Varian2300C直线加速器6MV-X线的蒙特卡罗模拟--优秀毕业论文参考文献可复制黏贴.pdf

第2 5 卷第3 期 2 0 0 8 年9 月 原子核物理评论 n u c l e a rp h y s i c sr e v i e w v o l2 5 n o 3 s e p 2 0 0 8 文章编号 1 0 0 7 4 6 2 7 2 0 0 8 0 3 0 2 5 4 0 5 v a r i a n2 3 0 0 c 直线加速器6m v x 线的蒙特卡罗模拟 林辉1 吴东升2 李国丽3 景 佳h4 周金斌5 杨 铸5 1 合肥工业大学理学院 安徽合肥2 3 0 0 0 9 2 合肥工业大学科研处 安徽合肥2 3 0 0 0 9 3 浙江工业大学信息工程学院 浙江杭州3 1 0 0 1 4 4 中国科学院等离子体物理研究所 安徽合肥2 3 0 0 3 15 5 合肥工业大学电气与自动化工程学院 安徽合肥2 3 0 0 0 9 摘要 利用先进的蒙特卡罗治疗头模拟程序b e a m n r c 依据商家提供的详细设计资料 集成多 项优化模拟参数 对医用直线加速器射线束传输部分进行了模拟 获得与测量数据一致的模拟结 果 对复杂多叶光栏模型进行了建模 模拟了非规则野的剂量分布 以用于后续研究工作 关键词 蒙特卡罗 直线加速器 参数模拟 机头数据 中图分类号 r 7 3 0 5 5文献标识码 a 1引言 x 射线是由高速运动的电子撞击重金属靶发生 韧致辐射而产生的 医用电子直线加速器是产生高 能x 射线 2 5 0m v 的重要设备 2 0 世纪6 0 年 代中期以后 放射治疗开始进入直线加速器时代 我国首台医用1 0m v 直线加速器于1 9 7 8 年诞 生 目前市场上商售的医用直线加速器主要有3 种 类型 低能单光子 4 6m v 直线加速器 中能单 光子 6m v 带电子束直线加速器 高能双光子线 带多档电子线直线加速器 临床表明 约8 0 的深 部肿瘤 6m v x 射线即可满足 因此6m v x 射 线低能直线加速器仍将是今后肿瘤放疗的主流机 器 而对于较深部位 如腹部 肿瘤 仍然需要高能 x 射线 如1 6 1 8m v 蒙特卡罗方法是一种随机算法 它通过建立求 解问题的概率模型 使模型参数等于问题的解 然 后通过对模型的抽样试验计算参数的统计特征 给 出所求解的近似值 对那些用纯数学方法处理太复 杂或太困难的问题 如粒子在介质中输运的复杂物 理过程 蒙特卡罗方法往往是最简便易行的近似 收稿日期 基金项目 作者简介 计算方法 2 目前多种通用蒙特卡罗程序已具备了 全面模拟放射治疗源及模体内粒子输运的能力 特 别是准确而完整的加速器蒙特卡罗模拟 客观体现 了加速器的几何及材料特征 可获得相当准确的计 算结果 与实验测量的偏差小于2 3 医用直线加速器的构造依不同的厂家和型号而 不同 但主要的部件大同小异h 以电子直线加速 器为例 经电场加速后产生的高能电子束 以类笔 形束的形式出射 打靶后产生散开的韧致光子 经 一级准直器准直后 再经均整器进行均整 以获得 野内的均匀通量分布 此外 一般还有监测电离室 对照射束的对称性和输出量进行监测 可移动的二 级准直器 j a w s x y 和多叶光栏 m u l t i l e a fc o l l i m a t o r s 简称m l c 控制照射野的大小和形状 b e a m 程序是1 9 9 5 年加拿大国家研究委员会 和美国威斯康星州大学的r o c km a c k i e 工作组联 合开发的 专为放射加速器模拟所设计 5 b e a m n r c 是它的改进版本 b e a m n r c b e a m 备有丰富 的独立模块化组件 c o m p o n e n tm o d u l e s 简称 c m s 可针对医用直线加速器射线束传输部分的 不同部件进行选取描述 例如 c o n s 3 r 可用于描 2 0 0 7 1 0 0 6 修改日期 2 0 0 7 1 2 0 3 国家重点基础研究发展规划 9 7 3 资助项目 2 0 0 6 c b 7 0 8 3 0 7 l 合肥工业大学校科学研究发展基金资助项目 0 7 1 0 0 2 f 合肥工业大学博士学位专项基金资助项目 林辉 1 9 7 3 一 女 汉族 安徽阜阳人 博士 副教授 从事精确放疗关键技术中的剂量计算方法研究 e m a i l l i n h l 9 7 3 s i n a c o r n 万方数据 第3 期林辉等 v a r i a n2 3 0 0 c 直线加速器6m v x 线的蒙特卡罗模拟 述一级准直器 c h a m b e r 可用于描述监测电离 室 j a w s 可用于描述二级准直器 a p p l i c a t 可 用于描述电子限制器 m l c 可用于描述多叶光栏 等 b e a m n r c b e a m 可模拟从源到模体之间的粒 子输运过程 获得记录粒子输运信息的相空间文件 p h a s es p a c ef i l e 简称p s f 用于下一步模拟 本工作依据测量数据和文献资料 3 9 使用 b e a m n r c 程序对v a r i a n2 3 