张 帆 祝锡雯 刘 静 岳 麓 邓立华 周 宓 徐晓妹 王 刚*

现代放射治疗技术由普通的三维适形放射治疗发展到调强放射治疗(intensity modulated radiation therapy，IMRT)以及容积旋转调强放射治疗(volumetric Intensity modulated arc therapy，VMAT)和立体定向放射治疗(stereotactic body radiation therapy，SBRT)[1]。精准放射治疗的实现依赖于直线加速器剂量分布的准确性，加速器计划系统(treatment planning system，TPS)根据百分深度剂量以及离轴剂量，通过不同算法计算出肿瘤靶区以及各危及器官的剂量分布，剂量准确性对肿瘤的治疗具有重要的作用，其中建成区百分深度剂量由于处于剂量建成区，剂量变化较大，半影区位于剂量梯度变化最大的位置，离轴剂量波动范围大，在现代精准放射治疗技术的应用背景下，二者对体表浅层剂量分布以及靶区周边剂量分布的影响愈加重要。蒙特卡罗(Monte carlo，MC)算法[2]作为剂量计算的金标准，可以准确模拟不同介质中粒子输运以及剂量沉积[3-5]。本研究使用仪器公司提供的相空间文件(phase space file，PSF)作为EGSnrc程序[6]的输入源，模拟得到百分深度剂量以及离轴剂量，将其与加速器装机时采用的剂量分布和仪器公司提供的光盘文件中的剂量分布进行对比分析。

1 材料与方法

1.1 仪器设备

本研究需要的仪器设备有Semiflex型电离室和三维水箱(MP3)(德国PTW公司)；以及IX加速器(美国瓦里安公司)。

1.2 模拟程序及步骤

选择的PSF为瓦里安公司提供的Truebeam机型和IX机型。由于IX机型提供的PSF在源皮距100 cm处射野大小为4 cm×4 cm和10 cm×10 cm两种，Truebeam机型只有在铅门上侧提供的PSF，需要根据此文件形成在源皮距100 cm处相同大小的射野，因此二者模拟步骤略有不同：①模拟Truebeam机型剂量分布时，先将其PSF作为子程序BEAMnrc[7]的输入源，模拟粒子在铅门以及空气中的传播，得到源皮距100 cm处的4 cm×4 cm和10 cm×10 cm大小的PSF，随后将其作为子程序DOSXYZnrc[8]程序的输入源，模拟水箱中的剂量分布；②模拟IX机型的剂量分布，直接将固定野大小的PSF作为子程序DOSXYZnrc程序的输入源，计算得到剂量分布。

1.3 BEAMnrc程序Truebeam加速器治疗头建模

根据Truebeam机型加速器部件的几何尺寸和材料，使用SLABS、JAWS、CONS3R、DYNVMLC和SLABS分别模拟空气层、次级准直器、平面钢板、多叶准直器、出束窗及空气层。模拟的2个射野由次级准直器铅门形成，多叶准直器为全部打开状态。产生的PSF选择存储在垂直于粒子出射方向，源皮距为100 cm处的平面上，使用21号PSF源作为输入源，模拟的粒子数为5×109个，电子截止能量设置为0.7 MeV，光子截止能量为0.01 MeV。方差减少技术选择直接韧致辐射分裂(directional bremsstrahlung splitting，DBS)[9]。

1.4 DOSXYZnrc程序中水模剂量计算

使用Truebeam机型PSF[10]重新模拟得到的PSF，以及IX机型的PSF分别作为DOSXYZnrc程序的输入源，计算水模中的百分深度剂量以及离轴比剂量，三维坐标方向互相垂直，其中Z轴为粒子入射方向，垂直向下，原点在水模上表面的中心点位置。水模大小为40 cm×40 cm×40 cm，划分成许多大小不同的体素。模拟计算百分深度剂量时，在X轴和Y轴方向上，体素的长度均为0.3 cm，Z轴方向水下1.7 cm深度以上，体素长度为0.1 cm，1.7 cm深度以下，体素长度为0.5 cm。模拟计算离轴剂量时，半影区X轴体素长度为0.1 cm，主剂量区长度为0.5 cm，Y轴和Z轴长度均为0.5 cm。电子截止能量设置为0.6 MeV，光子截止能量为0.01 MeV。

1.5 厂商剂量数据与试验测量

设备生产厂商会随加速器装机提供不同大小射野的百分深度剂量以及离轴剂量分布，数据储存在光盘文件中，将本研究实验所需的4 cm×4 cm和10 cm×10 cm射野的剂量数据导出备用。百分深度剂量以及离轴剂量测量的机型为IX机型，装机时剂量分布由专业物理师和工程师进行测量，将测量后的数据进行修正，导入计划系统后使用。

2 结果

2.1 百分深度剂量

(1)在4 cm×4 cm射野下，4种剂量数据均在各自水下1.7 cm(最大剂量深度)处进行归一，得到水下各深度处的百分深度剂量(图1A)。对于4 cm×4 cm射野，在最大剂量深度之后，4种百分深度剂量非常接近，误差值远低于美国医学物理学家学会(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)放射治疗委员会任务工作组50号报告中规定的剂量计算误差标准(5%)，IX PSF深度剂量数据与测量值符合度最好。对于建成区百分深度剂量(图1B)，厂商提供的剂量数据与其他3种数据相差较大，整体剂量值偏低。4 cm×4 cm射野百分深度剂量曲线见图1。

