利用GATE程序模擬6 MV Elekta Synergy加速器治療頭

吳寬，王興柳，柯衛，薛江粉

杭州市富陽區第一人民醫院 放療中心，浙江 杭州 311400

引言

腫瘤放射治療是惡性腫瘤治療的三大手段之一，其目標是給予腫瘤靶區足夠的劑量，同時盡可能的保護正常組織。為了實現這一目標，精確的劑量計算是關鍵。蒙特卡羅（Monte Carlo，MC）方法以其模擬結果的精度著稱，是放射治療劑量計算最精確的方法之一，被譽為“金標準”[1-3]。用于加速器治療頭模擬的MC程序有EGSnrc/BEAMnrc[4]、GEANT4/GATE[5-6]和PENELOPE[7]等。目前，針對各種型號加速器的治療頭，已經開展了很多模擬研究工作[8-10]。這些工作大多是通過EGSnrc/BEAMnrc程序完成，較少見到利用GEANT4/GATE程序進行研究的報道。相比于采用Fortran語言編寫的EGSnrc/BEAMnrc程序，GEANT4/GATE程序采用C++語言編寫，使用更加方便靈活，通用性更廣。

本文利用GATE（V8.0）程序對6 MV Elekta Synergy加速器治療頭進行模擬研究，建立了加速器治療頭的模型。通過對入射電子源的參數進行調整，使模型與實驗結果相匹配，得到一組最佳的模型參數。最后，對組織模體比（Tissue Phantom Ratio，TPR）、百分深度劑量（Percentage Depth Dose，PDD）和射野離軸比（Off Axis Ratio，OAR）進行了分析比較，驗證了模型的準確性。

1 材料與方法

1.1 模擬軟件

GATE（GEANT4 Application for Tomographic Emission）是采用C++語言編寫的開源軟件，由OpenGATE協作組開發。軟件最初聚焦于PET和SPECT成像的模擬，后來拓展到放射治療領域。該軟件包基于開源MC程序GEANT4二次開發而成，繼承了GEANT4中經過實驗驗證的物理模型。與GEANT4一樣，軟件具有高度的靈活性，可以設置復雜的幾何結構和粒子源模型。此外，GATE軟件進行了封裝，創建了易于使用的宏文件，讓用戶可以更加快速的上手。基于這些特點，GATE在醫學物理中具有廣泛的潛在應用前景。

1.2 參考數據

加速器數據采集時測量得到的數據作為GATE模擬的參考數據，為加速器治療頭模型的建立提供參考和評價依據。測量采用IBA Blue2三維水箱，外部尺寸為675 cm×645 cm×560 cm，按照源皮距（Source Skin Distance，SSD）100 cm采集數據。使用型號為DS02-000 CC13的電離室，靈敏體積為0.13 cm3。在加速器5 cm×5 cm、10 cm×10 cm、20 cm×20 cm和30 cm×30 cm射野條件下，分別測量了三維水模體中心軸上的吸收劑量。此外，在1.5、5、10和20 cm的深度處，分別測量了上述四種射野條件下的離軸劑量。

1.3 模型建立

在GATE程序中，模型的建立需要三個模塊：幾何結構、物理過程和入射粒子源。根據Elekta公司提供的參數，首先在GATE程序中建立Synergy加速器治療頭的幾何模型。圖1描述了加速器治療頭的結構。Synergy加速器治療頭的結構可以分為病人無關部分和病人相關部分。病人無關部分包括X射線靶、初級準直器、X射線均整器、雙通道電離室、反射鏡；病人相關部分包括多葉準直器、Y-后備準直器以及X-準直器。

圖1 Elekta Synergy加速器治療頭結構示意圖

各結構的主要組成成分及幾何尺寸，見表1。由表可知，X射線靶的組成元素為W（鎢）和Re（錸），厚度為0.9 mm；初級準直器的厚度為101 mm，是元素為W（鎢）、Ni（鎳）和Fe（鐵）的合金；MLC、Y-后備準直器以及X-準直器的組成元素與初級準直器相同，厚度分別為82、30和78 mm；Synergy加速器的多葉準直器部件為MLCi2型號。

表1 Synergy加速器治療頭部件的組成元素和幾何尺寸

為了精準地模擬LINAC加速器中粒子輸運的過程，需要對真實世界中發生的所有物理事件進行模擬。考慮到加速器中初級和次級粒子的能量范圍，使用標準電磁反應模型模擬粒子間的相互作用。標準電磁模型的物理過程如下：光子作用過程、電子/正電子作用過程、μ介子作用過程、強子/離子作用過程、庫侖散射作用過程、極化電子和γ射線作用過程、X射線和光學質子產生的作用過程。在GATE程序中，可以調用一些包含了上述物理過程的軟件包進行模擬研究，本文使用的是“emstandard_opt3”軟件包。