0 0 c 直线加速器的6 m v x 线进行了建模模拟 v a r i a n2 3 0 0 c 直线加速 器可产生6 和1 8m v 两档x 射线以及6 9 1 2 1 5 1 8 和2 0m e v6 档电子线 其中模体内的剂量 计算采用了e g s n r c d o s x y z n r c 程序模拟 对医用直线加速器的准确模拟 是现代精确放 射治疗计划系统中剂量计算模块的必然要求 1 引 前 期工作主要基于多种蒙特卡罗程序对模体内的剂量 计算准确性与适用性 如何优化模拟参数 提高模 拟速度等方面进行了模拟研究c 1 1 1 2 而本工作从 粒子输运过程的完整性出发 建立了复杂医用直线 加速器射线束传输部分模型 以便为本工作组正在 发展的 精确放射治疗计划系统 a c c u r a t er a d i o t h e r a p ys y s t e m 简称a r t s e 1 0 的剂量计算模块 的后续工作打下基础 2 材料与方法 医用直线加速器射线束传输部分模型包含的主 要部件见图1 整个模拟分3 步进行 1 从靶到二 级准直器上表面之间 为加速器的固定不变部分 此部分模拟可一步完成 获得第1 个相空间文件 2 从二级准直器到水模上表面之间 为加速器的 照射野可调节部分 它们依据病人的照射野不同而 不同 此步模拟获得位于水模上表面的第2 个相空 间文件 3 以上两步由b e a m n r c 程序完成 水模 内剂量分布计算 采用了d o s x y z n r c 程序进行 医用直线加速器射线柬传输部分具体模拟为 入射电子束采用高斯径向分布f w h m f u l lw i d t h o fh a l fm a x i m u m 为1m m 的圆形电子平行 束 7 9 使用s l a b s 模件描述靶 c o n s 3 r 模件 描述了一级准直器 f 1 a t f i l t 模件描述均整器 c h a m b e r 模件描述了监测电离室 m i r r o r 模 件描述了灯光野镜 j a w s 模件描述了可移动二级 准直器 v a r m l c 模件描述了多叶光栏 为加速 模拟 使用了电子射程拒绝 1m e v 和选择轫致辐 射分裂等技巧 e l e c t r o np e n c i lb e a m t a r g e t l 蹦唧训砒 rl v a o u u l qw i n d o w 一 f l a t t e n i n gf i l t e r i o n c h a t m b l e c r 一 图1 模拟的v a r i a n2 3 0 0 c 直线加速器射线束传输部分模型 目前由于仅有由二级准直器调节得到的1 0c m 1 0c m 野 s s d 1 0 0c m 的测量数据 所以首先 对此种野进行了模拟 并与实验数据进行了对比 其中百分深度剂量计算 是在第2 步模拟中利用 c h a m b e r 模块实现 此模块具有丰富的方差减 小技巧 中心体元为圆柱体 且两步模拟也方便对 入射电子束初始能量的调节 中心体元半径为2 c m 厚度采取了非均匀划分 即前5a m 各为0 2 c m 中间5c m 各为0 5c m 后1 5c m 各为1 0a m 百分离轴剂量 0 i f a x i sr a t i o 简称0 a r 计 算采用e g s n r c 用户子程序d o z x y z n r c 进行 网 格大小为0 4c m 0 5c m 0 4c m 与测量数据分 别比较了1 5 5 1 0 和2 0c m 深度的百分离轴剂 量 模拟数据采用了上下两层数据平均的方法获 得 例如 1 5a m 深度的o a r 实际上是z 1 o 一1 5c m 和z 1 5 2 0a m 两层数据的平均 值 1 0c m 深度的0 a r 实际上是z 9 5 1 0c m 和z 1 0 1 0 5a m 两层数据的平均值 m l c 是形成不规则野的重要辅助设备 本模 拟利用v a r m l c 模件对m i l l e n n i u m1 2 0 叶片 m l c 进行了模拟 m i l l e n n i u mm l c 共有8 0 个内 叶片和4 0 个外叶片组成 它们在等中心面上的投 影分别为0 5 和1c m 厚度分别为6 5 和6 7c m 限于v a r m l c 模件描述叶片形状 尺寸必须相同 的要求 本模拟将1 2 0 个 6 0 对 叶片进行了统一描 述 厚度取内叶片的6 5c m 叶片间隔取0 0 0 57 a m 1 引 模拟了一不规则野 见图2 在1 5c m 深度 的剂量分布 剂量计算网格划分为0 2c m 0 2c m 0 5a m 万方数据 原子核物理评论第2 5 卷 整个模拟均采用接续运行模式 直到相空间文 件达1 5 2 5g b 大小 或剂量点统计不确定性小 于2 图2b e a m n r c 显示的由m l c 叶片形成的不规则野 3模拟结果 通过对模拟与测量的百分深度剂量曲线对比 发现基于此模型假设入射电子柬能量为6 7m e v 即可满足精度要求 最大剂量点相差小于2 4 见图3 计算方法 p d d 枢对差异一兰 