射波刀蒙特卡羅劑量計(jì)算算法射束模型的調(diào)試

張建平

福建醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院放療科 （福建福州 350001）

放射外科手術(shù)機(jī)器人也稱射波刀，將6 MV單能無(wú)均整射束（FFF）加速器搭載在機(jī)器人手臂上，系統(tǒng)整合了實(shí)時(shí)圖像引導(dǎo)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)呼吸追蹤系統(tǒng)，保證了高度適形處方劑量以亞毫米的精度投照在腫瘤區(qū)域，同時(shí)更好地保護(hù)周圍正常組織[1-2]。射波刀治療適應(yīng)證包括基于顱骨追蹤的腫瘤和畸形、頸部腫瘤、脊柱腫瘤、胰腺腫瘤、肝癌、前列腺癌以及肺癌等[3-5]。對(duì)于一些復(fù)雜部位的病灶如頭頸部腫瘤、肺部腫瘤，因組織密度的不均勻性，普通的劑量計(jì)算方法并不能準(zhǔn)確給出劑量分布，導(dǎo)致實(shí)際輸出劑量低于處方劑量的16%～17%[6-8]。而蒙特卡羅（Monte Carlo，MC）劑量計(jì)算算法較目前商業(yè)上其他算法更加準(zhǔn)確。對(duì)于目前市場(chǎng)最先進(jìn)的專門用于單次劑量大、分次少的立體定向放射治療（SBRT）系統(tǒng)，蒙特卡羅劑量計(jì)算算法必不可少。本研究旨在為射波刀系統(tǒng)基于固定準(zhǔn)直器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行蒙特卡羅劑量計(jì)算算法射束模型的建立和調(diào)試，從而保證處方劑量準(zhǔn)確地投照在腫瘤上，進(jìn)一步提高腫瘤的控制率。

1 材料與方法

1.1 材料

美國(guó)安科瑞公司VSI型放射外科手術(shù)機(jī)器人（Cyberknife），美國(guó)安科瑞公司V4.6 MultiPlan計(jì)劃系統(tǒng)（MultiPlan TPS），美國(guó)安科瑞公司提供的能量修正因子（E CF）EXCEL表（ECF Correction Factors_rev F.xlsx）和準(zhǔn)直器修正因子（CCF）EXCEL表（CCF Correction Factors_rev C.xls），德國(guó)PTW公司UNIDOSwebline型靜電計(jì)，PTW 60018半導(dǎo)體探測(cè)器，PTW內(nèi)徑為59.6 cm×59.4 cm×50.25 cm MP3-M型三維水箱。

1.2 蒙特卡羅建模射野數(shù)據(jù)采集

1.2.1 數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)備

要求各邊調(diào)平，保證機(jī)頭與水面垂直，若激光與射野一致性較好，可以通過查看反射激光與激光準(zhǔn)直器小孔是否重合來(lái)判斷垂直情況；若一致性較差，則應(yīng)通過獲取兩個(gè)深度的離軸比（OCR），尋找并重新設(shè)定射野中心。本研究使用的是PTW 60018型探測(cè)器（電壓0 V），參考電離室采用0.125cc 31010型電離室（電壓400 V）。

1.2.2 OCR和百分深度劑量的數(shù)據(jù)采集

不使用任何準(zhǔn)直器（開野），在源軸距（SAD）800 mm，水下25 mm處，分別獲取0°和90°兩個(gè)方向的OCR，處理數(shù)據(jù)，平滑歸一取對(duì)稱，范圍從-80～80 mm。使用60 mm準(zhǔn)直器，在SSD 800 mm條件下，步進(jìn)以1 mm和0.5 mm組合使用來(lái)獲取百分深度劑量（PDD），需特別注意所用探測(cè)器的有效測(cè)量點(diǎn)位置，同時(shí)需考慮水面張力對(duì)結(jié)果的影響。

1.3 建立蒙特卡羅劑量計(jì)算算法的模型

利用Cyberknife TPS中的調(diào)試工具（Commissioning Tools）進(jìn)行蒙特卡羅模型的建立。建模主要包括4個(gè)部分，分別是創(chuàng)建源模型（Source Model）、OCR修正、組織模體比（TPR）修正和輸出因子（OF）修正。對(duì)上述4個(gè)部分反復(fù)迭代和修正，直到所有偏差值均在可接受范圍內(nèi)，表明蒙特卡羅模型已成功建立，詳細(xì)流程如圖1。

圖1 射波刀蒙特卡羅建模流程

1.3.1 創(chuàng)建源模型

使用高斯（Gaussian）建模法，源分布將以高斯曲線的形式建模。建模時(shí)需指定光子源半峰全寬（FWHM）值（以毫米為單位），值越大，產(chǎn)生的分布越寬（蒙特卡羅模擬出的OCR曲線的斜率越小）；值越小，產(chǎn)生的分布越窄（蒙特卡羅模擬出的OCR曲線的斜率越大）。模型創(chuàng)建完畢后，檢查蒙特卡羅模擬出的OCR和測(cè)量OCR在半影區(qū)的偏差，如果偏差可接受，則接受此源模型；如果偏差值超過可接受范圍，則應(yīng)根據(jù)偏差重新調(diào)整光子源FWHM值，直到OCR偏差滿足要求，進(jìn)而獲取更為合適、可接受的源模型。

1.3.2 TPR和OCR建模步驟

通過蒙特卡羅方法模擬得出TPR和OCR曲線，然后將這些曲線與先前臨床調(diào)試時(shí)所批準(zhǔn)的TPR和OCR射束數(shù)據(jù)分別進(jìn)行比較，如果結(jié)果可以接受，則可用于生成隨后計(jì)算所需的校正因子（ECF、CCF）。同時(shí)模擬、檢查和批準(zhǔn)蒙特卡羅為所有準(zhǔn)直器大小、5個(gè)深度模擬得出的TPR和OCR曲線，并接受所有計(jì)算結(jié)果，然后才能繼續(xù)進(jìn)行輸出因子的蒙特卡羅模擬。1.3.3 校正因子

