鄧 磊 周 寧 瞿述根 王 哲 王 健 陳以水 涂 彧 劉永泉

1（江西省職業(yè)病防治研究院 南昌 330006）

2（放射醫(yī)學(xué)與輻射防護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（蘇州大學(xué)） 蘇州 215123）

3（溫州醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生與管理學(xué)院 溫州 325035）

醫(yī)用直線加速器產(chǎn)生的X射線已普遍應(yīng)用于國內(nèi)各大醫(yī)院的腫瘤放射治療中。高能醫(yī)用直線加速器（標(biāo)稱能量大于8 MeV）的X射線束與機(jī)頭高Z物質(zhì)發(fā)生（γ，n）、（γ，2n）反應(yīng)產(chǎn)生光核中子，相對于低能加速器其輻射防護(hù)問題更為復(fù)雜，受到越來越多研究人員的關(guān)注［1］。至今，多種蒙特卡羅模擬軟件應(yīng)用于加速器輻射防護(hù)及劑量學(xué)的研究中。比如，EGS（Electron Gamma Shower）軟件配置了BEAMnrc模塊［2?4］，專門用于放射治療設(shè)備臨床劑量學(xué)的模擬計(jì)算，但僅限于光子和電子輸運(yùn)的模擬。有研究顯示［5］，加速器機(jī)頭相空間分布（Position Sensitive Detector，PSD）的MCNP（Monte Carlo N Particle Transport Code）模擬結(jié)果與EGS 一致，而且MCNP 具有復(fù)雜幾何的編輯能力，在高能加速器光中子模擬方面MCNP 比EGS 更有優(yōu)勢。故本研究利用MCNP 軟件開展15 MV 高能醫(yī)用直線加速器產(chǎn)生的X 射線束能譜和劑量分布的模擬，計(jì)算不同照射野下X射線束在水模體中的百分深度劑量和剖面相對劑量等特征參數(shù)，并分析機(jī)頭不同組件對X射線束能譜及其穿透能力的影響。

1 材料與方法

1.1 機(jī)頭模型的建立

本研究模擬一臺15 MV X 射線工作模式下的Clinic 23EX 型醫(yī)用電子直線加速器。依據(jù)廠家提供的機(jī)頭內(nèi)部件的材料組成和幾何尺寸構(gòu)建加速器機(jī)頭模型。為保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，機(jī)頭模型包含部件不僅有靶（Target）、初級準(zhǔn)直器（Primary Collimater）、均整器（Flatteing Filter）、次級準(zhǔn)直器（上層檔塊（Upper Jaws）、下層檔塊（Lower Jaws）），還包括周圍其他的金屬屏蔽部件，構(gòu)建了一個精細(xì)的加速器機(jī)頭模型［6?7］。為簡化程序代碼，提高計(jì)算效率，模型不考慮多葉準(zhǔn)直器（Multi-leaf Collimator，MLC），因?yàn)镸LC在次級準(zhǔn)直器的下方，與主射線束相互作用幾率極?。?］。機(jī)頭模型具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 加速器機(jī)頭剖面示意圖Fig.1 Profile diagram of the accelerator head model

1.2 MCNP模擬方法

模擬過程以電子束打鎢靶開始，電子束初始動能為15.3 MeV［9］。利用FILL 卡把水模體分成若干個相等的長方體柵元，根據(jù)不同的計(jì)數(shù)需要選擇合適柵元尺寸。由于MCNP 軟件運(yùn)行時(shí)間與其記數(shù)小柵元數(shù)量成正比，所以本次模擬只給出百分深度劑量（Percentage Depth Dose，PDD）曲線所需要中心軸處小柵元和profile 曲線對應(yīng)的不同深度處inline方向（與治療床平行的方向）或者crossline 方向（與治療床垂直的方向）小柵元的吸收劑量。采用*F8計(jì)數(shù)卡記錄水模體中各體積元的吸收劑量，并設(shè)置特定曲面，利用F1 卡和En 卡記錄特定曲面不同能量間隔的通量計(jì)數(shù)確定加速器機(jī)頭的不同位置處的X射線能譜。此外，通過采用DXT卡和能量截?cái)嗫ǎ–UTE=0.1 MeV，CUTP=0.01 MeV）降低模擬結(jié)果的方差，提高模擬計(jì)算效率［10］。

1.3 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測量

現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測量使用的是德國IBA 公司生產(chǎn)的Blue Phantom 2型三維水箱。測量時(shí)，等中心輸出劑量為300 cGy·min?1，靶到水箱內(nèi)水表面的距離為100 cm；測量采用的是兩個0.13 mL 電離室，一個設(shè)置在射線束中心軸水面以下，另一個作為參考電離室設(shè)置在水面上方照射野覆蓋范圍內(nèi)的位置。根據(jù)兩個電離室所測量到各測點(diǎn)吸收劑量來確定該加速器PDD曲線和profile曲線，并采用Omnipro-accept7分析軟件對測量結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

