瓦里安擴(kuò)充型動(dòng)態(tài)楔形板的蒙特卡羅模擬與驗(yàn)證

戴振暉 招什武 楊耕 朱琳 張白霖 朱遠(yuǎn)湖 靳懷志 王學(xué)濤 張煜

?

瓦里安擴(kuò)充型動(dòng)態(tài)楔形板的蒙特卡羅模擬與驗(yàn)證

戴振暉1招什武1楊耕1朱琳1張白霖1朱遠(yuǎn)湖1靳懷志1王學(xué)濤1張煜2

1（廣東省中醫(yī)院 廣州 510006）2（南方醫(yī)科大學(xué) 廣州510515）

基于蒙特卡羅方法模擬Varian直線加速器擴(kuò)充型動(dòng)態(tài)楔形板，建立動(dòng)態(tài)楔形板的質(zhì)量保證新工具。使用BEAMnrc的DYNJAWS組件模擬動(dòng)態(tài)楔形板，建立加速器源模型，用DOSXYZnrc程序計(jì)算體模內(nèi)的深度劑量和離軸劑量，獲得不同角度楔形板的楔形因子和離軸劑量分布曲線，與相同條件的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證動(dòng)態(tài)楔形板模型的精確性。蒙特卡羅模擬結(jié)果與測(cè)量結(jié)果取得了很好的一致，偏差小于2%。表明使用蒙特卡羅程序建立擴(kuò)充型動(dòng)態(tài)楔形板模型是可行的，能夠滿足臨床應(yīng)用的質(zhì)量保證需要。

擴(kuò)充型動(dòng)態(tài)楔形板，蒙特卡羅模擬

放療計(jì)劃設(shè)計(jì)過程中由于患者體表彎曲導(dǎo)致劑量分布不均勻，這種情況通常需要利用楔形板對(duì)射線束進(jìn)行修整，以獲得劑量均勻分布。擴(kuò)充型動(dòng)態(tài)楔形板(Enhanced Dynamic Wedge, EDW)不但具有傳統(tǒng)固定楔形板的功能，更具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，EDW能夠提高靶區(qū)劑量的均勻性，同時(shí)降低正常組織的受照劑量，大大減少照射時(shí)間和跳數(shù)，提高工作效率[1]。EDW射野產(chǎn)生的劑量分布精度關(guān)系到病人的療效，需要進(jìn)行專門的質(zhì)量保證[2]，目前大部分放療單位使用Matrixx二維電離室矩陣進(jìn)行動(dòng)態(tài)楔形板質(zhì)量保證[3]，本研究使用蒙特卡羅方法模擬瓦里安23EX直線加速器的EDW，首先采用BEAMnrc程序中的組件模塊DYNJAWS來模擬EDW，生成EDW源模型，然后用DOSXYZnrc程序計(jì)算體模內(nèi)劑量，并結(jié)合相同條件下實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果分析楔形因子和離軸劑量分布曲線，對(duì)EDW模型進(jìn)行驗(yàn)證，開發(fā)一個(gè)獨(dú)立的EDW質(zhì)量保證工具。

1 方法

1.1 EDW工作原理

EDW是通過加速器獨(dú)立準(zhǔn)直器運(yùn)動(dòng)和劑量率變化來實(shí)現(xiàn)特定劑量分布。瓦里安系統(tǒng)為每一檔能量的光子提供一套 60°動(dòng)態(tài)楔形板的Golden STT (Segmented Treatment Table)表，即最大野的加速器輸出跳數(shù)(Monitor Unit, MU)對(duì)應(yīng)準(zhǔn)直器運(yùn)動(dòng)擋塊位置的分配表。治療過程中STT表控制準(zhǔn)直器移動(dòng)速度和劑量率，生成相應(yīng)楔形角的EDW，用戶設(shè)定照射野大小和楔形角度后，系統(tǒng)從已存儲(chǔ)的Golden STT表中截取相應(yīng)的一段數(shù)據(jù)，用它和相應(yīng)開野按一定比例合成所需角度的楔形野，最后結(jié)合所給加速器MU數(shù)生成治療用的STT表[4]。準(zhǔn)直器運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系統(tǒng)中靜止準(zhǔn)直器一邊為正，準(zhǔn)直器運(yùn)動(dòng)范圍為?20?9.5 cm，運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)直器最后位置距離靜止準(zhǔn)直器0.5 cm。