最后，本工作模擬粒子從加速管進入治療頭部件后的輸運情況，需要對加速器電子源的參數進行設置。加速器電子源的分布主要取決于兩個參數：平均能量和焦斑的半峰全寬（Full Width At Half Maxima，FWHM）[11]。平均能量影響PDD曲線和OAR劑量曲線，而焦斑FWHM僅影響OAR劑量曲線。因此，在用試錯法調整電子源參數時，首先調整高斯分布電子束的平均能量，與參考數據中曲線的分布進行比較（包括PDD和OAR），然后調整焦斑FWHM。

1.4 模擬實施

GATE模擬時，加速器治療頭組件和水模體的布局如圖2所示。圖中各個部件與圖1相對照，紅線表示電子徑跡，綠線表示光子徑跡，粒子沿著z軸負方向入射。整個模擬實施的過程分為兩個階段：病人無關部分的模擬和病人相關部分的模擬。首先對病人無關部分進行模擬，模擬電子束從X射線靶到反射鏡的過程，并把出射粒子的能譜、空間位置以及動量方向存成ROOT[12]格式的相空間文件。以這個相空間文件作為入射粒子源，在GATE程序中對病人相關部分進行模擬。X射線經過多葉準直器、Y-后備準直器以及X-準直器，進入水模體。水模體在GATE程序中設置為靈敏探測器，記錄粒子的能量沉積。

在本工作中，使用5×108個初始入射電子進行模擬，模擬時間大約為27 h。為了減少模擬時間，采用了軔致輻射分裂[13]和KillActor技術減少方差。軔致輻射分裂基于兩個實施準則：只有能量大于6.5 MeV的電子能夠分裂，只有角度小于60°的光子才能生成。通過軔致輻射反應生成的次級γ粒子分裂N次，先產生一個軔致輻射γ光子，剩下的N-1個γ光子在相同的位置產生，能量和角分布進行重新采樣，權重為1/N。在本工作中，分裂因子N設為100。GATE中的KillActor技術也可以加速模擬過程。采用KillActor技術后，粒子徑跡被限制在對水模體劑量學參數有實際影響的區域內，其它區域的粒子都被殺死了，從而減少計算量，節約計算時間。

圖2 GATE模擬時Elekta加速器治療頭組件和水模體的布局圖

2 模擬結果與討論

2.1 入射電子束參數

模擬研究發現，采用平均能量為6.5 MeV并且焦斑FWHM為3 mm的入射電子束的模擬結果與參考數據結果具有良好的吻合。按照文獻中的建議，入射電子束能譜的FWHM設置為3%[14]。

經調研發現，不同型號Elekta加速器模型入射電子束的平均能量和FWHM如表2所示[13,15-16]，本模擬研究中得到的電子束平均能量偏高。為了驗證模型的準確性，比較了模擬結果和參考數據的TPR。在10 cm×10 cm的射野下，參考數據的TPR為0.692，GATE模擬得到的TPR為0.686。測量值與模擬值的偏差小于1%，表明模型參數調整良好。

表2 不同型號Elekta加速器模型入射電子束的平均能量和FWHM

2.2 PDD結果

為了進一步分析驗證模型的準確性，將模擬得到的PDD與參考數據的PDD進行比較，利用ROOT軟件繪圖，結果如圖3所示。PDD曲線在SSD為100 cm的水模體中得到，射野大小分別為5 cm×5 cm、10 cm×10 cm、20 cm×20 cm和30 cm×30 cm。圖中實心點表示模擬數據，實線表示實驗測量數據。為了便于對比，分別將上述射野PDD的最大值歸一到80%、90%、100%和110%。

從圖中可以看到，無論是在劑量建成區域還是最大劑量點以后的區域，GATE模擬得到的PDD曲線與實驗測量曲線都匹配良好。采用γ方法分析，按照3%/3 mm的標準，通過率為100%。最大劑量點的深度出現在1.4～1.5 cm之間，與射野大小無關。

圖3 不同射野大小時的PDD

2.3 射野OAR

模擬得到的射野OAR與相同條件下的實驗測量結果進行比較，如圖4所示。模擬研究了射野大小分別為5 cm×5 cm、10 cm×10 cm、20 cm×20 cm和30 cm×30 cm時，在1.5、5、10和20 cm深度處的OAR。由圖可知，在不同射野大小和不同深度處，GATE模擬得到的OAR與實驗測量的OAR均具有良好的吻合度。采用γ方法分析，按照3%/3 mm的標準，通過率為100%。

圖4 不同射野大小時的射野OAR

3 結論

本文利用MC程序GATE對6 MV的Elekta Synergy加速器治療頭進行了模擬研究。基于加速器廠商提供的參數，在GATE中建立了治療頭模型。通過試錯法，發現當入射電子束的平均能量為6.5 MeV且焦斑FWHM為3 mm時，模擬結果與實驗測量結果最匹配。在最佳電子束參數下，模擬結果與實驗測量結果的TPR偏差小于1%。對PDD曲線和射野OAR曲線進行γ分析，按照3%/3 mm的標準，通過率為100%，吻合良好。

本研究表明GATE程序可以建立良好的加速器治療頭模型，應用于腫瘤放射治療領域。下一步將對不同能量、更加復雜的多葉準直器射野以及動態IMRT射野進行模擬研究。