動態旋轉體部伽瑪刀輻射劑量學蒙特卡羅模擬研究*

袁繼龍 程金生 劉立明 蘇 旭*

動態旋轉體部伽瑪刀輻射劑量學蒙特卡羅模擬研究*

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)模擬平臺上，對不同型號的動態旋轉體部伽瑪刀輻射劑量學進行MC模擬研究。方法：①根據體部伽瑪刀聚焦照射模式，選擇代表機型，即OUR-QGD型體部伽瑪刀和LUNA全身伽瑪刀；②基于EGSnrc分別進行MC建模；③利用EBT3膠片和160 mm有機玻璃球模體測量焦點處劑量分布進行MC模型驗證；④利用驗證的模型進行劑量學研究。結果：OUR-QGD型體部伽瑪刀和LUNA全身伽瑪刀的MC模型模擬結果分別與對應的實驗測量進行對比，不同準直器條件下，劑量分布半高寬偏差均≤1 mm，MC模擬的輸出因子和廠商數據對比，偏差均在±4%之內，并進一步對偏差進行了分析。結論：動態旋轉體部伽瑪刀輻射劑量學MC模擬研究，基本可以為目前臨床使用的不同機型體部伽瑪刀的輻射劑量學質量控制提供重要參考和依據。

動態旋轉；體部伽瑪刀；輻射劑量學；蒙特卡羅模擬

體部伽瑪刀是全身立體定向放射治療專用設備，目前國內已有諸多廠商相繼研發了不同類型的體部伽瑪刀，并大量投入臨床使用。體部伽瑪刀的基本原理為多顆鈷60(60Co)源協同相應準直器采用動態旋轉聚焦方式對病灶靶區進行高劑量照射，同時使靶區外正常組織盡可能少的接受輻射劑量。根據本研究調研，不同類型的體部伽瑪刀的源體動態旋轉聚焦具體方式主要分為錐形旋轉聚焦(如OUR-QGD型體部伽瑪刀、KLF-A型OPEN式體部伽瑪刀及圣愛數控體部伽瑪刀)和扇形旋轉聚焦(如LUNA全身伽馬刀、SGS-I超級伽馬刀)[1-2]兩類。不同機型的源個數、源強、準直器大小和初裝機焦點劑量率等都不同，這些放射治療設備基本只在我國大陸臨床使用，屬于我國特有的放射治療設備(對錐形旋轉聚焦形式的研究報道可參見文獻[3-4]；對扇形聚焦形式的研究報道可參見文獻[5-6])，所采用的測量方法均難以全面反映焦點處三維劑量分布，而國內外對其結合蒙特卡羅(monte carlo，MC)模擬的輻射劑量學研究報道很少[7-8]。但是臨床已有100多臺體部伽瑪刀在用，因此體部伽瑪刀的輻射劑量學研究亟需系統的開展，而基于MC模擬對體部伽瑪刀進行輻射劑量學研究，可以更全面地對其臨床治療計劃制定及質量控制提供參考依據[9]。

本研究根據體部伽瑪刀的源體動態旋轉聚焦的兩類方式，分別選擇了目前臨床使用中占大多數、具有代表性的OUR-QGD型體部伽瑪刀和LUNA全身伽瑪刀作為研究對象，建立通過實驗驗證的MC模型進行輻射劑量學研究。OUR-QGD型體部伽瑪刀的源體有30顆60Co源在39.5°～69.5°的球冠上非等間隔、非對稱分布，工作時源體協同兩級準直器旋轉形成30個錐形面聚焦射線在球心處，即等中心處，準直器有3種規格，分別為Φ10 mm、Φ30 mm和Φ50 mm的圓形孔準直器。LUNA全身伽瑪刀有42顆60Co源在球體50°扇面上呈非等間隔扇形對稱分布，同樣工作時，源體協同兩級準直器形成扇形射束聚焦在球心處，準直器有6種規格，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的矩形孔準直器。

1 材料與方法

1.1 設備與材料

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

1.2 研究方法

分別以OUR-QGD型體部伽瑪刀和LUNA全身伽瑪刀為模型，根據廠商提供的技術文檔，將承載放射源的源體、預準直器和終準直器等機頭結構與材料、相對空間分布及動態旋轉模式作為MC模擬模型輸入參數，分別在BEAMnrc和DOSXYZnrc模型中進行設置并運行計算，獲得有機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軸上的劑量分布，計算半高寬(full width at half maximum，FWHM)；同時利用直徑160 mm體部伽瑪刀質控有機玻璃球模體加載EBT3膠片的插件盒，分別在XZ、YZ坐標軸平面進行焦點處二維劑量分布測量，分析膠片掃描圖像獲取焦點處臨床坐標軸上劑量分布FWHM[10]。MC模擬和實驗測量進行對比驗證MC模型，利用MC模型計算輸出因子。