1.2 蒙特卡羅建模

使用BEAMnrc模擬Varian23EX加速器6 MV光子束在二級(jí)準(zhǔn)直器上方生成相空間平面[5]，該相空間平面作為EDW模擬的輸入源[6]，使用BEAMnrc程序中的組件模塊DYNJAWS模擬EDW，在之前的研究中Kakakhel等[7]基于BEAMnrc程序模擬EDW，實(shí)現(xiàn)了EDW輸入文件的自動(dòng)化，探討了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種模式的優(yōu)劣。本研究直接使用更加精確的動(dòng)態(tài)模式模擬EDW，在BEAMnrc模擬過程中需要讀取包含EDW信息的輸入文件。輸入文件包括子野數(shù)量、子野概率、準(zhǔn)直器坐標(biāo)、-distance。準(zhǔn)直器的坐標(biāo)：前表面正坐標(biāo)值(Front positive, FP)、后表面正坐標(biāo)值(Back positive, BP)、前表面負(fù)坐標(biāo)值(Front negative, FN)、后表面負(fù)坐標(biāo)值(Back negative, BN)，準(zhǔn)直器固定。-distance包括-min和-max，-min表示源到準(zhǔn)直器前表面的距離；-max表示源到準(zhǔn)直器后表面的距離，如圖1所示。

圖1 DYNJAWS坐標(biāo)

子野概率用變量index描述，1是0?1之間生成的隨機(jī)數(shù)，如果index(?1)<1≤index()，則使用第個(gè)子野。動(dòng)態(tài)模式中在第個(gè)和?1個(gè)子野之間進(jìn)行插值，表達(dá)連續(xù)的準(zhǔn)直器運(yùn)動(dòng)。選擇一個(gè)子野的概率是基于STT表計(jì)算得到，STT表定義了準(zhǔn)直器的位置和對(duì)應(yīng)的劑量，根據(jù)能量、楔形角和射野大小截取相關(guān)的STT表，從機(jī)器dynalog file中讀取準(zhǔn)直器位置，與STT表中準(zhǔn)直器的位置進(jìn)行比較，如果匹配則使用STT表中的劑量值作為選擇子野的概率；如果不匹配，則執(zhí)行插值，確定當(dāng)前子野的概率。在DYNJAWS模塊中讀取包含準(zhǔn)直器信息的SEQUENCE文件，完成不同角度的EDW的蒙卡建模[8]。

BEAMnrc模擬含EDW的加速器機(jī)頭生成的相空間平面距離源44.5 cm，該相空間文件作為DosXYZnrc的輸入源文件，在DosXYZnrc程序的源選項(xiàng)中設(shè)置源到等中心距離(Distance from source to isocenter)：55.5cm，最終源到體模表面的距離(Source Skin Distance, SSD)為100 cm。為提高計(jì)算效率，在BEAMnrc中設(shè)置電子截止能量CUT= 0.70MeV，光子截止能量CUT=0.01 MeV，電子射程截?cái)嗄芰縎AVE=2.0 MeV，采用方向韌致輻射分裂(Directional Bremsstrahlung Splitting, DBS)方差減少技術(shù)，軔致輻射粒子分裂數(shù)BRSPL=1000，分裂野半徑30 cm，在DOSXYZnrc中設(shè)置s=40。BEAMnrc模擬粒子數(shù)：5×108，DosXYZnrc模擬粒子數(shù)：5×108；劑量計(jì)算體模規(guī)格：30 cm×30 cm× 20cm；單一體素大?。?.2 cm×0.2 cm×0.2 cm。通過DosXYZnrc計(jì)算體模內(nèi)的劑量，進(jìn)而計(jì)算不同大小對(duì)稱射野和非對(duì)稱射野的楔形因子，獲得10cm×10cm、20cm×20 cm射野，SSD 100 cm，水下10 cm處4個(gè)不同楔形角度的離軸劑量分布曲線和30°楔形角不同深度的離軸劑量分布曲線。

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

楔形因子是在相同位置，照射相同跳數(shù)，加和不加楔形板時(shí)射野中心軸上某一點(diǎn)劑量之比。楔形因子的測(cè)量條件：能量6 MV，SSD 100 cm。測(cè)量位置：射野中心軸水下10 cm處，測(cè)量對(duì)稱射野5cm×5 cm到20 cm×20 cm加EDW和不加EDW的劑量。測(cè)量過程使用FC65指型電離室，用Dose1劑量?jī)x接收測(cè)量數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)楔形板選擇1-IN方 向[9]，電離室長(zhǎng)軸垂直于楔形方向和射野中心軸[10]。非對(duì)稱射野設(shè)計(jì)：在楔形方向2固定于10 cm位置，1為0?20 cm，非楔形方向1：10 cm、2：10 cm，測(cè)量點(diǎn)位于射野的幾何中心0，0與1的位置關(guān)系如表1所示。

