空腔对剂量分布影响

1、TPS中空腔边缘剂量分布研究中空腔边缘剂量分布研究上海交通大学附属胸科医院徐志勇TPS剂量计算误差 在TPS的剂量计算中，数据都来源于均匀模体或标准水箱的测量结果，但真实人体具有非均匀性。 组织非均匀性对剂量分布的影响在某些情况下尤为重要。特别是人体中有些部位存在空腔，研究表明当光子射线穿过空腔时，由于在空腔边缘的电子不平衡，如被忽略会造大于的5误差。 ICRU24号报告中指出剂量5的变化就会引起无并发症的肿瘤控制率的显著改变。 为了达到这个要求，由剂量计算产生的误差不得大于3。 人体内的空腔人体内的空腔 鼻咽腔 空腔 食道 胃 肠 膀胱 等等背景背景 Martens等用直径为2的空腔模拟气管

2、，结果显示CCC在剂量重建区高估了剂量，对于101野最大达到54。 Tillikainen发现AAA在高能小野时计算肺等效模体边界时有限制。 Gray 等显示当用1010射野时，AAA计算比测量结果高出2.5。 大部分TPS中计算剂量的算法并没有考虑空腔边界处的电子不平衡。因此在计算剂量时计算值会比实际剂量高 。TPS剂量算法剂量算法 基于修正的剂量计算方法 基于修正的剂量计算方法是以参考条件下对标准野实验测量的深度剂量、离轴比、散射因子等为基础，加之必要修正后得到实际放射物理条件和放射治疗对象剂量分布的剂量计算方法。 基于模型的剂量计算方法 1）原射线散射线分离法 2）卷积/叠加法 3）蒙特

3、卡罗方法 卷积叠加算法是用核(Kernel)与原射线穿过人体组织时，产生的单位质量释放的总能量进行卷积叠加剂量计算，只是对核的称法有所不同。 卷积：积分时核对于空间保持不变，只是光子作用点和剂量计算点之间距离的函数。 叠代：由于加速器能谱空间分布不均和人体组织密度的不均匀，体表及其各器官轮廓的不规则、等效射线深度、射线质硬化等原因。实际上，沉积核空间分布不均匀，不仅是光子作用点和剂量计算点之间距离的函数，还是光子作用点本身的函数。卷积/叠代法 3DTKdrrr-rr 3,D rTKdrrr rr光子线的光子线的CCC算法和算法和AAA算法算法 CCC算法 CCC算法三维点核的叠加算法的一种，是

4、从卷积叠加方法发展而来的一种方法，卷积叠加算法较常用的笔形束剂量计算方法计算精度高，但计算速度相对较慢。CCC算法将空间离散化，划分为许多筒串，并采用筒串近似，假设穿过个体素的射线为光子与各体素初次作用后离散化的能量沉积方向，能量在各条射线上线性传递、衰减、沉积。因此可以提高计算速度。 AAA算法 AAA方法是一种考虑了电子转移的三维笔形束卷积叠加算法。此方法最早用在立体定向放疗手术方案上，用于计算小照野和高异质性区域的剂量分布。后延展到普通放疗。AAA方法主要包括两大部分，建立模型和实际剂量计算。 模特卡罗(MC)方法又称随机抽样技巧法，是以概率统计理论为基础，结合计算机模拟实验的一种算法。

5、 半个多世界前，随着计算机的出现和科学技术的发展，这种方法作为一个独立的算法被提出来，并首先在核武器的试验与研制中得到应用。 MC方法能够逼真地描述事物的特点以及辐射实验过程，从而成为一种解决剂量计算的非常有效的理论工具。蒙特卡罗算法蒙特卡罗方法定义蒙特卡罗方法定义 蒙特卡罗法又称随机抽样技巧法或统计试验法，在目前结构可靠度计算中，它被认为是一种相对精确算法。蒙特卡罗方法历史简介蒙特卡罗方法历史简介 最早的蒙特卡罗实验：16世纪，法国一位数学家，随机投硬币万余次，得到结论，正反面出现的几率为50； 二十世纪四十年代中期由于科学技术的发展和电子计算机的发明，蒙特卡罗在原子能事业上得到了应用而逐渐

6、推广； 二十世界九十年代开始，在放疗界开始应用。蒙特卡罗方法三个主要步骤蒙特卡罗方法三个主要步骤 构造或描述概率过程； 实现从已知概率分布抽样； 建立各种估计量。 其中，其中，V是是 N-dimension space的体积的体积,是是 “i”th 个抽样观测值，个抽样观测值，M 是抽样总数。是抽样总数。 ) 1 (.),.,(.21211122nnbababadxdxdxxxxfInn ) 2 (),.,.,(1121MimixxxMVIf),.,(21mixxxf 在数值算法中，等式（在数值算法中，等式（1）可以用来计算）可以用来计算N-dimension space 函数函数f(x1,

