LUNA全身伽馬刀輸出因子的蒙特卡羅模擬研究*

袁繼龍　程金生*

LUNA全身伽馬刀輸出因子的蒙特卡羅模擬研究*

袁繼龍①程金生①*

目的：利用蒙特卡羅模擬方法，對LUNA全身伽馬刀重要劑量學參數(shù)輸出因子進行研究。方法：采集廠商提供的技術數(shù)據(jù)文檔，建立LUNA全身伽馬刀蒙特卡羅模型，模型驗證后結合廠商測量輸出因子所用探測器，設置蒙特卡羅模型相關參數(shù)進行模擬計算，比較分析廠商提供的輸出因子與蒙特卡羅模擬計算出輸出因子的差異。結果：在3%偏差范圍內，不同準直器條件下，廠商提供的輸出因子和蒙特卡羅模擬計算得到的輸出因子符合性好，并進一步分析了相關差異的原因。結論：LUNA全身伽馬刀輸出因子的蒙特卡羅模擬研究為該設備的臨床使用和質量控制提供了參考和依據(jù)。

LUNA全身伽馬刀；蒙特卡羅模擬；輸出因子

［First-author’s address］ Key Laboratory， Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety， Chinese Center for Disease Control and Prevention， Beijing 100088， China.

LUNA全身伽馬刀是全身立體定向放射治療專用設備，目前全國已經(jīng)有40余臺LUNA全身伽馬刀應用于臨床治療。LUNA全身伽馬刀有42顆60Co放射源在源體中沿著臨床X軸和Y軸平面呈扇形對稱分布，通過準直器聚焦在等中心位置，LUNA全身伽瑪?shù)杜鋫?組不同規(guī)格，即6 mm×6 mm、8 mm×8 mm、14 mm×14 mm、14 mm×20 mm、14 mm×40 mm和14 mm×60 mm，分別對應1號、2號、3號、4號、5號和6號準直器的矩形孔準直器。

在臨床治療時放射源體連同準直器可以繞著臨床Z軸進行旋轉進行非共面的聚焦照射，最大旋轉角度是以臨床Y軸為基準的180o。6個型號的準直器以滿足頭部、體部腫瘤的體積大小的立體定向放射治療照射需要進行安裝使用，所有準直器條件下在等中心焦點處形成的聚焦野，皆非傳統(tǒng)放射治療10 cm×10 cm的標準照射野，結合LUNA全身伽馬刀的臨床動態(tài)旋轉照射治療特點，其劑量學研究有著極其重要的臨床治療和質量控制意義。由于LUNA全身伽馬刀主要在國內使用，其相關劑量學研究報道很少［1-6］。為此，本研究結合蒙特卡羅模擬的優(yōu)勢進行建模，比對廠商測試結果，對LUNA全身伽馬刀的輸出因子這一重要劑量學參數(shù)進行研究，為LUNA全身伽馬刀放射治療的質量控制提供參考和依據(jù)［7-10］。

1　資料與方法

1.1設備與材料

Luna-260型LUNA全身伽馬刀（深圳一體公司生產(chǎn)）；EGSnrc蒙特卡羅模擬程序工具包（加拿大國家研究中心開發(fā)）。

1.2研究方法

以LUNA全身伽馬刀為模型，根據(jù)廠商提供的技術文檔，將放射源、放置放射源的源體、預準直器以及終準直器等劑量學相關部件的幾何尺寸、相對空間位置分布、對應材料及動態(tài)旋轉模式作為模型的輸入?yún)?shù)進行蒙特卡羅模擬計算。

1.3蒙特卡羅模擬計算

蒙特卡羅模擬計算使用通用EGSnrc蒙特卡羅模擬程序工具包，在BEAMnrc模塊3號源項中設置建模部分的相關部件幾何尺寸、相對空間位置分布和對應材料，抽樣γ粒子數(shù)為2×109，獲得終準直器出口位置的源相空間文件，其主要包括射線到達設定位置區(qū)域的位置、角動量及對應的能量等分布信息。

（1）以此源相空間文件為輸入文件在DOSXYZnrc模塊中進行設置，該部分設置分兩步進行：①驗證蒙特卡羅模型，對應實際測量情況，在8號源項中設置相關源分布進行靜態(tài)聚焦照射，模體體素為1 mm×1 mm×1 mm，抽樣γ粒子數(shù)為2×109，分析模擬結果3ddose文件，分別提取臨床X軸、Y軸和Z軸上的聚焦野劑量分布信息，計算劑量分布半高寬，與廠商技術文件提供相關信息進行比對分析，驗證模型［11］；②在驗證蒙特卡羅模型的基礎上，在20號源項中根據(jù)源體旋轉拉弧的角度和源的活度實際分布進行設置。

