动态旋转体部伽玛刀辐射剂量学蒙特卡罗模拟研究*

袁继龙 程金生 刘立明 苏 旭*

动态旋转体部伽玛刀辐射剂量学蒙特卡罗模拟研究*

袁继龙①程金生①刘立明①苏 旭①*

目的：在同一蒙特卡罗(MC)模拟平台上，对不同型号的动态旋转体部伽玛刀辐射剂量学进行MC模拟研究。方法：①根据体部伽玛刀聚焦照射模式，选择代表机型，即OUR-QGD型体部伽玛刀和LUNA全身伽玛刀；②基于EGSnrc分别进行MC建模；③利用EBT3胶片和160 mm有机玻璃球模体测量焦点处剂量分布进行MC模型验证；④利用验证的模型进行剂量学研究。结果：OUR-QGD型体部伽玛刀和LUNA全身伽玛刀的MC模型模拟结果分别与对应的实验测量进行对比，不同准直器条件下，剂量分布半高宽偏差均≤1 mm，MC模拟的输出因子和厂商数据对比，偏差均在±4%之内，并进一步对偏差进行了分析。结论：动态旋转体部伽玛刀辐射剂量学MC模拟研究，基本可以为目前临床使用的不同机型体部伽玛刀的辐射剂量学质量控制提供重要参考和依据。

动态旋转；体部伽玛刀；辐射剂量学；蒙特卡罗模拟

体部伽玛刀是全身立体定向放射治疗专用设备，目前国内已有诸多厂商相继研发了不同类型的体部伽玛刀，并大量投入临床使用。体部伽玛刀的基本原理为多颗钴60(60Co)源协同相应准直器采用动态旋转聚焦方式对病灶靶区进行高剂量照射，同时使靶区外正常组织尽可能少的接受辐射剂量。根据本研究调研，不同类型的体部伽玛刀的源体动态旋转聚焦具体方式主要分为锥形旋转聚焦(如OUR-QGD型体部伽玛刀、KLF-A型OPEN式体部伽玛刀及圣爱数控体部伽玛刀)和扇形旋转聚焦(如LUNA全身伽马刀、SGS-I超级伽马刀)[1-2]两类。不同机型的源个数、源强、准直器大小和初装机焦点剂量率等都不同，这些放射治疗设备基本只在我国大陆临床使用，属于我国特有的放射治疗设备(对锥形旋转聚焦形式的研究报道可参见文献[3-4]；对扇形聚焦形式的研究报道可参见文献[5-6])，所采用的测量方法均难以全面反映焦点处三维剂量分布，而国内外对其结合蒙特卡罗(monte carlo，MC)模拟的辐射剂量学研究报道很少[7-8]。但是临床已有100多台体部伽玛刀在用，因此体部伽玛刀的辐射剂量学研究亟需系统的开展，而基于MC模拟对体部伽玛刀进行辐射剂量学研究，可以更全面地对其临床治疗计划制定及质量控制提供参考依据[9]。

本研究根据体部伽玛刀的源体动态旋转聚焦的两类方式，分别选择了目前临床使用中占大多数、具有代表性的OUR-QGD型体部伽玛刀和LUNA全身伽玛刀作为研究对象，建立通过实验验证的MC模型进行辐射剂量学研究。OUR-QGD型体部伽玛刀的源体有30颗60Co源在39.5°～69.5°的球冠上非等间隔、非对称分布，工作时源体协同两级准直器旋转形成30个锥形面聚焦射线在球心处，即等中心处，准直器有3种规格，分别为Φ10 mm、Φ30 mm和Φ50 mm的圆形孔准直器。LUNA全身伽玛刀有42颗60Co源在球体50°扇面上呈非等间隔扇形对称分布，同样工作时，源体协同两级准直器形成扇形射束聚焦在球心处，准直器有6种规格，分别为6 mm×6 mm、8 mm×8 mm、14 mm×14 mm、14 mm×20 mm、14 mm×40 mm以及14 mm×60 mm的矩形孔准直器。

1 材料与方法

1.1 设备与材料

OUR-QGD型体部伽玛刀(深圳奥沃国际科技发展有限公司)；LUNA-260型LUNA全身伽玛刀(深圳一体医疗科技有限公司)；直径160 mm有机玻璃质控球模；Gafchromic EBT3胶片；EPSON 10000XL胶片扫描仪；ImageJ图像分析程序(美国国立卫生研究院)；EGSnrc蒙特卡罗模拟程序工具包(加拿大国家研究中心)。

