三维水箱模体中辐射剂量分布的模拟研究

　　自从1895年伦琴发现X线以后,射线随即成为肿瘤的治疗手段。经过40年代的深度X线治疗机、50年代的60Co治疗机和70年代的加速器治疗等历程,放射治疗己经从单纯外照射放疗发展为后装治疗、立体定向外照射放疗、术中放疗和组织间近距离放疗,已发展到CT模拟定位、计算机三维治疗计划系统和立体定向适形治疗技术阶段,加快了向实现肿瘤靶区的剂量最高、周围正常组织的剂量最小的治疗理念趋近的步伐。

　　评估患者实施放疗后体内剂量的三维分布在放射治疗的质量保证中是非常关键的。虽然射线剂量可以由仪器和其它一些手段来测量,但均难以实现在活体上进行无损检测,而且剂量分布的实验测量需要利用等效模型和一系列测量设备,实验技术、测量工作比较繁琐、费用高。采用公认的“黄金标准”蒙特卡罗方法进行剂量计算,是解决这一问题的有效方法[1]。应用蒙特卡罗方法可以计算任意情况下的剂量分布,被称作“理论上的实验”。本文介绍应用蒙特卡罗方法,模拟计算三维水箱模体中的辐射剂量分布,并分析了这种分布规律与放射源特性的关系。

　　1　计算模型与方法

　　1·1　三维水箱模体模型

　　临床剂量测量不可能在真人体内直接进行,必须寻找最接近人体的组织等效材料作为替身。由于放射治疗所用高能电子射线与人体组织的相互作用主要为非弹性碰撞,能量损失与物质的每克电子数成正比;而放射治疗所用的高能X(γ)射线的能量远远高于放射诊断的常用能量,在此能域内主要是康普顿效应和电子对效应的作用,所以模体材料只要有与人体相近的有效原子序数、相近的每克电子数、相近的质量密度和足够大的散射体积,就可以获得相近的测量结果。人体90%以上是由碳、氢、氧、氮组成的有机化合物,表1给出了不同组织材料的电子密度[2],从中可以看出人体肌肉和其他软组织对治疗射线的吸收和散射几乎与水相同,心、肝、脾、肾、肠、胃等组织器官的吸收和散射与水也很相近。所以各种水箱是放射治疗剂量学测量的理想模体[3]。因此,世界各地自动扫描测量应用最广泛的模体是三维水箱。

　　三维水箱在放射治疗中具有重要的应用价值,利用计算机模拟三维水箱的能量沉积对实际的测量工作具有重要的指导和预测作用。因此,选择三维水箱的相关模拟计算作为研究内容,图1为利用软件的图形输入程序,建立的虚拟三维水箱模型:纵向紧密排列十个圆柱体,每个圆柱体厚2cm,半径10cm,并设定每个圆柱体以水做介质。以此十个圆柱体模拟一个深20cm,半径10cm的水箱。

　　1·2　辐射源模型