表1 準(zhǔn)直器位置與射野中心的關(guān)系

離軸Profiles測(cè)量條件：能量6 MV、SSD 100cm。射野大小：10 cm×10 cm、20 cm×20 cm，固體水下10 cm，動(dòng)態(tài)楔形板選擇2-OUT方向，用德國(guó)IBA (Ion Beam Applications)公司的Matrixx二維電離室矩陣（1020個(gè)電離室，電離室高：0.5 cm，直徑：0.45 cm，0.08 cm3的靈敏體積）測(cè)量不同楔形角的離軸劑量分布[11?12]。

2 結(jié)果

2.1 對(duì)稱射野的楔形因子

對(duì)稱射野的楔形因子如圖2所示，楔形因子隨著射野大小增大而減小，10°?30°楔形板的楔形因子隨著射野增大楔形因子減小的幅度較大，45°和60°楔形板的楔形因子隨著射野增大楔形因子減小的幅度較小，5 cm×5 cm射野的楔形因子蒙特卡羅模擬值普遍大于測(cè)量值，模擬值與測(cè)量值平均偏差小于1%。

圖2 對(duì)稱射野的楔形因子

2.2 非對(duì)稱射野的楔形因子

非對(duì)稱射野的楔形因子如圖3所示，非對(duì)稱射野的測(cè)量點(diǎn)位于射野幾何中心0，根據(jù)表1準(zhǔn)直器1在坐標(biāo)原點(diǎn)處，對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)0位于軸的5 cm處，非對(duì)稱射野的楔形因子隨著1準(zhǔn)直器的增大而減小，并且減小的幅度變小，模擬值與測(cè)量值平均偏差小于1%。

圖3 非對(duì)稱射野的楔形因子

2.3 離軸劑量分布曲線

對(duì)比10 cm×10 cm、20 cm×20 cm的射野在水下10 cm處10°、25°、45°、60°楔形角的離軸劑量分布曲線，結(jié)果如圖4所示，模擬值和測(cè)量值取得了很好的一致，偏差小于2%，在高劑量區(qū)模擬值微低于測(cè)量值。相對(duì)劑量曲線以射野中心點(diǎn)的劑量歸一，其中蒙特卡羅劑量計(jì)算的誤差小于1%。

圖4 不同角度EDW離軸劑量分布曲線 (a) 10 cm×10 cm，(b) 20 cm×20 cm

對(duì)比10 cm×10 cm、20 cm×20 cm的射野在最大劑量深度(max)和10 cm深度處30°EDW的離軸劑量分布曲線結(jié)果如圖5所示，模擬值和測(cè)量值取得了很好的一致，偏差小于2%。相對(duì)劑量曲線以最大劑量深度射野中心點(diǎn)的劑量歸一，蒙特卡羅劑量計(jì)算的誤差小于1%。其中20 cm×20 cm射野的離軸劑量曲線在?10 ? 0區(qū)間內(nèi)劑量下降梯度較大，在0?10區(qū)間內(nèi)劑量下降梯度較小。