1.2 研究方法

分别以OUR-QGD型体部伽玛刀和LUNA全身伽玛刀为模型，根据厂商提供的技术文档，将承载放射源的源体、预准直器和终准直器等机头结构与材料、相对空间分布及动态旋转模式作为MC模拟模型输入参数，分别在BEAMnrc和DOSXYZnrc模型中进行设置并运行计算，获得有机玻璃模体中的剂量分布，基于Matlab自制程序提取分析临床坐标轴上的剂量分布，计算半高宽(full width at half maximum，FWHM)；同时利用直径160 mm体部伽玛刀质控有机玻璃球模体加载EBT3胶片的插件盒，分别在XZ、YZ坐标轴平面进行焦点处二维剂量分布测量，分析胶片扫描图像获取焦点处临床坐标轴上剂量分布FWHM[10]。MC模拟和实验测量进行对比验证MC模型，利用MC模型计算输出因子。

1.3 MC模拟计算

建模过程、MC参数设置及相关剂量学参数计算的详细描述可参考文献[11]，其中源体，预准直体和终准直体部分都在BEAMnrc模型中设置，模拟计算获得的终准直体出口处的相空间文件作为DOSXYZnrc模型的输入文件，根据对应每颗源的空间位置分别在各自模型对应的DOSXYZnrc模型中设置，利用每颗源在其旋转范围内均匀采样来实现动态旋转模拟效果[12]。OUR-QGD型体部伽玛刀的放射源是360°范围内旋转；LUNA全身伽玛刀的放射源是180°范围内旋转。验证过的OUR-QGD型体部伽玛刀和LUNA全身伽玛刀MC模型，分别以其最大尺寸的准直器为基准，体素大小为1 mm×1 mm×1 mm，分别计算每个体部伽马刀各准直器条件下对应的输出因子，以上模拟计算设置的抽样粒子数为2×109，相应模拟计算出的焦点处剂量值偏差均控制在0.5%以内[13]。

1.4 实验测量

EBT3胶片的刻度在中国疾病预防控制中心辐射安全所标准剂量学实验室放射治疗级60Co辐射场中进行，至少选择0 Gy、0.5 Gy、1.0 Gy、1.5 Gy、2 Gy以及2.5 Gy这5个剂量点进行照射刻度，照射后避光保存EBT3胶片，等待其稳定24 h后进行扫描。EPSON 10000XL扫描基本设置为300 dpi图像分辨率，利用ImageJ提取扫描图像中剂量点对应的像素值并按照参考文献[14]进行剂量刻度曲线拟合，将同批次的EBT3胶片根据胶片盒尺寸进行裁剪，装载在球模体中，分别在OUR-QGD型体部伽玛刀和LUNA全身伽玛刀条件下进行照射，根据旋转聚焦方式不同，OURQGD型体部伽玛刀3个准直器条件分别在焦点处对应的XZ、YZ轴平面照射1 min；LUNA全身伽玛刀6个准直器条件分别在焦点处对应进行0～-30°的拉弧照射1 min，获得XZ轴平面剂量分布，-60°～-120°拉弧照射1 min获得YZ轴平面剂量分布，照射过的EBT3胶片处理和胶片刻度时的处理方式一致，同样利用ImageJ程序提取剂量分布像素值，根据剂量刻度曲线得到实际剂量分布，获取焦点处X轴、Y轴和Z轴上剂量分布FWHM。

2 结果

OUR-QGD型体部伽玛刀的实测和MC模拟计算的X轴、Y轴和Z轴上剂量分布FWHM结果对比分别见表1、表2和表3；MC模拟输出因子和厂商提供输出因子对比见表4。

表1 体部伽马刀X轴上剂量分布FWHM(mm)

表2 体部伽马刀Y轴上剂量分布FWHM(mm)

表3 体部伽马刀Z轴上剂量分布FWHM(mm)

表4 OUR-QGD型体部伽玛刀厂商提供输出因子与MC模拟计算输出因子比较(mm)

