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基于DPM1.1的蒙特卡罗剂量计算

时颖华  
【摘要】:放射治疗作为肿瘤治疗常用手段之一,在治疗过程中占有重要地位,约70%的肿瘤病人需要进行放射治疗。剂量计算的精确性是放射治疗疗效的基础,剂量计算精度必须控制在±5%以内。本文就是在放射剂量学的理论基础上,研究三维放射治疗中的剂量精确计算问题。 众所周知,蒙特卡罗(Monte Carlo, MC)方法是最精确的剂量计算方法,它是一种可用于任意吸收介质和任意射线的随机采样模拟方法。该方法是20世纪40年代为了研制核武器的需要,在美国Los Alamos国家实验室的曼哈顿计划中由Ulam和Von Neumann首先提出并加以运用的,又叫统计实验方法或随机抽样技术。MC方法特别适用于求解本身带有随机性的物理问题。 粒子与物质相互作用时服从统计学规律,发生相互作用的位置、作用形式(如对X光子而言,可能是光电效应、康普顿散射或者是电子对效应)、发生相互作用后粒子可能被吸收或者散射、散射粒子的方向和能量、两次相互作用位置间的距离等参数都是随机变量。蒙特卡罗方法可以模拟粒子与物质相互作用全过程,通过模拟大量粒子(如106)的输运过程,就可计算出粒子束与物质相互作用过程的宏观特征,如剂量分布、注量分布。然而在过去,由于蒙特卡罗方法进行剂量计算的时间特别长(一般是几到几十个小时),不能满足临床实时性的需要,所以一直没能在临床放射治疗计划系统上得到广泛的应用。 随着计算机并行技术和图像处理器(graphic processing unit, GPU)的发展,一些大型的蒙特卡罗方法应用软件先后产生并发展。例如EGS程序、MNCP程序、PENELOPE程序、ETRAN程序等。但是在设计这些大型的代码包时,考虑了很多对放射治疗不必要的修正因素,最终导致计算时间长难以应用到实际的临床上。研发只适用于放射治疗的蒙特卡罗剂量计算引起了很多学者和放疗厂家的注意。 DPM(dose planning method)是密西根大学推出的适用于电子和光子蒙特卡罗剂量计算的快速算法。它使用Fortran语言编写,采用步长独立的电子散射理论及很多近似算法,减少了剂量计算时间,使其应用到临床剂量计算成为可能。 但是,DPM1.1只能计算以平行方式入射的方形野照射源和通过二次曲面方式定义的模体的剂量。目前临床放射治疗的主要设备是加速器射束。而且,人体数据的建模是通过CT图像获取的,而非二次曲面。为了使DPM应用到临床放射治疗中,本文的研究工作主要涉及到医用电子直线加速器治疗头的模拟和基于CT数据的蒙特卡罗剂量计算以及该算法在预测均匀组织和非均匀组织中剂量的精确性。 直线加速器的构造因厂家、型号相异而不同,甚至同一型号设备因不同的安装和测量而不同,这都会导致电子束特征不同,最终影响到患者接受到的剂量分布。有必要模拟医用电子直线加速器治疗头,为精确的蒙特卡罗剂量计算奠定基础。本文采用BEAMnrc/EGSnrc系统对其进行模拟。 EGS4经加拿大国家研究中心(National Research Council of Canada, NRCC)改进,使其在医学物理领域有更大且更方便的应用。而后,NRCC和美国威斯康星大学(University of Wisconsin)联合开发的OMEGA(Ottawa Madison Electron Gamma Algorithm)以EGS4为基础,适用于放射治疗剂量计算的模拟软件BEAM/BEAMnrc。BEAM/BEAMnrc有丰富的独立模块化组件,可以模拟任意的放射治疗设备。EGSnrc是EGS4的升级版本,与EGS4相比,EGSnrc对低能粒子传输的模拟更精确。EGSnrc可运行在Window、Linux操作系统,不像其他程序只能运行在Linux系统,有良好的用户界面。 用BEAMnrc程序对医用电子直线加速器治疗头建模。BEAMnrc模拟输出的相位空间文件包括每个粒子的能量、位置和方向等9个参数。本文在相关文献的基础上,研究了入射电子的能量和径向强度分布对输出剂量的影响并寻找最接近剂量测量值对应的入射电子能量和径向强度分布。本文模拟的是Varian600C医用电子直线加速器治疗头6MV光子档、SSD=100cm、10cm×10cm照射野。确定入射电子能量和径向强度分布是一个迭代的过程:首先按照厂家给定的参数对加速器治疗头进行模拟,将模拟得到的百分深度剂量曲线和离轴比与测量值进行比较,如果百分深度剂量曲线或离轴比不在要求的范围内(差异大于2%),那么改变入射电子束能量,重新模拟直至百分深度剂量曲线达到要求。然后改变入射电子束的径向强度分布,比较离轴比,如果没能达到要求,那么调整能量重新模拟,一旦离轴比达到要求,再重新比较该能量对应的百分深度剂量曲线。重复上述过程直至百分深度剂量曲线和离轴比曲线都达到要求。 DPM1.1模拟粒子输运时需要体元的材料和密度,为剂量计算准备截面数据。通过CT值得到密度信息已经有许多资料进行过讨论,但是所得出的公式非常复杂,要考虑材料成分等因素。本文采用了一种比较简单的方法:根据经验,CT值与密度在一定范围内呈线性变化,因此,在知道某些CT值所对应的密度值后,利用线性插值的方法求得所需CT值对应的密度。为了与DOSXYZnrc结果比较,假定人体是由四种材料组成,即:0.001~0.043(近似空气)、0.043~0.302(近似肺组织)、0.302~1.101(近似人体软组织、脂肪)、1.101~2.088(近似人体骨骼)。 为了验证DPM1.1算法预测均匀组织和非均匀组织剂量分布的精确性,本文设计了一系列实验。实验采用的模体包括均匀水模体、水(6 cm)/肺(6 cm)/水(8cm)、水(6 cm)/骨骼(2 cm)/水(12 cm)、100张人体头部CT数据、60张人体腹部CT数据。入射源有DPM1.1自带的方形野照射源和相位空间文件源。相位空间文件是模拟加速器治疗头得到的,如上述。首先研究其格式,然后再在DPM1.1中添加读取该文件的代码。DPM1.1自带方形照射野大小有3 cm×3cm、6cm×6 cm、10cm×10cm,射束能量为6MV光子束。在相同情况下,将DPM1.1计算的与DOSXYZnrc/EGSnrc计算的百分深度剂量曲线和离轴比曲线比较,结果表明大部分点的误差都在±3%之内,证明DPM1.1可以精确计算均匀组织和非均匀组织的剂量,也间接验证了读取相位空间文件代码的正确性 本文的最后对工作中的遗留问题进行了说明,并对今后的工作进行展望。


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