（2）在等中心處設置8 cm×8 cm×8 cm的有機玻璃模體，等中心位置體素根據(jù)不同準直器條件下廠商測量輸出因子所用探測器靈敏體積進行設置；①在3號、4號、5號及6號準直器條件下，使用0.015 cc電離室進行測量，其靈敏體積近似為2 mm×2 mm×5 mm，1號和2號準直器條件下，使用Diode半導體探測器進行測量；②其靈敏體積近似為1 mm×1 mm×1 mm，對這些感興趣區(qū)域體素和0o～180o的旋轉聚焦照射進行編程設置；③在每個準直器條件下，抽樣γ粒子數(shù)均為2×109，分析模擬結果3ddose文件，獲取等中心處劑量值，相應劑量值（歸一到每一個粒子）偏差均控制在≤0.5%范圍內，偏差計算為公式1：

［（MC模擬-廠商數(shù)據(jù)）÷MC模擬］×100%（1）

（3）以最大尺寸的6號準直器為基準，分別計算其余準直器條件下的輸出因子，并與廠商所提供技術文件中的相應輸出因子進行比較分析。

2　結果

（1）基于EGSnrc的蒙特卡羅模擬環(huán)境在Ubuntu12.04 32位系統(tǒng)下搭建，運行CPU為4核InterCoreTM760 2.8 GHz，有效利用內存大約為3.0 GB，每個準直器條件下BEAMnrc模塊運行為4.5 h左右，每個準直器條件下DOSXYZnrc模塊運行為8 h左右。LUNA全身伽馬刀靜態(tài)聚焦照射時，等中心處聚焦野在X軸上的劑量分布半高寬見表1。

表1　X軸上劑量分布半高寬(mm)

LUNA全身伽馬刀靜態(tài)聚焦照射時，等中心處聚焦野在Y軸上的劑量分布半高寬見表2。

表2　Y軸上劑量分布半高寬(mm)

LUNA全身伽馬刀靜態(tài)聚焦照射時，等中心處聚焦野在Z軸上的劑量分布半高寬見表3。

表3　Z軸上劑量分布半高寬(mm)

（2）根據(jù)不同準直器條件，分別進行對應的焦點處感興趣區(qū)域的體素設置，采用蒙特卡羅模擬計算，其等中心處感興趣區(qū)域劑量值結果歸一到每個抽樣模擬計算的粒子上，見表4。

表4　蒙特卡羅模擬等中心處感興趣區(qū)域劑量值(×10-17cGy)

（3）由蒙特卡羅模擬等中心處感興趣區(qū)域的劑量值計算LUNA全身伽馬刀不同準直器條件下的輸出因子，并與廠商提供基于測量計算出的輸出因子進行比較，其相應偏差見表5。

3　討論

本研究目的是在蒙特卡羅模擬計算輔助下分析LUNA全身伽馬刀輸出因子，涉及的聚焦野焦點吸收劑量全部為小野模式，相較于傳統(tǒng)的放射治療射野劑量分布的測量，小野模式需要考慮靈敏體積較大的探測器，如0.6 cc及0.125 cc電離室，在聚焦野內測量時存在側向電子欠平衡效應及體積效應問題，這兩個效應會影響到測量結果的準確性，而且LUNA全身伽馬刀所有準直器條件下的聚焦野都是非標準野，直接用靈敏體積小的電離室如0.015 cc電離室和其他探測器如Diode半導體探測器和MOSFET場效應管探測器測量前不但需要在標準輻射場下準確刻度修正，而且需要預先了解所測聚焦野的劑量分布情況，以便在不同的聚焦野劑量分布條件下準確使用合適的探測器。

表5　廠商提供輸出因子與蒙特卡羅計算輸出因子比較

本研究通過廠商技術文檔提供的相關參數(shù)，建立LUNA全身伽馬刀蒙特卡羅模型，模擬計算得到的等中心焦點處三維劑量分布，進一步提取出沿著臨床X軸、Y軸及Z軸上劑量分布半高寬和廠商提供的設計尺寸進行對比，表1，表2和表3的結果對比表明，除最小準直器條件下模擬結果大于設計允許偏差外，原因應該是模體體素設置為1 mm×1 mm×1 mm，相較于5 mm的劑量分布半高寬相對較大，而且分析模擬計算結果時，采用線性插值方法獲取模擬劑量分布半高寬的方法所造成，此差異在隨后研究中將采用更小的體素來分析該準直器條件下聚焦野的劑量分布［12］。其余結果均在聚焦野設計允許偏差之內，因此本研究建立的LUNA全身伽馬刀蒙特卡羅模型得到驗證。