LUNA全身伽玛刀的实测和MC模拟计算的X轴、Y轴和Z轴上剂量分布FWHM结果对比分别见表5、表6和表7；MC模拟输出因子和厂商提供输出因子对比见表8。

表5 全身伽马刀X轴上剂量分布FWHM(mm)

表6 全身伽马刀Y轴上剂量分布FWHM(mm)

表7 全身伽马刀Z轴上剂量分布FWHM(mm)

表8 LUNA全身伽玛刀厂商提供输出因子与MC模拟计算输出因子比较(mm)

3 讨论

本研究的目的是在同一个MC模拟平台，即基于EGSnrc，将国内型号众多的体部伽玛刀按照工作时动态旋转的模式分类，选择代表性机型进行MC建模，并通过实验验证模型，进一步进行剂量学研究。从结果部分分析，无论锥形动态旋转照射的体部伽玛刀代表机型OUR-QGD型体部伽玛刀，还是扇形动态旋转照射的体部伽玛刀代表机型LUNA全身伽马刀，MC模拟计算的焦点处X轴、Y轴和Z轴坐标轴剂量分布FWHM和EBT3胶片实验相应测量数据对比，偏差均≤1 mm，根据参考文献[10]的相关指标标准，2个MC模型得到验证，相比参考文献[11]提供的MC模拟结果和厂商数据相比，本研究更进一步用实验测量来验证MC模型，而且结果符合很好。

由于体部伽玛刀的聚焦照射野均为小射野，而小射野的剂量测量准确性正是目前国内外放射治疗剂量学研究热点，本研究中的剂量学参数输出因子的MC模拟和厂商数据对比正反映了这一点测量准确性的重要意义。

利用MC模型计算的OUR-QGD型体部伽玛刀输出因子和厂商数据最大偏差-3.53%，这个偏差和厂商测量时选用的针尖电离室灵敏体积大小及电离室本身的校准有关，国内目前的电离室校准的依据主要参考自国际原子能机构IAEA-TRS-277报告，校准系统本身不确定度为2.5%(K=1)，而且OUR-QGD型体部伽玛刀因为放射源在球冠上非等间隔非对称分布，因此在临床Y轴上焦点处的上下剂量分布不对称，最大剂量点向源体方向一侧偏离(准直器尺寸选择越大，偏离等中心越多)，这样的剂量分布造成焦点处(等中心)的剂量梯度分布，测量此体部伽玛刀的输出因子不但需要考虑小野问题，还要考虑剂量梯度问题，选择探测器很重要，故该实验测量问题需要继续深入研究。

利用MC模型计算的LUNA全身伽马刀输出因子已经做了较全面分析，最大偏差均控制在±3%之内。目前，测量模体均参考头部伽玛刀的直径160 mm有机玻璃质控球模，考虑体部伽玛刀的临床应用，需要设计更符合实际需求的测量模体，才能保证质量控制数据能更好的为设备的临床应用提供参考[15]。

4 结语

本研究对动态旋转体部伽玛刀的代表机型进行MC建模，并通过实验测量验证，利用2个MC模型分别计算的输出因子，在±4%偏差范围内，MC模拟结果和厂商数据能很好符合，而且针对偏差原因进行了分析。本研究为体部伽玛刀的临床使用和质量控制提供了重要参考，然而体部伽玛刀辐射剂量学还需要更进一步研究，故结合MC模拟的临床放射治疗计划验证为下一步研究计划[16-17]。

致谢

感谢深圳海博科技有限公司的核物理工程师谢敏在蒙卡建模过程中提供的帮助。

[1]夏廷毅.体部肿瘤伽玛刀治疗学[M].北京：人民卫生出版社，2010.

[2]张重魁.体部伽玛刀临床应用及进展[J].实用癌症杂志，2012，27(1)：107-110.

[3]朱奇，康静波，李建国，等.体部伽玛刀的治疗原理及质量保证探讨[J].中国医学装备，2015，12(2)：95-97.

[4]毛凯，康静波，戴甜甜，等.伽玛射束立体定向放射治疗质量控制[J].中国医学装备，2015，12(10)：30-32.

[5]曹鸿斌，吴旭东，刘国强，等.OPEN式体部伽马刀物理学特性研究[J].中华放射肿瘤学杂志，2015，24(6)：699-702.

[6]葛宁，辜石勇，韩栋梁.体部伽马刀质量保证与质量控制[J].医疗卫生装备，2015，36(10)：91-93.