1.3 MC模擬計算

建模過程、MC參數設置及相關劑量學參數計算的詳細描述可參考文獻[11]，其中源體，預準直體和終準直體部分都在BEAMnrc模型中設置，模擬計算獲得的終準直體出口處的相空間文件作為DOSXYZnrc模型的輸入文件，根據對應每顆源的空間位置分別在各自模型對應的DOSXYZnrc模型中設置，利用每顆源在其旋轉范圍內均勻采樣來實現動態旋轉模擬效果[12]。OUR-QGD型體部伽瑪刀的放射源是360°范圍內旋轉；LUNA全身伽瑪刀的放射源是180°范圍內旋轉。驗證過的OUR-QGD型體部伽瑪刀和LUNA全身伽瑪刀MC模型，分別以其最大尺寸的準直器為基準，體素大小為1 mm×1 mm×1 mm，分別計算每個體部伽馬刀各準直器條件下對應的輸出因子，以上模擬計算設置的抽樣粒子數為2×109，相應模擬計算出的焦點處劑量值偏差均控制在0.5%以內[13]。

1.4 實驗測量

EBT3膠片的刻度在中國疾病預防控制中心輻射安全所標準劑量學實驗室放射治療級60Co輻射場中進行，至少選擇0 Gy、0.5 Gy、1.0 Gy、1.5 Gy、2 Gy以及2.5 Gy這5個劑量點進行照射刻度，照射后避光保存EBT3膠片，等待其穩定24 h后進行掃描。EPSON 10000XL掃描基本設置為300 dpi圖像分辨率，利用ImageJ提取掃描圖像中劑量點對應的像素值并按照參考文獻[14]進行劑量刻度曲線擬合，將同批次的EBT3膠片根據膠片盒尺寸進行裁剪，裝載在球模體中，分別在OUR-QGD型體部伽瑪刀和LUNA全身伽瑪刀條件下進行照射，根據旋轉聚焦方式不同，OURQGD型體部伽瑪刀3個準直器條件分別在焦點處對應的XZ、YZ軸平面照射1 min；LUNA全身伽瑪刀6個準直器條件分別在焦點處對應進行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，照射過的EBT3膠片處理和膠片刻度時的處理方式一致，同樣利用ImageJ程序提取劑量分布像素值，根據劑量刻度曲線得到實際劑量分布，獲取焦點處X軸、Y軸和Z軸上劑量分布FWHM。

2 結果

OUR-QGD型體部伽瑪刀的實測和MC模擬計算的X軸、Y軸和Z軸上劑量分布FWHM結果對比分別見表1、表2和表3；MC模擬輸出因子和廠商提供輸出因子對比見表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型體部伽瑪刀廠商提供輸出因子與MC模擬計算輸出因子比較(mm)

LUNA全身伽瑪刀的實測和MC模擬計算的X軸、Y軸和Z軸上劑量分布FWHM結果對比分別見表5、表6和表7；MC模擬輸出因子和廠商提供輸出因子對比見表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全身伽瑪刀廠商提供輸出因子與MC模擬計算輸出因子比較(mm)

3 討論

本研究的目的是在同一個MC模擬平臺，即基于EGSnrc，將國內型號眾多的體部伽瑪刀按照工作時動態旋轉的模式分類，選擇代表性機型進行MC建模，并通過實驗驗證模型，進一步進行劑量學研究。從結果部分分析，無論錐形動態旋轉照射的體部伽瑪刀代表機型OUR-QGD型體部伽瑪刀，還是扇形動態旋轉照射的體部伽瑪刀代表機型LUNA全身伽馬刀，MC模擬計算的焦點處X軸、Y軸和Z軸坐標軸劑量分布FWHM和EBT3膠片實驗相應測量數據對比，偏差均≤1 mm，根據參考文獻[10]的相關指標標準，2個MC模型得到驗證，相比參考文獻[11]提供的MC模擬結果和廠商數據相比，本研究更進一步用實驗測量來驗證MC模型，而且結果符合很好。

由于體部伽瑪刀的聚焦照射野均為小射野，而小射野的劑量測量準確性正是目前國內外放射治療劑量學研究熱點，本研究中的劑量學參數輸出因子的MC模擬和廠商數據對比正反映了這一點測量準確性的重要意義。

