医用直线加速器治疗头的蒙特卡罗模拟

随着蒙特卡罗方法研究的深入和应用范围的扩大,各种用途的蒙特卡罗方法应用软件相继产生和发展。从1995年开始,加拿大国家研究院(National Research Council of Canada,NRCC)与威斯康星大学(Univercity of Wis-consin)进行OMEGA项目合作,开发基于EGSnrc程序系统的软件包,以便用户能快速地建立模拟直线加速器及患者模体的应用程序。其所开发的BEAMnrc程序[1-2]是目前治疗机模拟方面功能最强大的软件工具之一,可以用来模拟各类治疗机产生的射线束,包括直线加速器产生的高能电子束和光子束、60Co光子束及深部X射线治疗机产生的X线束。其主要的输出是粒子相空间数据,记录了所有粒子到达或穿过用户所定义几何空间时的相关信息,其中包括粒子所带电荷、能量、位置、方向和粒子的历程标记等。相空间数据通常作为继续模拟的源项输入,也可用于分析放射源的特性建立放射源模型[3-4]。

1　加速器治疗头组成

加速器的治疗头主要用于产生放射治疗的X射线和电子治疗束。一般医用加速器治疗头指的是电子由加速管射出后需要经过的各个组成部分的总称[5]。从加速管输出端输出的射束并不能直接用于治疗病人,必须经过治疗头和各种附件修整,形成剂量分布均匀、射野大小合适的治疗束之后才能治疗病人。一般的加速器治疗头包括固定屏蔽、X线靶、均整器、准直器(初级和次级)、电离室、反射镜,对于某些高能加速器还配有独立光栅、楔形板等附件。本文模拟的加速器治疗头采用了七个部件模块,具体情况如表1所示。

2　加速器治疗头部件仿真与几何参数设定

2·1　仿真主参数设定

在主参数中可以设定加速器治疗头的标题、模拟仿真的入射粒子总数、放射源数目选择和能量范围限制等等。模拟的治疗头采用6MV电子源击打X射线靶,产生出源皮距SSD=100cm,射野为10cm×10cm的光子束照射野。其主要仿真参数设置如表2所示,其余设置均按照程序默认值。

2·2　各组件的几何参数设定

加速器治疗头的整体几何结构如图1所示。X射线靶总长6cm,靶厚0.6cm。初级准直器采用圆台形,厚度为5cm,其中心范围是6cm,射束入射口半径为0.5cm,射束出射口半径是3cm。均整器的设计中心范围为6cm,采用2种材料,分别是不锈钢和钨,其中钨材料被不锈钢材料包裹着,外形呈现由一个锥形和一个圆台形组成,上部锥形部分由不锈钢材料组成,厚度为2cm,底面半径是1.7cm。下部为不锈钢与钨材料共同组成,总厚度为0.7cm。内层由钨组成,几何形状为圆锥形,底面半径为1.2cm。电离室由2种材料组成,分为19块平行板组成,铝材料一部分成铝箔状镀在聚脂薄膜上作为收集板,一部分作为电极板。反射镜采用镀铝的聚甲基丙烯酸甲酯塑料薄膜,其对电子的散射影响较小。反射镜厚度为0.066cm,与射野中心轴的夹角为71.565°。次级准直器也叫做射束限制器或光阑、钨门(JAW),分为上下两对准直器,分别定义X与Y照射野,以供调整治疗照射野的大小。其中X照射野的准直器厚度为9cm,与射野中心轴的夹角正切值是0.05。Y照射野的准直器厚度是8.8cm,与射野中心轴的夹角正切值也是0.05。两个准直器配合调整出一个10cm×10cm的照射治疗野。光野参考面厚度为0.03cm。在参考平面以下,有一段长度达48.97cm的空气通道。