2 結(jié)果與討論

2.1 PDD曲線模擬結(jié)果與實(shí)測值比較

通過MCNP 模擬得到10 cm×10 cm（標(biāo)準(zhǔn)照射野）和40 cm×40 cm（最大照射野）方形照射下15 MV 主束X 射線在水模體中的PDD 和profile 曲線，將其與現(xiàn)場三維水箱實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，來驗(yàn)證加速器機(jī)頭模型的可靠性。

圖2、圖3 分別是10 cm×10 cm 和40 cm×40 cm照射野下，X射線束在水模體中PDD曲線MCNP模擬結(jié)果與實(shí)測值的比較。各測點(diǎn)深度劑量百分比值均歸一到中心軸上水下最大劑量點(diǎn)（測點(diǎn)深度劑量百分比等于該測點(diǎn)的模擬值或?qū)崪y值與相應(yīng)最大劑量的比值）。在10 cm×10 cm和40 cm×40 cm照射野下，主射線束中心軸上水模體中不同深度處各測點(diǎn)百分劑量比的模擬值與實(shí)測值最大偏差分別為1.99%和2.22%，模擬結(jié)果與實(shí)測值之間偏差主要來源于建成區(qū)的前幾個測點(diǎn)數(shù)據(jù)，造成這種情況的原因是實(shí)測中水表面存在電子污染，而實(shí)際的MCNP模擬計(jì)算中未考慮電子污染產(chǎn)生的劑量，導(dǎo)致水表面附近的幾個測點(diǎn)實(shí)測值比模擬值大，但是由于電子穿透能力有限，隨著測點(diǎn)深度增加兩者差距也在縮??；而在PDD 曲線尾部這種偏差又有所增大，是因?yàn)镸CNP 模型的電子束打靶能譜與實(shí)際情況相比存在差異所造成的。

圖2 10 cm×10 cm照射野下，PDD曲線的MCNP模擬值與實(shí)測值比較Fig.2 Comparison of the PDD curve between the MCNP simulation and the measurement results in 10 cm×10 cm radiation field

圖3 40 cm×40 cm照射野下，PDD曲線的MCNP模擬值與實(shí)測值比較Fig.3 Comparison of the PDD curve between the MCNP simulation and measurement results in the 40 cm×40 cm radiation field

表1 為劑量學(xué)參數(shù)實(shí)測值與MCNP 模擬值對比，從表1中可知，在10 cm×10 cm照射野下，模擬值與實(shí)測值的最大劑量點(diǎn)深度（dmax）差值為0.3 mm，水下20 cm、10 cm 處吸收劑量D20、D10的比值D20/D10（用于表征射線的輻射質(zhì)）相對偏差僅為0.62%；而在40 cm×40 cm 照射野下，兩者dmax差值為0.6 mm，D20/D10的相對偏差為1.34%。從PDD曲線中各劑量學(xué)參數(shù)對比情況來看，MCNP 模擬結(jié)果與實(shí)測值吻合。

表1 劑量學(xué)參數(shù)的實(shí)測值與MCNP模擬值的對比Table 1 Comparison of dosimetric parameters between the measurement and the MCNP simulation

2.2 Beam profile模擬結(jié)果與實(shí)測值比較

圖4、圖5 分別是10 cm×10 cm 和40 cm×40 cm照射野下，crossline 方向的profile 曲線MCNP 模擬值與實(shí)測值的對比，測試的深度分別為3 cm、10 cm、20 cm。各點(diǎn)的離軸比（Off Axis Ratio，OAR）歸一為中心軸上的3 cm深度處測點(diǎn)相對劑量為100%。各照射野下，高劑量區(qū)域（坪區(qū)）的模擬值與實(shí)測值的相對差值范圍為0.35%～2.76%，低劑量區(qū)（陡降部分）為0.48%～5.86%，這類偏差主要是由模擬過程中打靶電子束的角分布和直徑大小與實(shí)際情況存在差異造成的［9］。

圖4 10 cm×10 cm照射野下，profile曲線的MCNP模擬結(jié)果與實(shí)測值比較Fig.4 Comparison of profile curves between the MCNP simulation and the measurement results in the 10 cm×10 cm radiation field

圖5 40 cm×40 cm照射野下，profile曲線的MCNP模擬結(jié)果與實(shí)測值比較Fig.5 Comparison of profile curves between the MCNP simulation and the measurement results in the 40 cm×40 cm irradiation field