三旦专8 兰斧x 1 0 0 1 由图3 b 可见 除面剂量区域外 模拟与测量 值的p d d 曲线符合较好 而关于模拟与测量的 p d d 曲线的面剂量差异 已被广泛报道 7 9 限于 c h a m b e r 模块组件内设参数的要求 模拟网格 采用了非均匀划分 而测量点是均匀分布的 因此 为便于比较 对模拟结果进行了插值处理 部分增 大了两者的差异 此外 为避免模体表面的污染电 子影响 归一化点选在中心轴上1 0c m 深度 图4 a 给出了1 0c m 1 0c m4 个深度的 o a r 离轴剂量曲线归一到1 0c m 深度离轴剂量曲 线的中心点处 归一点处为1 0 0 其中野内区域 的统计不确定性小于2 图4 b 给出了4 个深度 的o a r 相对差异 计算方法同p d d 可见 在野 内区域两者差异约为2 一3 但是在半影区及野 外两者存在2 0 一4 0 的差异 反映了模型仍存在 改进的余地 同样 为便于与测量数据对比 而对 模拟结果进行的插值处理 也部分增大了两者的差 异 熏 吝 盆 喜2 0 0 2 0 0 一 图4 模拟与测量的离轴剂量曲线 a 与相对差异 b 的比较 通过模拟与测量的p d d 曲线与o a r 曲线的 对比 保证了模拟建模的可靠性 图5 a 给出了一不规则野1 5a m 深度的剂量 万方数据 第3 期林辉等 v a r i a n2 3 0 0 c 直线加速器6m v x 线的蒙特卡罗模拟 分布 图5 b 给出了1 5c m 深度的等剂量线分布 图中的曲线来自于原始计算数据 没有经过平滑 滤波处理 因此不是很整齐 图5 a 中也显现出了 闭合的成对叶片端面间的漏射效应 图5 不规则野的剂量分布 a 与等剂量线分布 b z y 方向 平面上 表示了空间位置 单位为a m z 方向表示剂量 单位为g y 4 讨论与结论 本工作基于蒙特卡罗程序b e a m n r c 对v a r i a n 2 3 0 0 c 直线加速器6m v x 线进行了模拟 与测量 数据进行了对比 并对复杂m l c 模型进行了建模 模拟了非规则野的剂量分布 为后续研究工作打下 基础 1 州 医用加速器模型建模是一个非常耗时耗力的工 作 需要反复调试多种参数 才能获得满意的结果 加速器的束流特征对各个组件的几何形状 材料组 成及空间位置等都特别敏感 因此对医用直线加速 器的模拟必须需要商家提供详细的模型资料 此外 在做模拟结果与测量数据的校验工作时 还需要注意以下几点 3 7 9 1 要通过相空间文件 计算的p d d 曲线与测量的p d d 曲线的反复比较 得到合理的单能入射电子束的实际能量 2 通过 计算的0 a r 曲线与测量的若干深度o a r 曲线的 反复比较 对单能入射电子束的径向分布及束约束 设备 如二级准直器 多叶光栏等 开口进行微调 获得合理的离轴剂量分布 3 由于相空间文件中 记录有效粒子的效率随束约束设备开口的减小迅速 下降 所以如果测量条件许可的话 可尽量采用大 野测量数据对模拟结果进行校验 以有效缩短时 间 4 由于测量工具与模拟程序的不同 模拟结果 与测量数据的比较 一般是比较相对剂量 这时归 一化点的选取非常重要 最好的归一化点应为中心 轴上1 0c m 深度处 也可以选在最大剂量点处 以 有效避开污染粒子剂量的影响 5 要得到好的比 较效果 蒙特卡罗模拟结果在下降部分的误差应小 于1 6 如果模拟结果与测量数据的差别在2 之内 就比较理想了 再小的误差也没有多大意义 因为测量本身也存在误差 此外 准确的测量结果 对校验工作也是至关重要的 致谢感谢美国瓦里安公司总部提供了各项加速器 机头参数数据 使本模拟工作得以实现 感谢瓦里 安公司上海代表处高级技术应用专家龚卿先生协助 获得数据 参考文献 r e f e r e n c e s 1 3 h uy i m i n z h a n gh o n g z h i d a ij i a n r o n g r a d i a t i o no n c o l o g y p h y s i c s b e i j i n g a t o m i ce n e r g yp r e s s 1 9 9 9 1 1 4 i nc h i n e s e 胡逸民 张红志 戴建荣 肿瘤放射物理学 北京 原子能出 版社 1 9 9 9 1 1 4 2 w e n gx u e j u n s t u d y i n gm o n t ec a r l od o s ec a l c u l a t i o nm e t h o d i nr a d i o t h e r a p y n a n j i n g d o c t o r a ld i s s e r t a t i o no fs o u t h e a s t u n i v e r s i t y 2 0 0 3 1 1 i nc h i n e s e 翁学军 放射治疗剂量计算的蒙特卡罗方法研究 南京 东 南大学博士学位论文 2 0 0 3 1 1 3 s h e i k h b a g h e r id r o g e r sdwo s e u n t j e n sjp m e