[7]包龙，潭峰，柯传庆，等.体部伽玛刀临床应用的质量控制和质量保证[C].江西省中医药学会2011年学术年会论文集，2011.

[8]周振山，王军良，段小萍.LUNATM—260型伽玛射线立体定向回转聚焦放疗机质量控制[J].医疗卫生装备，2011，32(3)：69-70.

[9]王军良.基于蒙特卡罗计算的伽玛刀剂量学研究[D].北京：解放军军事医学科学院，2012.

[10]中华人民共和国国家标准.GBZ 168-2005Χ、γ射线头部立体定向外科治疗放射卫生防护标准[S].卫生部政策法规司，2005-06-21.

[11]袁继龙，程金生.LUNA全身伽马刀输出因子的蒙特卡罗模拟研究[J].中国医学装备，2016，13(9)：10-13.

[12]Kim S，Yoshizumi TT，Yin FF，et al.Spiral computed tomography phase-space source model in the BEAMnrc/EGSnrc Monte Carlo system：implementation and validation[J].Phys Med Biol，2013，58(8)：2609-2624.

[13]Battistoni G，Cappucci F，Bertolino N，et al. FLUKA Monte Carlo simulation for the Leksell Gamma Knife Perfexion radiosurgery system：Homogeneous media[J].Physica Medica，2013，29(6)：656-661.

[14]Lewis D，Micke A，Yu X，et al.An efficient protocol for radiochromic film dosimetry combining calibration and measurement in a single scan[J].Med Phys，2012，39(10)：6339-6350.

[15]焦春营.用于体部伽玛刀性能测试专用模体的建立和研究[D].北京：清华大学，2012.

[16]朱奇，康静波，李建国，等.胰腺癌体部伽玛刀治疗的剂量学研究[J].中国医学装备，2014，11(11)：33-35.

[17]任信信，戴建荣，张岳，等.基于专家库的γ射线立体定向放疗计划优化方法[J].中国医学物理学杂志，2015，32(3)：301-305.

Study on Monte carlo simulation of radiation dosimetry about stereotactic gamma ray radiotherapy system with dynamic rotation/

YUAN Ji-long, CHENG Jin-sheng, LIU Liming, et al//China Medical Equipment,2017,14(8):1-4.

Objective: To study radiation dosimetry of stereotactic gamma ray radiotherapy system with dynamic rotating of different types on the same platform of Monte Carlo simulation. Methods: 1)OUR-QGD stereotactic gamma ray radiotherapy system and LUNA whole body gamma ray radiotherapy system were selected as the representative model according to the focus mode of stereotactic gamma ray radiotherapy system. 2)MC modeling were implemented based on EGSnrc, respectively. 3)The distributions of dosage at focus were detected by using EBT3 film and 160 mm mode of plexiglass sphere so as to verify MC mode. 4)The relative research of dosimetry was implemented by using the verified mode. Results: The simulation results of the Monte Carlo model of the OUR-QGD stereotactic gamma ray radiotherapy systems and LUNA whole body gamma ray radiotherapy systems were compared with the corresponding result of experimental measurements, respectively. Under the different conditions of collimator, all of the Full Width at Half Maximum(FWHM) deviation of the dose distribution was less than or equal to 1 mm. And the result of the comparison between output factor of MC simulation and data from manufactory revealed that all of deviation were in ±4%, and the deviations were further analyzed. Conclusion: The research of Monte carlo simulation of radiation dosimetry about stereotactic gamma ray radiotherapy system with dynamic rotation can provide important reference and basis for quality control of radiation dosimetry of stereotactic gamma ray radiotherapy system of different type in clinical application at present.

Dynamic rotation; Stereotactic gamma ray radiotherapy system; Radiation dosimetry; Monte carlo simulation

Key Laboratory of Radiological Protection and Nuclear Emergency, China CDC, National Institute for Radiological Protection, Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 100088, China.

1672-8270(2017)08-0001-04

R144.1

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.08.001

袁继龙,男,(1982- ),博士，助理研究员。中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所 辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室，研究方向：辐射剂量与辐射防护。

2017-04-17

国际原子能机构2014-2015国际合作项目(CPR6006)“加强现代核医学、放射诊断和放射治疗实践的质量保证”①中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所 辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室 北京 100088

*通讯作者：suxu@nirp.cn