yōu)能量參數(shù)，提高輸出劑量控制。