图1 4 cm×4 cm射野下百分深度剂量曲线

(2)在10 cm×10 cm射野下，4种剂量数据均在各自水下1.5 cm(最大剂量深度)处进行归一，各百分深度剂量(图2A)。对于10 cm×10 cm射野，在最大深度剂量点之后，Truebeam PSF百分深度剂量较其他3种百分深度剂量有可分辨误差，深度剂量值整体略低于其他3种(图2A)；对于在最大剂量点之前的建成区百分深度剂量(图2B)，厂商提供的剂量数据仍整体低于其他3种建成区深度剂量。需要指出在研究建成区深度剂量时，两种模拟值与剂量数据3种体素长度均为1 mm，与测量值体素设置不完全相符，为在对应深度显示4种剂量，测量值并未完全在图中显示，但从图中可以看出，其仍可近似代表测量值走势，下文中半影剂量测量值同如上所述。10 cm×10 cm射野下百分深度剂量曲线见图2。

图2 10 cm×10 cm射野下百分深度剂量曲线

2.2 离轴剂量分布

4 cm×4 cm射野主剂量区离轴剂量，通过IX机型PSF模拟得到的5 cm和10 cm深度处的主剂量区离轴剂量与剂量数据符合度较好，优于Truebeam机型PSF，见图3。半影区剂量，5 cm和10 cm深度处，测量值与剂量数据均较为吻合，Truebeam机型PSF得到的剂量值与剂量数据符合度更好，见图4。10 cm×10 cm射野主剂量区离轴剂量见图5，半影区剂量，剂量对比结果与4 cm×4 cm射野相同，见图6。

图3 4 cm×4 cm射野下不同深度处主剂量区剂量

图4 4 cm×4 cm射野下不同深度处半影区剂量

3 讨论

图5 10 cm×10 cm射野下不同深度处主剂量区剂量

图6 10 cm×10 cm射野下不同深度处半影区剂量

在有关百分深度剂量的研究中，倪晞晔等[11]比较了2个射野大小下MC算法模拟计算与实际测量的百分深度剂量差异，发现5 cm×5 cm和10 cm×10 cm射野下深度＞1.2 cm时测量与模拟误差＜2%，深度＜1.2 cm时模拟与测量值误差较大。需要指出的是该工作模拟部分采用的是加速器机头建模，模拟粒子从靶到水模的输运过程。宋婷等[12]使用6 MV Truebeam PSF模拟粒子输运以及剂量沉积，与本研究Truebeam PSF模拟过程相同，其模拟的射野为单一10 cm×10 cm射野，模拟计算的百分深度剂量值在建成区与实验测量数据很好吻合，7 cm深度后，计算值整体低于测量值，且误差较大。本研究实验中，对于最大深度剂量点后百分深度剂量，所研究4 cm×4 cm和10 cm×10 cm射野的测量值与剂量数据非常接近，二者均可作为固定野百分深度剂量的一种参考标准。两个射野下的IX PSF与Truebeam PSF模拟值与测量值、剂量数据误差值较小。对于建成区百分深度剂量，蔡国鑫[13]等比较了10 cm×10 cm射野下，单类型模拟值和测量值，发现在建成区有较大差异。本研究实验中，4 cm×4 cm和10 cm×10 cm射野下，测量值、IX PSF以及Truebeam PSF模拟值符合度较好，整体都高于剂量数据值，并且存在较明显误差。建成区百分深度剂量模拟值之间差异可能由于不同类型的PSF包含的粒子信息本身存在差异。在有关离轴剂量的研究中，宋婷等[12]模拟了10 cm×10 cm射野下80%等剂量线射野区域的离轴剂量，在5 cm和10 cm深度处与测量值的最大剂量差异分别为2.268%和2.704%。本研究中，对于射野中心区离轴剂量，4 cm×4 cm和10 cm×10 cm射野下，测量值、剂量数据及IX PSF模拟值三者之间误差均很小，而Truebeam PSF模拟值则较前三者有一定差异。在半影区，各射野下的测量值均与剂量数据相近，Truebeam PSF和IX PSF模拟值与二者误差呈近似对称分布。误差值存在与PSF本身有关，PSF是由各个研究机构根据加速器厂商提供的机头数据模拟得到，虽然其经过国际辐射单位与测量委员会(International Commission on Radiation Units and Measurements，ICRU)认证，但由于不同的研究者在产生PSF时使用的模拟参数不详，模拟结果与实验结果不会完全相符[14]。同时，模拟过程中，需要对加速器机头进行建模，机头部件对剂量分布也有一定影响，这也是使用PSF之前需要对其产生的剂量分布进行验证的原因[15-16]。

4 结论

MC算法是目前公认的最为准确的剂量计算方法，由于加速器厂商提供的机头材料和几何数据并不完整，对于建成区深度剂量以及半影区剂量，模拟过程复杂，直接使用PSF可减少模拟难度，但其剂量准确性必须得到验证。本研究使用厂商提供的PSF模拟得到剂量分布，探究使用官方PSF作为程序输入源的准确性以及可行性，同时考察测量数据以及官方提供的剂量数据的准确性，得到的研究结果以供参考。

三种不同方法得到的剂量值中，测量得到的百分深度剂量及离轴剂量最为准确，建成区百分深度剂量可根据厂商提供的PSF模拟得到其准确值，但对于半影区离轴剂量，两种模拟文件得到的剂量分布均与测量值存在一定误差，实际过程中需要考虑误差带来的影响。