伽玛刀体模剂量分布的模拟研究
作者：李树炎 刘小伟
单位：510260 广州，广州伽玛刀治疗研究中心(李树炎)；中山大学物理系(刘小伟)
关键词：
伽玛刀体模剂量分布的模拟研究
医学影像技术(特别是MR、CT)的发展和应用，使得病灶的三维空间定位达到很高的精度，同时更使立体定向放射治疗上了一个新台阶。伽玛刀用多方向窄束γ射线进行聚焦照射，在聚焦点上形成一个高的剂量球，而在偏离焦点的一定范围内剂量显著下降，故在达到杀死病灶组织的同时使正常组织受到尽可能小的辐射损害。同时它运用计算机化的测量定位及剂量计算，使治疗的定位和剂量达到很精确的水平。
我们对LEKSELL GAMMA UNIT的KULA剂量规划系统进行分析和研究，由于该系统采用单束射线剂量分布相加的方法计算剂量的分布，它只适合距表面深度20mm以下的大脑组织，超出这一部位KULA系统将不能给出准确的剂量分布[1]。因此，我们采用MONTE CARLO方法模拟伽玛刀在脑体模中的吸收剂量分布，并将计算结果与LEKSELL GAMMA UNIT所提供的测量结果进行比较。
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1 材料和方法
光、电子的MONTE CARLO模拟是较成熟的技术。它有不少程序包，如EGS、ETRAN、MORES和OGRE等[2]。在本工作中，我们采用的是EGS4电子、光子联合输运MONTE CARLO模拟程序包[3]，它可模拟在任何几何中正、负电子和光子在原子序数为1～100的元素组成的单质、化合物或混合物中的迁移过程。它是一个功能非常强的MONTE CARLO软件包。
LEKSELL GAMMA UNIT伽玛刀装有201个60Coγ源，每个强度约为1.11×1012Bq(30Ci)。分五组分别固定在极距角为126，115.5，111，103.5和96度，半径为401mm的球面上[1]，γ光子通过不同孔径的准直器聚焦到球心上。通过用不同孔径准直器在不同焦点位置的照射，可得到不同形状的等剂量曲线，以适应不同形状的病灶治疗。由于准直器的孔径和源的长度远比源到聚焦点的距离小，在模拟中我们将60Coγ源当点源处理，对应于孔径不同的准直器，γ光子发射的立体角由以下公式给出：
, 百拇医药
(1)
(2)
其中D是准直器参数，为18，14，8，4mm。
为了便于模拟伽玛刀对不同形状和非均质的照射剂量分布，我们选取格距为0.5cm的34×34×34点阵立方体模拟受照介质几何，通过对33×33×33个立方体填充不同的介质模拟各种不同的介质[4]。每个小立方体内的剂量率由下式确定：
(3)
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式中的N为模拟事例数，M(I，J，K)和E(I，J，K)分别为小立方体的质量和能量沉积，I，J，K为此小立方体的座标，A为参考源强，取为1.11×1012Bq，各源的差别则由此源源强与A的比值作为此源的发射光子的权重WT来表示。
2 结果
利用以上方法，我们模拟了对18mm和14mm准直器下，半径为80mm的聚苯乙烯球型体模受LEKSELL GAMMA UNIT伽玛刀照射的剂量分布。在模拟中，球心取坐标原点，电子和光子的截止能量为0.5MeV和0.01MeV，模拟事例为200万个，每个事例对应于60Coγ源发射能量为1.17和1.33MeV的两个光子。从模拟的结果来看，Z=0平面上的等剂量曲线基本为圆形，对应于18mm和14mm两种准直器，50%的等剂量曲线的直径分别为27.8mm和18.6mm。图1A和B分别给出对应于14mm准直器的Z=0和X=0平面的剂量分布的等剂量曲线，由里到外分别为90%，70%，50%，30%，10%的曲线，其中Z=0平面对应的直径为11.2，15.2，18.6，24，42mm。
, 百拇医药
为了和实验作定量比较，我们读取了用3mm×3mm×1mm热释光剂量计和乳胶片测量当准直器为14mm时，Z=0平面上径向等剂量分布图的实验数据[1]，并与我们模拟的结果进行了比较，结果如图2所示。图中×为用乳胶片测量的结果。△为用热释光剂量计测量的结果，○为我们模拟的结果。从图2可看出，模拟的结果和乳胶片测量的结果基本符合，当径向距离小于6mm时模拟结果小于测量结果。
3 讨论
现阶段伽玛刀治疗的剂量分布规划均用国外伽玛刀设备厂商配置的规划软件，虽然整套软件厂家保证临床使用的安全，使我们深刻认识到对引进设备和规划软件进行深透剖析、论证的重要性，特别是伽玛刀的实际剂量空间分布和规划软件规划出来的分布的一致性。因为根据WHO的规定，肿瘤的照射剂量的误差必须小于5%，否则将影响治疗结果[5]。
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图1 平面剂量分布等剂量曲线