利用驗證過的蒙特卡羅模型，參考蒙特卡羅模擬出劑量分布半高寬，可以選擇靈敏體積合適的探測器進行輸出因子的測量。本研究首先為了驗證廠商給出的輸出因子，按照廠商測試所采用探測器的靈敏體積在蒙特卡羅模型的模體中進行焦點處感興趣區(qū)域設置進行模擬計算［13-15］。表5顯示，廠商測試得到的輸出因子和本研究蒙特卡羅模型模擬計算得到的輸出因子的差異，其中4號、5號準直器的輸出因子偏差很小，3號準直器偏差較大，應該是廠商測試所用0.015 cc電離室在此準直器條件下的聚焦野內出現(xiàn)體積平均效應，造成測量值偏低，測量結果和模擬結果出現(xiàn)如此偏差［16］。1號、2號準直器條件下，輸出因子偏差相較于3號準直器條件偏差小很多，但與5號和6號準直器條件相比較偏差明顯大些，而且此偏差均表現(xiàn)為測試結果大于蒙特卡羅模擬結果，廠商測試1號和2號準直器用的探測器是Diode半導體探測器，其靈敏體積的半導體有效原子序數(shù)大于測試及模擬所用有機玻璃模體，在測量過程中會有一定程度的過響應效應造成測量數(shù)據(jù)偏大，從而導致測試和模擬輸出因子的偏差。

通過建立LUNA全身伽馬刀的蒙特卡羅模擬模型，可以更容易的分析LUNA全身伽馬刀的焦點處三維劑量分布情況，輔助解決現(xiàn)實中不容易實驗測量的劑量學參數(shù)的問題，輔助實驗測量中合適探測器的選擇，相應復雜射野情況下修正因子的獲取和測試結果的科學合理性分析［17-18］。

4　結語

本研究介紹了建立LUNA全身伽馬刀蒙特卡羅模型的方法，在3%的偏差范圍內，廠商提供的輸出因子和蒙特卡羅模擬結果符合性好，并進一步分析了輸出因子的測量和模擬結果在不同準直器條件下偏差的原因。本研究為LUNA全身伽馬刀設備的臨床使用及質量控制提供了參考和依據(jù)。同時，下一步將進行LUNA全身伽馬刀的劑量學研究。

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Monte Carlo Simulation study of LUNA stereotactic body radiotherapy device’s output factors

YUAN Ji-long， CHENG Jin-sheng

China Medical Equipment，2016，13（9）:10-13.

Objective: Using Monte Carlo simulation method to study the important dosimetric parameter output factor of the LUNA stereotactic body radiotherapy device. Methods: Following the manufacturer’s technical documentation to establish the LUNA stereotactic body radiotherapy device’s Monte Carlo model and after model validation. After referring to the output factor measurement’s detector provided by manufacturer， set the relevant parameters in Monte Carlo model at last， compare and analyze the difference of output factor which provided between by manufacturer and calculated by Monte Carlo simulation. Results: In the range of 3% deviation，under the different collimator of condition， output factors which provided by manufacturers and calculated by Monte Carlo are in good agreement， and the reasons for the difference are also analyzed. Conclusion: LUNA stereotactic body radiotherapy device’s output factors of Monte Carlo simulated research work provides reference and basis for the clinical use and quality control.

LUNA stereotactic body radiotherapy device； Monte carlo simulation； Output factor

1672-8270（2016）09-0010-04

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.09.003

2016-06-02

國際原子能機構2014-2015國際合作項目（CPR6006）“加強現(xiàn)代核醫(yī)學、放射診斷和放射治療實踐的質量保證”

①中國疾病預防控制中心輻射防護與核安全醫(yī)學所 輻射防護與核應急中國疾病預防控制中心重點實驗室 北京 100088

chengjs3393@163.com

袁繼龍，男，（1982- ），博士，助理研究員。中國疾病預防控制中心輻射防護與核安全醫(yī)學所輻射防護與核應急中國疾病預防控制中心重點實驗室，研究方向：輻射劑量與輻射防護。