如果對(duì)特定準(zhǔn)直器模擬出的曲線不能充分與測(cè)量曲線相吻合，則可以修改以下兩個(gè)校正因子，然后重新模擬修正曲線。（1）CCF：每個(gè)準(zhǔn)直器都對(duì)應(yīng)有一個(gè)CCF；在計(jì)算中，指定的準(zhǔn)直器乘以CCF值，用于對(duì)該準(zhǔn)直器調(diào)整OCR曲線的光子源FWHM值；CCF值大于1將使OCR配置文件的光子源FWHM值增大，CCF值小于1將使OCR配置文件的光子源FWHM值減小；在調(diào)整CCF時(shí)，檢查多個(gè)深度的OCR曲線非常有用，可以確定整個(gè)數(shù)據(jù)范圍的最佳CCF值。（2）ECF：每個(gè)準(zhǔn)直器都對(duì)應(yīng)有一個(gè)ECF；在計(jì)算中，每個(gè)采樣光子的能量將從能量分布模型提供的標(biāo)稱值以ECF作為系數(shù)增加，例如，要使平均能量增加5%，應(yīng)使ECF新=ECF舊×1.05；較大的ECF值將推動(dòng)TPR曲線上升，較小的ECF值將使該曲線下降。

2 結(jié)果

光子源FWHM值為1.4 mm時(shí)，所有準(zhǔn)直器在100 mm深度處測(cè)量和模擬的OCR在半影區(qū)的偏差值最小。圖2為5 mm、15 mm、35 mm和60 mm準(zhǔn)直器半影區(qū)的偏差值隨光子源FWHM值的變化關(guān)系。VSI型射波刀所有準(zhǔn)直器所有深度處的TPR、OCR及所有SAD的OF誤差均在±2%以內(nèi)，滿足臨床要求。圖3、圖4及表1分別列舉了部分準(zhǔn)直器建模結(jié)果。

圖2 5 mm、15 mm、35 mm和60 mm準(zhǔn)直器半影區(qū)的偏差值隨光子源FWHM值的變化關(guān)系

圖3 5 mm、15 mm、35 mm和60 mm準(zhǔn)直器OCR建模結(jié)果

3 討論

射波刀系統(tǒng)因其獨(dú)特的顱骨追蹤系統(tǒng)、金標(biāo)追蹤系統(tǒng)、脊柱追蹤系統(tǒng)、同步呼吸追蹤系統(tǒng)和肺追蹤系統(tǒng)并融合實(shí)時(shí)影像引導(dǎo)系統(tǒng)，在大劑量的立體定向放射治療中的地位越來(lái)越重要。對(duì)于一些復(fù)雜部位的病灶，如頭頸部腫瘤、肺部腫瘤，由于組織密度的不均勻性，常規(guī)的劑量計(jì)算方法并不能夠準(zhǔn)確地給出劑量分布，導(dǎo)致實(shí)際輸出劑量并不等于處方劑量，從而造成腫瘤控制率的下降。而蒙特卡羅劑量計(jì)算方法作為劑量計(jì)算的金標(biāo)準(zhǔn)，是立體定向放射治療精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的重要前提。本研究旨在為射波刀系統(tǒng)基于固定準(zhǔn)直器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行蒙特卡羅劑量計(jì)算算法射束模型的建立和調(diào)試，以更好地滿足臨床要求。

圖4 5 mm、15 mm、35 mm和60 mm準(zhǔn)直器TPR建模結(jié)果

表1 所有準(zhǔn)直器OF建模結(jié)果（SAD為100 mm）

源模型創(chuàng)建時(shí)本研究先選擇光子源FWHM值為1.6 mm為起始源尺寸值進(jìn)行模擬計(jì)算，然后逐漸遞減。由圖2可知，當(dāng)光子源FWHM值為1.4 mm時(shí)，OCR在半影區(qū)蒙特卡羅模擬值和測(cè)量值的偏差最小；當(dāng)光子源FWHM值大于或者小于1.4 mm時(shí)，OCR半影偏差值均逐漸增大。由此證明1.4 mm是本中心射波刀系統(tǒng)的最佳光子源尺寸。經(jīng)過ECF和CCF反復(fù)迭代、修正，最終保證所有準(zhǔn)直器、所有深度TPR和OCR蒙特卡羅模擬值和測(cè)量值偏差小于±2%。此過程耗時(shí)最長(zhǎng)，通常計(jì)算一遍需幾個(gè)小時(shí)，由于蒙特卡羅模擬的不確定性，有可能出現(xiàn)同一條件產(chǎn)生不同的結(jié)果，需要反復(fù)修正和迭代，直到滿足所有條件。前面工作完成后，最后以0.2%的不確定度計(jì)算OF值，此過程耗時(shí)可達(dá)40多小時(shí)。經(jīng)計(jì)算，所有準(zhǔn)直器在SAD為800 mm時(shí)OF偏差最大為-0.99%，誤差在±2%以內(nèi)，滿足臨床要求。

本研究通過近1個(gè)月的時(shí)間，完成我院最新引進(jìn)的VSI型射波刀蒙特卡羅劑量計(jì)算算法射束模型的調(diào)試，各項(xiàng)指標(biāo)誤差值均在±2%以內(nèi)，滿足臨床要求，為今后更加精確的劑量計(jì)算和精準(zhǔn)的立體定向放療奠定了良好的算法基礎(chǔ)。