图2 相对剂量实验结果
笔者这次应用MONTE CARLO这种成熟的，并广泛应用于核技术方面的模拟方法对伽玛刀18mm，14mm准直器的空间剂量分布模拟表明：其结果与厂家提供的实测结果基本相符。其结果的差异主要因实验用计算机内存及运算速度所限致使点阵立方体格距取得较大(0.5cm)所致。其误差在改进模拟设备后其模拟结果将更为准确。因此我们认为，伽玛刀剂量分布的MONTA CARLO模拟，将在伽玛刀基础研究领域发挥很大的作用。
参考文献
1 User’s menual of LEKSELL GAMMA Unit.Sweden,ELEKTA.April 1992 part 5:3.6～3.7,part 2:2.1,part 5:1.4～1.6.
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2 Andreo P.Monte Carlo techniques in medical radiation physics. Phys Med,1991,36:861.
3 Nelson WR.Hirayame H,Rogers DWO,The EGS4 Codo System.SLAC(Stanford CA:Stanford University).USA.1995,2:265.
4 Holmes MAM,Mackie TR,Sohn W,et al.The Application of correlated sampling to the computation of electron beam dose distributions in heterogeneous phantoms using the Monte carlo method.Phys Med Biol,1993,38:675.
5 Caswell RS,Effect of hight energy protons on the brain.NBS report sp\|456,USA.Government printing office.Washington,1976,13.
(收稿：1996\|10\|29 修回：1997\|12\|15), http://www.100md.com
单位：510260 广州，广州伽玛刀治疗研究中心(李树炎)；中山大学物理系(刘小伟)
关键词：
伽玛刀体模剂量分布的模拟研究
医学影像技术(特别是MR、CT)的发展和应用，使得病灶的三维空间定位达到很高的精度，同时更使立体定向放射治疗上了一个新台阶。伽玛刀用多方向窄束γ射线进行聚焦照射，在聚焦点上形成一个高的剂量球，而在偏离焦点的一定范围内剂量显著下降，故在达到杀死病灶组织的同时使正常组织受到尽可能小的辐射损害。同时它运用计算机化的测量定位及剂量计算，使治疗的定位和剂量达到很精确的水平。
我们对LEKSELL GAMMA UNIT的KULA剂量规划系统进行分析和研究，由于该系统采用单束射线剂量分布相加的方法计算剂量的分布，它只适合距表面深度20mm以下的大脑组织，超出这一部位KULA系统将不能给出准确的剂量分布[1]。因此，我们采用MONTE CARLO方法模拟伽玛刀在脑体模中的吸收剂量分布，并将计算结果与LEKSELL GAMMA UNIT所提供的测量结果进行比较。
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1 材料和方法
光、电子的MONTE CARLO模拟是较成熟的技术。它有不少程序包，如EGS、ETRAN、MORES和OGRE等[2]。在本工作中，我们采用的是EGS4电子、光子联合输运MONTE CARLO模拟程序包[3]，它可模拟在任何几何中正、负电子和光子在原子序数为1～100的元素组成的单质、化合物或混合物中的迁移过程。它是一个功能非常强的MONTE CARLO软件包。
LEKSELL GAMMA UNIT伽玛刀装有201个60Coγ源，每个强度约为1.11×1012Bq(30Ci)。分五组分别固定在极距角为126，115.5，111，103.5和96度，半径为401mm的球面上[1]，γ光子通过不同孔径的准直器聚焦到球心上。通过用不同孔径准直器在不同焦点位置的照射，可得到不同形状的等剂量曲线，以适应不同形状的病灶治疗。由于准直器的孔径和源的长度远比源到聚焦点的距离小，在模拟中我们将60Coγ源当点源处理，对应于孔径不同的准直器，γ光子发射的立体角由以下公式给出：
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(1)
(2)
其中D是准直器参数，为18，14，8，4mm。