7、x2,.,xn )的积分值。的积分值。 解析算法解析算法MC 算法算法approximate When the sampling total comes near infinity , the standard deviation comes near zero. When the sampling total reaches 105, error of MC method will be less than 5%. )3(112112iMiiMixfxfMM The standard deviation of MC approximation can be calculated by the

8、 following expression:MC算法特点一般计算方法对于解决多维或因素复杂的问题非常困难，而蒙特卡罗方法对于解决这方面的问题却比较简单。其特点如下： 直接追踪粒子，物理思路清晰，易于理解。 采用随机抽样的方法，较真切的模拟粒子输运的过程，反映了统计涨落的规律。 不受系统多维、多因素等复杂性的限制，是解决复杂系统粒子输运问题的好方法。 MC程序结构清晰简单。 研究人员采用MC方法编写程序来解决粒子输运问题，比较容易得到自己想得到的任意中间结果，应用灵活性强。 MC方法主要弱点是收敛速度较慢和误差的概率性质，其概率误差正比于 ，如果单纯以增大抽样粒子个数N来减小误差，就要增加很大的

9、计算量。 目前是放疗界最好的算法，但终究是一个过渡算法。 冯*诺伊曼的忠告:“任何人如果相信计算机能够产生出真正的随机的数序组都是疯子。”。（1）美国佐治亚大学的费伦博格博士作出的一分报告证明了最普遍用以产生随机数串的计算机程序中有5个在用于一个简单的模拟磁性晶体中原子行为的数学模型时出现错误。（2）科学家们发现, 出现这些错误的根源在于这5个程序产生的数串其实并不随机, 它们实际上隐藏了一些相互关系和样式, 这一点只是在这种微小的非随机性歪曲了晶体模型的已知特性时才表露出来。 MC方法只是一个无限逼近的近似方法。MCMC代码代码目前使用主要的目前使用主要的MCMC代码程序代码程序 MCNP4

10、c EGSnrc GEANT4 DPM模糊优势线路法 EGSEGS软件包软件包 EGSnrc包括BEAMnrc、DOSXYZnrc、 STATDOSE、CTCREATE和BEAMDP等子程序，分别用于模拟加速器机头结构、计算体模或人体中剂量分布、分析剂量分布、病人CT图像向MC的转换和分析生成的相空间文件。 蒙特卡罗方法在放疗中的应用1725364光子俘获光子穿透光子散射中子穿透中子俘获裂变，产生光子中子散射，产生光子说明：. 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1入射中子计算模拟计算模拟图图2.10 2.10 一次计算过程示例一次计算过程示例photon4 : sample directio

11、n, energy, of new particles2 : sample distance to interaction23 : sample type of interaction31 : sample particle energy, direction, starting position, .1Scoring regionelectron研究内容、方法和设备研究内容、方法和设备 内容： PPD曲线和空腔边缘profile曲线 方法： AAA和CCC算法 EDR2胶片测量 EGSnrc计算 设备 Varian加速器和TPS 飞利浦TPS空腔模体设计空腔模体设计3030283（内含333

12、3空腔）3030283（内含2233空腔）3030293（内含3343空腔）与模体 一样，3030283，用骨组织代替空腔（=1.38/3）。蒙特卡罗方法的验证蒙特卡罗方法的验证MC模拟和测量误差在2证明了该模型的准确性。射野大小的影响射野大小的影响表射野大小分别为222，442和10102时中心轴上空腔下表面附近CCC和AAA与MC剂量计算的误差。射野大小（2）计算方法误差（）00.20.40.622CCC32.3715.873.300.68AAA116.3149.3316.716.6544CCC23.391.59-0.980.16AAA33.545.510.821.031010CCC7.4

13、62.06-0.29-1.23AAA8.572.30-0.59-1.11模体：3030283（内含3333空腔）射野大小的影响射野大小的影响射野大小的影响射野大小的影响能量的影响能量的影响表 射野能量为6MV和15MV时中心轴上空腔下表面附近CCC和AAA剂量计算的误差。能量计算方法误差（）00.20.40.60.86MVCCC23.391.59-0.980.16-0.22AAA33.545.510.821.030.2415MVCCC17.093.01-0.93-0.84-1.10AAA38.6116.937.835.563.78模体：3030283（内含3333空腔）能量的影响能量的影响能量的影响能量的影响空腔大小的影响空腔大小的影响空腔大小(3)计算方法误差（）00.20.40.60.81223CCC3.312.940.550.710.710.39AAA6.514.040.19-0.40-0.700