圖5 30°EDW在不同深度的離軸劑量分布曲線 (a) 10 cm×10 cm，(b) 20 cm×20 cm

3 討論

本研究在BEAMnrc程序中使用DYNJAWS組件模塊模擬EDW，生成EDW源模型，使用DOSXYZnrc程序計(jì)算體模內(nèi)劑量，進(jìn)而計(jì)算楔形因子，獲得離軸劑量分布。設(shè)計(jì)幾種驗(yàn)證方法，用相同條件的測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證EDW模型，模擬值與測(cè)量值取得了較好的一致。由于動(dòng)態(tài)楔形野各點(diǎn)的劑量由STT表決定，而且計(jì)算方程也是直接利用擋塊位置參數(shù)，所以測(cè)量均在等中心平面進(jìn)行，便于保證測(cè)量點(diǎn)與計(jì)算點(diǎn)一致。對(duì)比蒙特卡羅模擬和測(cè)量的楔形因子，相同角度的動(dòng)態(tài)楔形板，楔形因子隨射野邊長(zhǎng)的增加平滑減小，且隨楔形角的增大這種減小更明顯，這主要?dú)w因于動(dòng)態(tài)楔形野的形成機(jī)制，動(dòng)態(tài)楔形板是利用加速器獨(dú)立準(zhǔn)直器運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)過程劑量率的變化來實(shí)現(xiàn)楔形劑量分布，對(duì)于某一角度楔形野先開野照射一定跳數(shù)，然后準(zhǔn)直器逐漸關(guān)閉形成楔形效果，當(dāng)射野增大時(shí)必然會(huì)在楔形野關(guān)閉方向形成較高劑量，相應(yīng)射野中心軸上的累積劑量會(huì)降低，從而導(dǎo)致射野中心軸上楔形因子減小。對(duì)于小的照射野，蒙特卡羅模擬的楔形因子大于測(cè)量的楔形因子，這主要由于電離室測(cè)量存在誤差，在小野測(cè)量時(shí)電離室本身的影響就更加明顯[13]。相同射野時(shí)大楔形角EDW的離軸劑量分布曲線顯示蒙特卡羅模擬結(jié)果與測(cè)量結(jié)果偏差較大，尤其在高劑量區(qū)蒙特卡羅模擬結(jié)果普遍小于測(cè)量結(jié)果，由于楔形劑量分布是通過準(zhǔn)直器不斷關(guān)閉生成的，在高劑量區(qū)照射野變小，二維電離室矩陣對(duì)于小照射野的測(cè)量同樣存在誤差。相同楔形角大照射野的EDW離軸劑量分布曲線顯示蒙特卡羅模擬結(jié)果與測(cè)量結(jié)果偏差較大，這很可能因?yàn)樵诖笳丈湟吧尚ㄐ谓菚r(shí)準(zhǔn)直器步進(jìn)幅度變大，Matrixx內(nèi)部單個(gè)電離室的直徑是0.45 cm，電離室測(cè)量時(shí)取體積平均值，不同電離室之間采用了插值，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果誤差變大，而蒙特卡羅模擬過程取單一體素的劑量值，模擬過程體素大小與測(cè)量電離室大小不同，分辨率的差異會(huì)導(dǎo)致模擬值與測(cè)量值產(chǎn)生偏差，并且相應(yīng)楔形角度的STT表生成精確度對(duì)EDW的模擬精度也會(huì)產(chǎn)生影響。

EDW在日常計(jì)劃設(shè)計(jì)過程中可以用來修正劑量分布，提高放療的效率，但需要定期執(zhí)行(Quality Assurance, QA)[14]，對(duì)比蒙特卡羅模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的楔形因子和離軸劑量分布曲線，二者偏差小于2%，說明本文構(gòu)建的EDW蒙特卡羅模型是可靠的，為后續(xù)EDW放療計(jì)劃的蒙特卡羅驗(yàn)證提供了基礎(chǔ)，可以作為獨(dú)立的EDW的QA工具。

1 Koken P W, Heukelom S, Cuijpers J P,. On the practice of the clinical implementation of enhanced dynamic wedges[J]. Medical Dosimetry, 2003, 28(1): 13?19. DOI: 10.1016/S0958-3947(02)00140-1.

2 Alaei P, Higgins P D. Performance evaluation and quality assurance of Varian enhanced dynamic wedges[J]. Journal of Applied Clinical Medical Physics, 2006, 7(1): 14?20. DOI: 10.1120/jacmp.2027.25367.

3 于浪, 楊波, 李楠, 等. 應(yīng)用二維電離室矩陣進(jìn)行虛擬楔形板物理參數(shù)檢測(cè)[J]. 中華放射腫瘤學(xué)雜志, 2015, 24(3): 340?343. DOI: 10.3760/cma.j.issn.1004-4221.2015. 03.027. YU Lang, YANG Bo, LI Nan,. Dosimetry verification of virtual wedge using a two-dimensional ionization chamber array[J]. Chinese Journal of Radiation Oncology, 2015, 24(3): 340?343. DOI: 10.3760/cma.j. issn.1004-4221.2015.03.027.

4 Varian Oncology Systems. C-series clinac enhanced dynamic wedge implementation guide[R]. Varian, 2002: 1?166.

5 Rogers D W O, Faddegon B A, Ding G X,. BEAM: a Monte Carlo code to simulate radiotherapy treatment units[J]. Medical Physics, 1995, 22(5): 503?524. DOI: 10.1118/1.597552.

6 熊綺麗, 石勇, 徐剛, 等. TrueBeam加速器多葉準(zhǔn)直器射野劑量學(xué)特性[J]. 核技術(shù), 2015, 38(10): 100203. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.100203. XIONG Qili, SHI Yong, XU Gang,. Dosimetry characteristics of multi-leaf collimator field for TrueBeam[J]. Nuclear Techniques, 2015, 38(10): 100203. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.100203.