为了便于模拟伽玛刀对不同形状和非均质的照射剂量分布，我们选取格距为0.5cm的34×34×34点阵立方体模拟受照介质几何，通过对33×33×33个立方体填充不同的介质模拟各种不同的介质[4]。每个小立方体内的剂量率由下式确定：
(3)
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式中的N为模拟事例数，M(I，J，K)和E(I，J，K)分别为小立方体的质量和能量沉积，I，J，K为此小立方体的座标，A为参考源强，取为1.11×1012Bq，各源的差别则由此源源强与A的比值作为此源的发射光子的权重WT来表示。
2 结果
利用以上方法，我们模拟了对18mm和14mm准直器下，半径为80mm的聚苯乙烯球型体模受LEKSELL GAMMA UNIT伽玛刀照射的剂量分布。在模拟中，球心取坐标原点，电子和光子的截止能量为0.5MeV和0.01MeV，模拟事例为200万个，每个事例对应于60Coγ源发射能量为1.17和1.33MeV的两个光子。从模拟的结果来看，Z=0平面上的等剂量曲线基本为圆形，对应于18mm和14mm两种准直器，50%的等剂量曲线的直径分别为27.8mm和18.6mm。图1A和B分别给出对应于14mm准直器的Z=0和X=0平面的剂量分布的等剂量曲线，由里到外分别为90%，70%，50%，30%，10%的曲线，其中Z=0平面对应的直径为11.2，15.2，18.6，24，42mm。
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为了和实验作定量比较，我们读取了用3mm×3mm×1mm热释光剂量计和乳胶片测量当准直器为14mm时，Z=0平面上径向等剂量分布图的实验数据[1]，并与我们模拟的结果进行了比较，结果如图2所示。图中×为用乳胶片测量的结果。△为用热释光剂量计测量的结果，○为我们模拟的结果。从图2可看出，模拟的结果和乳胶片测量的结果基本符合，当径向距离小于6mm时模拟结果小于测量结果。
3 讨论
现阶段伽玛刀治疗的剂量分布规划均用国外伽玛刀设备厂商配置的规划软件，虽然整套软件厂家保证临床使用的安全，使我们深刻认识到对引进设备和规划软件进行深透剖析、论证的重要性，特别是伽玛刀的实际剂量空间分布和规划软件规划出来的分布的一致性。因为根据WHO的规定，肿瘤的照射剂量的误差必须小于5%，否则将影响治疗结果[5]。
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图1 平面剂量分布等剂量曲线
图2 相对剂量实验结果
笔者这次应用MONTE CARLO这种成熟的，并广泛应用于核技术方面的模拟方法对伽玛刀18mm，14mm准直器的空间剂量分布模拟表明：其结果与厂家提供的实测结果基本相符。其结果的差异主要因实验用计算机内存及运算速度所限致使点阵立方体格距取得较大(0.5cm)所致。其误差在改进模拟设备后其模拟结果将更为准确。因此我们认为，伽玛刀剂量分布的MONTA CARLO模拟，将在伽玛刀基础研究领域发挥很大的作用。
参考文献
1 User’s menual of LEKSELL GAMMA Unit.Sweden,ELEKTA.April 1992 part 5:3.6～3.7,part 2:2.1,part 5:1.4～1.6.
, http://www.100md.com
2 Andreo P.Monte Carlo techniques in medical radiation physics. Phys Med,1991,36:861.
3 Nelson WR.Hirayame H,Rogers DWO,The EGS4 Codo System.SLAC(Stanford CA:Stanford University).USA.1995,2:265.
4 Holmes MAM,Mackie TR,Sohn W,et al.The Application of correlated sampling to the computation of electron beam dose distributions in heterogeneous phantoms using the Monte carlo method.Phys Med Biol,1993,38:675.
5 Caswell RS,Effect of hight energy protons on the brain.NBS report sp\|456,USA.Government printing office.Washington,1976,13.
(收稿：1996\|10\|29 修回：1997\|12\|15), http://www.100md.com