利用MC模型計算的OUR-QGD型體部伽瑪刀輸出因子和廠商數據最大偏差-3.53%，這個偏差和廠商測量時選用的針尖電離室靈敏體積大小及電離室本身的校準有關，國內目前的電離室校準的依據主要參考自國際原子能機構IAEA-TRS-277報告，校準系統本身不確定度為2.5%(K=1)，而且OUR-QGD型體部伽瑪刀因為放射源在球冠上非等間隔非對稱分布，因此在臨床Y軸上焦點處的上下劑量分布不對稱，最大劑量點向源體方向一側偏離(準直器尺寸選擇越大，偏離等中心越多)，這樣的劑量分布造成焦點處(等中心)的劑量梯度分布，測量此體部伽瑪刀的輸出因子不但需要考慮小野問題，還要考慮劑量梯度問題，選擇探測器很重要，故該實驗測量問題需要繼續深入研究。

利用MC模型計算的LUNA全身伽馬刀輸出因子已經做了較全面分析，最大偏差均控制在±3%之內。目前，測量模體均參考頭部伽瑪刀的直徑160 mm有機玻璃質控球模，考慮體部伽瑪刀的臨床應用，需要設計更符合實際需求的測量模體，才能保證質量控制數據能更好的為設備的臨床應用提供參考[15]。

4 結語

本研究對動態旋轉體部伽瑪刀的代表機型進行MC建模，并通過實驗測量驗證，利用2個MC模型分別計算的輸出因子，在±4%偏差范圍內，MC模擬結果和廠商數據能很好符合，而且針對偏差原因進行了分析。本研究為體部伽瑪刀的臨床使用和質量控制提供了重要參考，然而體部伽瑪刀輻射劑量學還需要更進一步研究，故結合MC模擬的臨床放射治療計劃驗證為下一步研究計劃[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程中提供的幫助。

[1]夏廷毅.體部腫瘤伽瑪刀治療學[M].北京：人民衛生出版社，2010.

[2]張重魁.體部伽瑪刀臨床應用及進展[J].實用癌癥雜志，2012，27(1)：107-110.

[3]朱奇，康靜波，李建國，等.體部伽瑪刀的治療原理及質量保證探討[J].中國醫學裝備，2015，12(2)：95-97.

[4]毛凱，康靜波，戴甜甜，等.伽瑪射束立體定向放射治療質量控制[J].中國醫學裝備，2015，12(10)：30-32.

[5]曹鴻斌，吳旭東，劉國強，等.OPEN式體部伽馬刀物理學特性研究[J].中華放射腫瘤學雜志，2015，24(6)：699-702.

[6]葛寧，辜石勇，韓棟梁.體部伽馬刀質量保證與質量控制[J].醫療衛生裝備，2015，36(10)：91-93.

[7]包龍，潭峰，柯傳慶，等.體部伽瑪刀臨床應用的質量控制和質量保證[C].江西省中醫藥學會2011年學術年會論文集，2011.

[8]周振山，王軍良，段小萍.LUNATM—260型伽瑪射線立體定向回轉聚焦放療機質量控制[J].醫療衛生裝備，2011，32(3)：69-70.

[9]王軍良.基于蒙特卡羅計算的伽瑪刀劑量學研究[D].北京：解放軍軍事醫學科學院，2012.

[10]中華人民共和國國家標準.GBZ 168-2005Χ、γ射線頭部立體定向外科治療放射衛生防護標準[S].衛生部政策法規司，2005-06-21.

[11]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[J].中國醫學裝備，2016，13(9)：10-13.

[12]Kim S，Yoshizumi TT，Yin FF，et al.Spiral computed tomography phase-space source model in the BEAMnrc/EGSnrc Monte Carlo system：implementation and validation[J].Phys Med Biol，2013，58(8)：2609-2624.

[13]Battistoni G，Cappucci F，Bertolino N，et al. FLUKA Monte Carlo simulation for the Leksell Gamma Knife Perfexion radiosurgery system：Homogeneous media[J].Physica Medica，2013，29(6)：656-661.

[14]Lewis D，Micke A，Yu X，et al.An efficient protocol for radiochromic film dosimetry combining calibration and measurement in a single scan[J].Med Phys，2012，39(10)：6339-6350.

[15]焦春營.用于體部伽瑪刀性能測試專用模體的建立和研究[D].北京：清華大學，2012.

[16]朱奇，康靜波，李建國，等.胰腺癌體部伽瑪刀治療的劑量學研究[J].中國醫學裝備，2014，11(11)：33-35.

[17]任信信，戴建榮，張岳，等.基于專家庫的γ射線立體定向放療計劃優化方法[J].中國醫學物理學雜志，2015，32(3)：301-305.

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。中國疾病預防控制中心輻射防護與核安全醫學所 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。

2017-04-17

國際原子能機構2014-2015國際合作項目(CPR6006)“加強現代核醫學、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

*通訊作者：suxu@nirp.cn