7 Kakakhel M B, Baveas E S, Fielding A L,. Validation and automation of the DYNJAWS component module of the BEAMnrc Monte Carlo code[J]. Australasian Physical and Engineering Sciences in Medicine, 2011, 34(1): 83?90. DOI: 10.1007/s13246-011-0060-x.

8 Verhaegen F, Liu H H. Incorporating dynamic collimator motion in Monte Carlo simulations: an application in modelling a dynamic wedge[J]. Physics in Medicine and Biology, 2001, 46(2): 287?296. DOI: 10.1088/0031-9155/ 46/2/302.

9 陳亮, 李玉民, 徐紅. 瓦里安加速器擴(kuò)充型動(dòng)態(tài)楔形板楔形因子特性研究[J]. 中華放射腫瘤學(xué)雜志, 2004, 13(1): 53?57. DOI: 10.3760/j.issn:1004-4221.2004.01. 013. CHEN Liang, LI Yumin, XU Hong. Characteristics of wedge factor of an enhanced dynamic wedge on Varian 600C accelerator[J]. Chinese Journal of Radiation Oncology, 2004, 13(1): 53?57. DOI: 10.3760/j.issn: 1004-4221.2004.01.013.

10 Gibbons J P. Calculation of enhanced dynamic wedge factors for symmetric and asymmetric photon fields[J]. Medical Physics, 1998, 25(8): 1411?1418. DOI: 10.1118/ 1.598313.

11 Oh S A, Kim S K, Kang M K,. Dosimetric verification of enhanced dynamic wedges by a 2D ion chamber array[J]. Journal of the Korean Physical Society, 2013, 63(11): 2215?2219. DOI: 10.1118/1. 4814791.

12 Beavis A W, Weston S J, Whitton V J. Implementation of the Varian EDW into a commercial RTP system[J]. Physics in Medicine and Biology, 1996, 41(9): 1691?1704. DOI: 10.1088/0031-9155/41/9/009.

13 Ahmad M, Deng J, Lund M W,. Clinical implementation of enhanced dynamic wedges into the pinnacle treatment planning system: Monte Carlo validation and patient-specific QA[J]. Physics in Medicine and Biology, 2009, 54(2): 447?465. DOI: 10.1088/0031-9155/54/2/018.

14 Moeller J H, Leavitt D D, Klein E. The quality assurance of enhanced dynamic wedges[J]. Medical Dosimetry, 1997, 22(3): 241?246. DOI: 10.1016/S0958-3947(97) 00026-5.

Monte Carlo simulation and validation of the enhanced dynamic wedge of Varian accelerator

DAI Zhenhui1ZHAO Shiwu1YANG Geng1ZHU Lin1ZHANG Bailin1ZHU Yuanhu1JIN Huaizhi1WANG Xuetao1ZHANG Yu2

1(Guangdong Provincial Hospital of Chinese Medicine, Guangzhou 510006, China) 2(Southern Medical University, Guangzhou 510515, China)

Enhanced dynamic wedge (EDW) is commonly used to achieve dose uniformity in the target volume in radiotherapy. However, EDW must be verified before implementation in the treatment planning system.This paper is to simulate the EDW of Varian linear accelerator by Monte Carlo method, and to construct a new tool for quality assurance of EDW.EDW is simulated with the DYNJAWS module of BEAMnrc to build the source model. Depth dose and off-axis dose are calculated by use of DOSXYZnrc in a phantom to generate the EDW factor and profiles of EDW at different angles. The model is validated based on the comparison of Monte Carlo simulation and real measurement results.The simulation results are in good agreement with measurement results, and the deviation is less than 2%.It demonstrates that the EDW model based on Monte Carlo simulation is effective, which would achieve the requirement of quality assurance of EDW.

EDW, Monte Carlo simulation

DAI Zhenhui, male, born in 1984, graduated from Southern Medical University with a master’s degree in 2010, physicist, engineer, major in biomedical engineering

WANG Xuetao, E-mail: wangxuetao0625@126.com

2017-06-29,

2017-08-23

TL72

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.120302

戴振暉，男，1984年出生，2010年于南方醫(yī)科大學(xué)獲碩士學(xué)位，物理師，工程師，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)

王學(xué)濤，E-mail: wangxuetao0625@126.com

2017-06-29，

2017-08-23

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.61671230)

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.61671230)資助