因均整區(qū)邊緣下降速度快，同時(shí)MCNP 模擬過程中計(jì)數(shù)點(diǎn)位置與實(shí)測中探頭中心的位置之間有差異，導(dǎo)致在低劑量區(qū)模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的偏差相對較大。隨著測試深度增加profile曲線邊緣的離軸比與中心位置的比值逐漸減小，是因?yàn)殡x水表面越近邊緣的受照劑量受散射線的疊加作用影響越明顯，但隨著深度增加，散射線衰減比主射線更快，這種影響越來越小。

綜上所述，本研究建立的15 MV 醫(yī)用電子加速器機(jī)頭模型的X 射線束的PDD 和profile 曲線模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測情況吻合，說明模擬得到的X 射線束輻射質(zhì)和劑量分布特性與實(shí)際情況一致，表明本研究建立的加速器機(jī)頭模型是可行的。

2.3 不同位置X 射線能譜模擬結(jié)果及其穿透能力變化

為提高放射治療的質(zhì)量，掌握射線束在直線加速器的治療頭內(nèi)的穿透情況以及治療頭內(nèi)部件對射線束的影響是非常重要的。治療頭內(nèi)每個部件的尺寸和材料組成對X 射線譜都會有一定的影響［11?13］，所以，了解射線束在加速器機(jī)頭內(nèi)的穿透或散射特性是很有必要的。通過MCNP 模擬計(jì)算出機(jī)頭內(nèi)各關(guān)鍵位置（靶、初級準(zhǔn)直器、均整器和次級準(zhǔn)直器）的能譜情況，模擬得出40 cm×40 cm照射野下，機(jī)頭內(nèi)各位置的X射線能譜如圖6所示。

圖6 40 cm×40 cm照射野下，不同位置處X射線能譜Fig.6 X-ray energy spectra at different positions in the 40 cm×40 cm irradiation field

圖6中分別給出了靶下方、初級準(zhǔn)直器下方、均整器下方以及次級準(zhǔn)直器下方4個位置的能譜模擬結(jié)果，上述4 個位置能譜的平均能量分別為2.00 MeV、2.32 MeV、2.58 MeV、3.21 MeV。在電子打靶后產(chǎn)生的X 射線束之后，射線束分別與初級準(zhǔn)直器、均整器及次級準(zhǔn)直器相互作用，能譜發(fā)生硬化，平均能量逐漸升高。此外，各位置的連續(xù)X射線能譜中在0.063 MeV 出現(xiàn)明顯的“毛刺”部分，是X射線與鎢靶作用產(chǎn)生的Kα、Kβ特征X 射線（前者為0.059 MeV，后者為0.067 MeV）疊加形成的。

圖7是在40 cm×40 cm 照射野下，均整（Flattening Filter，F(xiàn)F）模式與非均整（Flattening Filter Free，F(xiàn)FF）模式下PDD 曲線模擬結(jié)果的對比，前者的最大劑量點(diǎn)深度dmax=29.0 mm，后者的最大劑量點(diǎn)深度dmax=25.0 mm，同時(shí)FFF 模式下PDD 曲線的下降部分的斜率明顯小于FF模式，說明X射線束經(jīng)過均整器過濾后，射線硬化［14］，平均能量增大，X射線束PDD曲線中最大劑量點(diǎn)位置變深，穿透能力增強(qiáng)。那么，在加速器機(jī)房屏蔽設(shè)計(jì)和放射治療計(jì)劃制定中應(yīng)盡可能考慮FFF 模式下與FF 模式相比穿透能力所發(fā)生的變化，以便優(yōu)化屏蔽設(shè)計(jì)和提高放療病人受照劑量的精確性。

圖7 40 cm×40 cm照射野下，F(xiàn)F與FFF模式PDD曲線的對比Fig.7 Comparison of PDD curves between FF mode and FFF mode in 40 cm×40 cm irradiation field

3 結(jié)語

本文利用MCNP 軟件建立了Clinic 23EX 型醫(yī)用直線加速器機(jī)頭精細(xì)模型，并模擬得出15 MV X射線束在水模體中的PDD 和profile 曲線等劑量學(xué)參數(shù)，參數(shù)的模擬結(jié)果與三維水箱現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果一致，表明該機(jī)頭模型可靠。依據(jù)該加速器機(jī)頭模型，可以系統(tǒng)地計(jì)算加速器產(chǎn)生的各部分輻射源項(xiàng)及劑量場分布等數(shù)據(jù)，后續(xù)可用于高能醫(yī)用直線加速器X射線及光核中子在患者各部分器官的劑量沉積特性研究，為光中子污染對放療患者危害評估及放射治療計(jì)劃劑量的優(yōu)化研究提供理論依據(jù)，并進(jìn)一步完善高能醫(yī)用電子直線加速器的輻射防護(hù)及放療質(zhì)量控制。