瓦里安加速器6MV X線的蒙特卡羅模擬

王逸軒 朱琳 孟皓宇 譚翔 李飛 王學濤＊

1 昆明醫科大學海源學院 （云南 昆明 650106）

2 廣東省中醫院 （廣東 廣州 510120）

內容提要：目的：通過比較電離室測量及蒙特卡羅計算結果，確定加速器治療頭的入射電子束參數。方法：用EGSnrc/BEAMnrc程序對Varian Clinac 23EX加速器6MV X線進行模擬，分析入射電子束參數對百分深度劑量和離軸比的影響。結果：電離室測量結果和蒙特卡羅計算結果一致性較好。結論：蒙特卡羅方法可用于加速器X射線的模擬，模擬結果可用于進一步的研究工作。

醫用直線加速器是重要的放療設備，蒙特卡羅方法能夠進行放療劑量的精確計算[1]，蒙特卡羅方法模擬醫用直線加速器治療頭的結構和輸出射線的各種特性，一直是蒙特卡羅方法和放射治療物理學的研究熱點之一。加速器治療頭的結構基本一致，但具體細節差別較大，導致同一標稱能量的X-射線，因廠家、型號的不同，測量的百分深度劑量和射野離軸比等物理數據存在較大差別[2]；甚至同一型號的設備，由于出廠時間和安裝條件的不同，測量的物理數據也會存在差別[3]。

研究表明[4-6]，蒙特卡羅方法能夠通過模擬醫用直線加速器治療頭的構造，模擬加速器射線的特性及各種射野的劑量學參數，這對于開展新的放射治療技術，保障劑量的準確性有很重要的意義。本研究采用OMEGA/BEAM模擬Varian Clinac 23EX加速器的6MV X線，在相同條件下獲取水模體中的測量結果，比較分析測量和計算的結果，評估蒙特卡羅方法模擬放療劑量的可行性。

1.方法

1.1 初始入射電子束

建立直角坐標系，坐標原點在靶面中心，靶面中心到射野等中心的方向為Z軸正方向。Jaffray等[7]研究了Varian Clinac 2100加速器的入射電子束，認為在XY平面上基本上是對稱分布的，在XZ、YZ平面高斯分布的。對于Varian Clinac 23EX加速器6MV X線，我們假定入射電子的能量E=6MeV左右，高斯分布的半高寬為3%左右。

1.2 蒙特卡羅模擬

常規加速器醫用加速器的治療頭結構如圖1所示，圖中AA′平面以上的部分，包括靶、初級準直器、均整器、電離室和射野鏡屬于加速器機頭中固定的部分，與照射野的尺寸和水模體無關，可以在BEAMnrc中單獨模擬，獲得第1個相空間文件；圖中AA′和BB′平面之間的部分為次級準直器，用戶通過它來設置照射野的尺寸，將第1個相空間文件作為輸入文件，用BEAMnrc模擬可以計算不同射野大小的相空間文件；將相空間文件輸入DOSXYZnrc軟件包，計算放療劑量分布[9]。

圖1.Varian Clinac 23EX醫用直線加速器治療頭結構示意圖

用BEAMnrc計算第1個相空間文件，選擇第19號放射源，能量取6.0MeV左右，半高寬取1.3mm左右，垂直向下入射，第1個相空間文件的記錄面選在射野鏡的下面，第2個相空間文件的記錄面設在源皮距為100cm的地方，照射野設置為10cm×10cm。

運行DOSXYZnrc軟件包時，為提高計算效率，根據需要具體計算任務的需要將X、Y、Z三個方向的體素設置成不同的尺寸，對于計算10cm×10cm射野的百分深度劑量時，在射野中心設置成小體素，如2mm×2mm×5mm，在射野周邊設置成大體素，如30mm×30mm×60mm；射野離軸比的計算同樣道理。

1.3 PDD和OAR的測量

測量設備采用德國IBA公司的“藍水箱”Blue Phantom，該系統由水箱和控制計算機軟件組成，水箱體積大，掃描精度高。主要可以測量百分深度劑量和射野離軸比，分析射野離軸比的半高寬、平坦度、對稱性等。

按照與蒙特卡羅模擬相同的條件，用三維水箱掃描射野的百分深度劑量和離軸比，與蒙特卡羅的模擬結果進行比較。

2.結果

2.1 初始入射電子束對射野百分深度劑量的影響

Vairan Clianc 23EX加速器6MV X-射線10cm×10cm，入射電子束半高寬為1.4mm，圖2為電子束能量對PDD的影響，電子束能量為6.0MeV左右，在深度d>dm建成區深度時，蒙特卡羅的計算值與測量值沒有明顯差異，最大差異為2.6%（5.4MeV），說明入射電子束的能量對百分深度劑量沒有明顯影響。

圖2.入射電子束能量對射野百分深度劑量的影響

入射電子束初始能量為6.0MeV，圖3為電子束FWHM對PDD的影響，電子束FWHM分別為0.8mm、1.2mm、1.4mm和1.6mm，在深度d>dm建成區深度時，蒙特卡羅的計算值與測量值沒有明顯差異，大部分點的差異都小于1.0%，說明入射電子束的半高寬對百分深度劑量沒有明顯影響。

圖3.入射電子束半高寬對射野百分深度劑量的影響

2.2 初始入射電子束對射野離軸比的影響

入射電子束半高寬為1.4mm，圖4為入射電子束初始能量對射野離軸比的影響，由圖可見，在整個射野范圍內，蒙特卡羅的計算值與測量值差異明顯，能量越高，曲線的“肩部”越低，說明入射電子束的能量對射野離軸比有一定的影響。

圖4.入射電子束初始能量對射野離軸比的影響

入射電子束初始能量為6.0MeV，圖5為入射電子束半高寬對射野離軸比的影響，在整個射野范圍內，蒙特卡羅的計算值與測量值沒有明顯差異，說明入射電子束的半高寬對射野離軸比沒有影響。

圖5.入射電子束半高寬對射野離軸比的影響

3.結論與討論

在醫用直線加速的實際模擬中，一般是根據一臺通用加速器（general linac）的參數進行調整。入射電子束初始的能量值及分布是X-射線模擬的重要參數；入射電子束的能量偏移對X-射線的離軸比有很大影響，實際模擬時，入射電子束的入射角嚴格按照Z軸正方向選擇，但加速器入射電子束如果有微小的角度偏移，實踐中也很難確認；初級準直器的參數由廠家提供，但是開口尺寸的要精確到0.01cm，否則，就會對X-射線的模擬結果產生明顯影響[8]。

當電子束的能量為6MeV，半高寬為1.4mm時，百分深度劑量和射野離軸比的模擬與測量的結果吻合度高。本文通過對Varian Clianc 23EX加速器6MV X-射線進行模擬，分析了入射電子束位置的高斯分布，加速器治療頭的射束均整器對10cm×10cm射野百分深度劑量和離軸比的影響，發現入射電子束的初始能量、高斯分布的半高寬等均對射野劑量產生不同程度的影響。因此，準確的入射電子束分布、準確的加速器治療頭的組件構成、材料和尺寸等是加速器模擬的關鍵，否則后續的劑量計算結果沒有意義。文中列舉了10cm×10cm和40cm×40cm射野的百分深度劑量和不同深度的離軸比，比較了蒙特卡羅模擬值和測量值，驗證了所選參數的正確性。

本文以及國內外其他研究的結果表明，通過大量射野百分深度劑量及離軸比曲線的模擬值與實驗值的比較，可以較為準確地確定醫用直線加速器的參數這為進一步研究放射治療中的劑量學問題奠定了基礎。