王逸轩 朱琳 孟皓宇 谭翔 李飞 王学涛＊

1 昆明医科大学海源学院 （云南 昆明 650106）

2 广东省中医院 （广东 广州 510120）

内容提要：目的：通过比较电离室测量及蒙特卡罗计算结果，确定加速器治疗头的入射电子束参数。方法：用EGSnrc/BEAMnrc程序对Varian Clinac 23EX加速器6MV X线进行模拟，分析入射电子束参数对百分深度剂量和离轴比的影响。结果：电离室测量结果和蒙特卡罗计算结果一致性较好。结论：蒙特卡罗方法可用于加速器X射线的模拟，模拟结果可用于进一步的研究工作。

医用直线加速器是重要的放疗设备，蒙特卡罗方法能够进行放疗剂量的精确计算[1]，蒙特卡罗方法模拟医用直线加速器治疗头的结构和输出射线的各种特性，一直是蒙特卡罗方法和放射治疗物理学的研究热点之一。加速器治疗头的结构基本一致，但具体细节差别较大，导致同一标称能量的X-射线，因厂家、型号的不同，测量的百分深度剂量和射野离轴比等物理数据存在较大差别[2]；甚至同一型号的设备，由于出厂时间和安装条件的不同，测量的物理数据也会存在差别[3]。

研究表明[4-6]，蒙特卡罗方法能够通过模拟医用直线加速器治疗头的构造，模拟加速器射线的特性及各种射野的剂量学参数，这对于开展新的放射治疗技术，保障剂量的准确性有很重要的意义。本研究采用OMEGA/BEAM模拟Varian Clinac 23EX加速器的6MV X线，在相同条件下获取水模体中的测量结果，比较分析测量和计算的结果，评估蒙特卡罗方法模拟放疗剂量的可行性。

1.方法

1.1 初始入射电子束

建立直角坐标系，坐标原点在靶面中心，靶面中心到射野等中心的方向为Z轴正方向。Jaffray等[7]研究了Varian Clinac 2100加速器的入射电子束，认为在XY平面上基本上是对称分布的，在XZ、YZ平面高斯分布的。对于Varian Clinac 23EX加速器6MV X线，我们假定入射电子的能量E=6MeV左右，高斯分布的半高宽为3%左右。

1.2 蒙特卡罗模拟

常规加速器医用加速器的治疗头结构如图1所示，图中AA′平面以上的部分，包括靶、初级准直器、均整器、电离室和射野镜属于加速器机头中固定的部分，与照射野的尺寸和水模体无关，可以在BEAMnrc中单独模拟，获得第1个相空间文件；图中AA′和BB′平面之间的部分为次级准直器，用户通过它来设置照射野的尺寸，将第1个相空间文件作为输入文件，用BEAMnrc模拟可以计算不同射野大小的相空间文件；将相空间文件输入DOSXYZnrc软件包，计算放疗剂量分布[9]。

图1.Varian Clinac 23EX医用直线加速器治疗头结构示意图

用BEAMnrc计算第1个相空间文件，选择第19号放射源，能量取6.0MeV左右，半高宽取1.3mm左右，垂直向下入射，第1个相空间文件的记录面选在射野镜的下面，第2个相空间文件的记录面设在源皮距为100cm的地方，照射野设置为10cm×10cm。

运行DOSXYZnrc软件包时，为提高计算效率，根据需要具体计算任务的需要将X、Y、Z三个方向的体素设置成不同的尺寸，对于计算10cm×10cm射野的百分深度剂量时，在射野中心设置成小体素，如2mm×2mm×5mm，在射野周边设置成大体素，如30mm×30mm×60mm；射野离轴比的计算同样道理。

1.3 PDD和OAR的测量

测量设备采用德国IBA公司的“蓝水箱”Blue Phantom，该系统由水箱和控制计算机软件组成，水箱体积大，扫描精度高。主要可以测量百分深度剂量和射野离轴比，分析射野离轴比的半高宽、平坦度、对称性等。

按照与蒙特卡罗模拟相同的条件，用三维水箱扫描射野的百分深度剂量和离轴比，与蒙特卡罗的模拟结果进行比较。

2.结果

2.1 初始入射电子束对射野百分深度剂量的影响

Vairan Clianc 23EX加速器6MV X-射线10cm×10cm，入射电子束半高宽为1.4mm，图2为电子束能量对PDD的影响，电子束能量为6.0MeV左右，在深度d>dm建成区深度时，蒙特卡罗的计算值与测量值没有明显差异，最大差异为2.6%（5.4MeV），说明入射电子束的能量对百分深度剂量没有明显影响。

图2.入射电子束能量对射野百分深度剂量的影响

入射电子束初始能量为6.0MeV，图3为电子束FWHM对PDD的影响，电子束FWHM分别为0.8mm、1.2mm、1.4mm和1.6mm，在深度d>dm建成区深度时，蒙特卡罗的计算值与测量值没有明显差异，大部分点的差异都小于1.0%，说明入射电子束的半高宽对百分深度剂量没有明显影响。

图3.入射电子束半高宽对射野百分深度剂量的影响

2.2 初始入射电子束对射野离轴比的影响

入射电子束半高宽为1.4mm，图4为入射电子束初始能量对射野离轴比的影响，由图可见，在整个射野范围内，蒙特卡罗的计算值与测量值差异明显，能量越高，曲线的“肩部”越低，说明入射电子束的能量对射野离轴比有一定的影响。

图4.入射电子束初始能量对射野离轴比的影响

入射电子束初始能量为6.0MeV，图5为入射电子束半高宽对射野离轴比的影响，在整个射野范围内，蒙特卡罗的计算值与测量值没有明显差异，说明入射电子束的半高宽对射野离轴比没有影响。

图5.入射电子束半高宽对射野离轴比的影响

3.结论与讨论

在医用直线加速的实际模拟中，一般是根据一台通用加速器（general linac）的参数进行调整。入射电子束初始的能量值及分布是X-射线模拟的重要参数；入射电子束的能量偏移对X-射线的离轴比有很大影响，实际模拟时，入射电子束的入射角严格按照Z轴正方向选择，但加速器入射电子束如果有微小的角度偏移，实践中也很难确认；初级准直器的参数由厂家提供，但是开口尺寸的要精确到0.01cm，否则，就会对X-射线的模拟结果产生明显影响[8]。

当电子束的能量为6MeV，半高宽为1.4mm时，百分深度剂量和射野离轴比的模拟与测量的结果吻合度高。本文通过对Varian Clianc 23EX加速器6MV X-射线进行模拟，分析了入射电子束位置的高斯分布，加速器治疗头的射束均整器对10cm×10cm射野百分深度剂量和离轴比的影响，发现入射电子束的初始能量、高斯分布的半高宽等均对射野剂量产生不同程度的影响。因此，准确的入射电子束分布、准确的加速器治疗头的组件构成、材料和尺寸等是加速器模拟的关键，否则后续的剂量计算结果没有意义。文中列举了10cm×10cm和40cm×40cm射野的百分深度剂量和不同深度的离轴比，比较了蒙特卡罗模拟值和测量值，验证了所选参数的正确性。

本文以及国内外其他研究的结果表明，通过大量射野百分深度剂量及离轴比曲线的模拟值与实验值的比较，可以较为准确地确定医用直线加速器的参数这为进一步研究放射治疗中的剂量学问题奠定了基础。