dp h y s 2 0 0 0 2 7 22 5 6 4 v e r h a e g e nf s e u n t j e n sj p h y sm e db i o l 2 0 0 3 4 8 r 1 0 7 e 5 r o g e r s d w o f a d d e g o nb a d i n g g x e ta 1 m e dp h y s 1 9 9 5 2 2 5 0 3 6 3 v a r i a nm o n t ec a r l op r o j e c t v a r i a nc o m p a n y p a l oa l t o c a l i f o r n i a u s a 1 9 9 9 4 7 s i e b e r sjv k e a l lpj l i b b yb e t a l p h y sm e db i o l 1 9 9 9 4 4 30 0 9 8 a s g h a rm m i c h a e lf m a h m o u da e ta 1 a p p l i e dr a d i a t i o n a n di s o t o p e s 2 0 0 5 6 2 4 6 9 9 d e n gj j i a n gsb k a p u ra e t a l p h y sm e db i o l 2 0 0 0 4 5 4 1 1 1 0 w uy i c a n l ig u o l i t a os h e n g x i a n g e ta 1 c h i n e s ej o u r n a l o fm e d i c a lp h y s i c s 2 0 0 5 2 2 6 6 8 3 i nc h i n e s e 吴宜灿 李国丽 陶声祥等 中国医学物理学杂志 2 0 0 5 2 2 万方数据 2 5 8 原子核物理评论第2 5 卷 6 6 8 3 1 1 l i nh u i s o n gg a n g z h a op a n e ta 1 c h i njr a d i o lm e d p r o t 2 0 0 7 2 7 5 4 7 3 i nc h i n e s e 林辉 宋钢 赵攀等 中华放射医学与防护杂志 2 0 0 7 2 7 5 4 7 3 1 2 l i nh x ul i a n g f e n g x uy u a n y i n g e ta 1 n u c l e a rp h y s i c s r e v i e w 2 0 0 7 2 4 4 2 9 9 i nc h i n e s e 林辉 许良凤 徐元英等 原子核物理评论 2 0 0 7 2 4 4 2 9 9 i t s h e a t he m i l y s e u n t i e n sj a n p h y sm e db i o l 2 0 0 3 4 8 40 4 5 s i m u l a t i n gv a r i a n2 3 0 0 c6m v xb e a mb ym o n t ec a r l oc o d e l i nh u i l w ud o n g s h e n 9 2 l ig u o l i 3 1s c h o o lo fs c i e n c e h e f e iu n i v e r s i t y j i n gj i a l z h o uj i n b i n 9 5 y a n gz h u 5 o ft e c h n o l o g y h e f e i2 3 0 0 0 9 c h i n a 2r e s e a r c ha n da d m i n i s t r a t i o nd e p a r t m e n t h p f e iu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y h e f e i2 3 0 0 0 9 c h i n a 3s c h o o lo fi n 0 r m a t i o ne n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y h a n g z h o u3 1 0 0 1 4 c h i n a 4i n s t i t u t eo fp l a s m ap h y s i c s c h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e st h e f e i2 3 0 0 3 1 c h i n a 5s c h o o lo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n ga n da u t o m a t i o n h e f e iu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y h e f e i2 3 0 0 0 9 c h i n a a b s t r a c t b a s e do nt h ed