运用BEAM程序设计和优化均整器

医用电子直线加速器在X射线工作模式下是通过电子束打靶产生X射线。这种方式产生的射线具有很强的前向性,即射野内剂量率随角度的增加而减小。而在实际治疗中要求射野内的剂量具有平坦性,因此需要在对X射线加均整器(beam flat-tening filter)进行均整:均整器的厚度由中心到边缘厚度逐渐递减。因此通过均整器后,剂量率高处的剂量率削减到与均整区域内剂量率最低处的一致,从而达到整个区域剂量率均匀化[1-4]。国家标准JJG 589—2001[5]给出的指标是射野内X射线剂量率的平坦度和对称度要好于3%,在这个精度下,均整器的设计往往需要经过反复的修改和验证。均整器的加工和剂量测量试验的成本比较高,因此设计中进行数值模拟是必要的。计算辐射类型的问题通常采用Monte Carlo方法。加拿大国家研究院(NRCC)开发了专门用来模拟医用加速器治疗头中粒子输运过程的Monte Carlo程序BEAM。本文以BEAM程序作为基础,详细讨论均整器设计方法的技巧。本文中使用BEAMnrc06版本。为了叙述的方便,下文中除特别说明外,BEAM均指BEAMnrc06[1-3,6-7]。

Monte Carlo方法计算结果的精度是和计算量相关的,计算量越大,结果的精度越高,误差越小。单个网格剂量的模拟精度直接影响模拟仿真的有效性。由于Monte Carlo方法误差的存在,模拟出来的不平坦度和不对称度会偏大。如果模拟的误差比较大,那么不平坦度主要是模拟误差造成的,而不是真实的不平坦度。为了更好考察设计带来的不平坦度,必须减少模拟误差的影响,以便合理地检查和修正设计。文[7]给出了合理误差范围的计算方法,并估计出在40×40个网格中单个网格剂量误差在0·3%左右比较合适[1-3,8]。

减小误差在获得更精确结果的同时也带来计算时间的大大增加,并且计算时间是和误差的平方成反比的,即误差减小一半,计算时间会增大为4倍。因此在合理的误差范围内,尽量减少计算量,可以提高工作效率。

在BEAM程序中,为了获得精细网格内的剂量分布, Dosxyznrc模块计算量会比较大,甚至占主要部分。文[4]中所使用的模型,获得有0.3%误差的结果一般需要20亿次模拟,在目前主流PC机上单核计算需要15~20 h左右,其中Dosxyznrc占13~18 h。而设计往往需要很多次均整器尺寸细微的调整,使得整个工作的时间很长,效率低下。而本文在实际使用BEAM程序中总结出一些经验和技巧,以缩短总体设计时间,提高工作效率[8]。

1　BEAM程序在设计和优化均整器上的技巧

1.1　Windows系统环境下BEAM程序的使用技巧

Windows下的BEAM程序是图形界面的,需要手动点击载入等操作,而很多时候某个环节或者任务计算完成之后,如果不及时地人工操作启动下一个环节或者任务,那么这段时间计算机就被闲置,这种闲置非常严重,闲置时间甚至可达到50%以上。