e t a i lh e a ds t r u c t u r ed e s i g n i n gp r o v i d e db yt h em a n u f a c t u r e t h er a yt r a n s m i s s i o n o fv a r i a nc l i n i c2 3 0 0 c6m v xb e a mw a ss i m u l a t e db ym o n t ec a r l oc o d e b e a m n r c t oa c c e l e r a t et h e s i m u l a t i o ne f f i c i e n c y m u l t i p l eo p t i m i z e dp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d t h es i m u l a t e da n dt h em e a s u r e dd a t a w e r ew e l lc o i n c i d e n t t h ed o s ed i s t r i b u t i o no fac o m p l i c a t e di r r e g u l a rf i e l df o r m e db ym l c m u l t i l e a f c o l l i m a t o r s w a ss i m u l a t e d w h i c ha r et h eb a s ef o rf u r t h e rr e s e a r c hw o r k k e yw o r d s m o n t ec a r l o l i n e a ra c c e l e r a t o r s i m u l a t i o np a r a m e t e r l i n a cu n i td a t a r e c e i v e dd a t e 6j u l 2 0 0 7 r e v i s e dd a t e 3d e c 2 0 0 7 f o u n d a t i o ni t e m m a j o rs t a t e b a s i cr e s e a r c hd e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a 2 0 0 6 c b 7 0 8 3 0 7 s c i e n c er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t f u n do fh e f e iu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y 0 7 1 0 0 2 f d o c t o r a ls p e c i a ls u s t e n t a t i o nf u n do fh e f e iu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y 1 e m a i l l i n h l 9 7 3 s i n a c o r n 万方数据 varian 2300c 直线加速器6 mv x线的蒙特卡罗模拟varian 2300c 直线加速器6 mv x线的蒙特卡罗模拟 作者 林辉 吴东升 李国丽 景佳 周金斌 杨铸 lin hui wu dong sheng li guo li jing jia zhou jin bing yang zhu 作者单位 林辉 lin hui 合肥工业大学理学院 安徽 合肥 230009 吴东升 wu dong sheng 合肥工 业大学科研处 安徽 合肥 230009 李国丽 li guo li 浙江工业大学信息工程学院 浙江 杭州 310014 景佳 jing jia 合肥工业大学理学院 安徽 合肥 230009 中国科学院等离 子体物理研究所 安徽 合肥 230031 周金斌 杨铸 zhou jin bing yang zhu 合肥工业大 学电气与自动化工程学院 安徽 合肥 230009 刊名 原子核物理评论 英文刊名 nuclear physics review 年 卷 期 2008 25 3 被引用次数 1次 参考文献 13条 参考文献 13条 1 胡逸民 张红志 戴建荣 肿瘤放射物理学 1999 2 翁学军 放射治疗剂量计算的蒙特卡罗方法研究 学位论文 2003 3 sheikh bagheri d rogers d w o seuntjens j p comparison of measured and monte carlo calculated dose distributions from the nrc linac 外文期刊 2000 10 4 verhaegen f seuntjens j 查看详情 2003 5 rogers d w o faddegon b a ding g x 查看详情 外文期刊 1995 6 varian monte carlo proj