清华同源双束医用加速器蒙特卡罗模拟

目的:使用蒙特卡罗方法模拟清华大学自主研制的同源双束医用加速器,为今后研究该设备KV级能量在放射治疗中成像剂量分布奠定基础。方法:(1)借助蒙卡BEAMnrc程序模拟加速器机头得到相空间文件。(2)以该相空间文件为源,使用蒙卡DOSXYZnrc程序计算水模体中百分深度剂量(percent depth dose,PDD)和离轴比(off axis ratio,OAR),采用MATLAB编程提取剂量数据显示于EXCEL。(3)分析蒙卡模拟参数对结果的影响。(4)对比实测调整模拟参数。结果:蒙卡模拟所得水模体中PDD和OAR曲线与实测有很好的吻合,得到加速器机头模型。结论:医用加速器KV级能量蒙卡模拟与高能有明显不同;要得到合适的该加速器蒙卡模型,需要选择合适的电子束能量和电子空间密度分布;该模拟所得加速器模型可用于成像剂量分布等后续研究。     

清华同源双束医用加速器成像剂量分布蒙卡模拟

目的：使用蒙特卡罗方法模拟计算清华同源双束医用加速器KV级能量成像束在肺部模型中剂量分布。方法：使用清华同源双束医用加速器KV级能量成像束机头蒙卡模型得到相空间文件;以此相空间为源,使用蒙卡DOSXYZnrc程序建立肺部模型,计算肺部模体中成像剂量;使用MATLAB编程处理剂量数据,得到百分深度剂量（percent depthdose,PDD）、离轴比（off axis ratio,OAR）和等剂量曲线（isodose curve）。结果：得到了清华同源双束医用加速器KV级能量成像束在肺部模型中剂量分布曲线。结论：先计算不同模拟参数下的加速器机头相空间文件并保存再进行剂量计算,能极大节约整个计算流程耗费的时间;该模拟得到的成像剂量分布曲线可指导评价成像剂量对肺部器官损伤;加速器机头模型可用于其它器官成像剂量分布计算等后续研究。     

基于MATLAB的放射治疗剂量分布研究

目的:给出一种以Fortran语言为基础的蒙卡DPM程序与MATLAB语言相结合的放射治疗剂量分布仿真方法,研究蒙卡DPM程序计算结果用MATLAB显示成图形的可行性。方法:修改DPM源程序和初始能量抽样方法将其改写成MATLAB下可直接调用的MEX程序。(1)根据光子数的分布特性,对粒子初始能量采用直接抽样来确定源光子能量的抽样值。(2)用Fortran77改写DPM,将需要在MATLAB中输入的相关数据传输到Fortran程序中,再将Fortran程序计算的剂量结果传输到MATLAB中,从而完成数据的交互。(3)用编译好的MATLAB中的M函数调用DPM程序计算的剂量结果,以界面形式进行处理后显示等剂量线和等剂量面。结果:利用MATLAB语言图形处理功能强大的特点,处理已经得到的仿真结果数据,可以方便的显示平面的等剂量线,也可以显示指定的等剂量曲面。结论:用MATLAB显示蒙卡DPM计算结果获得了很快的仿真速度,又得到了直观的仿真结果图形,为后续DPM计算非均匀组织中的剂量分布显示带来方便,为DPM蒙卡程序应用于临床剂量计算的剂量分布奠定基础。     

用测量的6MV医用电子直线加速器X射线能谱验证放疗剂量的初步研究

本研究工作用实验测量的北京医疗器械研究所生产的6MV电子直线加速器X射线谱作为输入数据，计算加速器水葙测量的基本数据PDD和OAR曲线并和实验测量的相应曲线进行比较。这里的X射线能谱是经过Monte Carlo程序EGS4的模拟计算结果验证过的。从比较的结果看，无论能谱测量、Monte Carlo模拟结果，还是通过PDD和OAR曲线的测量和计算，都证明把衰减法测量的X射线能谱作为对未知头部结构的加速器进行放疗计划验证的技术路线是可行的。     

DPM蒙特卡罗剂量计算算法在均匀组织和非均匀组织剂量精确性的验证

验证DPM蒙特卡罗剂量计算算法预测均匀组织和非均匀组织剂量的精确性。DPM分别计算:①6 MeV单能光子3cm×3cm照射野和Varian 60℃加速器源水模体百分深度剂量曲线和10cm深度处离轴比;②6 MeV单能光子3cm×3cm、10cm×10cm照射野分别在水(6cm)/肺(6cm)/水(8cm)、水(6cm)/骨骼(2cm)/水(12cm)非均匀组织的百分深度剂量曲线;③6MeV单能光子6cm×6cm照射野人体头部和腹部组织在射野内和射野外的百分深度剂量曲线。比较DPM计算值与DOSXYZnrc/EGSnrc系统在相同条件下的计算值。结果显示二者计算值在水模中的误差在±3%以内,在非均匀组织中,除了个别点,误差都在±3%以内。DPM能够精确计算均匀组织和非均匀组织剂量。     

基于MCNP源子程序的放射治疗剂量计算验证方法

目的:蒙特卡罗方法可以精确地对放射治疗过程所涉及到的物理过程进行模拟而在放射治疗领域有很大应用前景,本文发展了基于蒙特卡罗程序MCNP的剂量计算验证方法。用户只需要设置加速器源的位置参数和放疗计划参数就可以方便的调用MCNP源子程序完成放疗计划的剂量计算。方法:首先确定源的位置,根据加速器机头的位置和等中心点的位置来确定源粒子的位置信息。其次根据代表射野形状和强度的强度矩阵来抽样源粒子的方向信息,然后根据加速器能谱的抽样概率随机抽选能量段,然后在能量段内均匀抽样,得到该次抽样的源粒子能量信息,得到源粒子的所有信息后即可进行粒子在人体的蒙卡输运模拟。结果:本文通过对一例真实的宫颈癌病例的放疗计划进行模拟计算剂量分布,通过剂量偏差分析得到与MCFSPB在目标区域的平均误差为1.12%,γ分析值为94.55%,剂量计算结果符合的很好,比临床上的标准要求要高,完全满足临床要求。结论:本方法的计算精度能满足临床放射治疗验证的要求,能作为放疗计划的验证工具。     

VarianClinaciX15MeV光子束能谱重建

目的：精确重建VarianClinaciX15MeV光子束能谱。方法：利用先验模型和遗传算法,以光子束中轴百分深度剂量（PDD）为基础数据实现医用直线加速器光子能谱重建。1．EGS模拟仿真VarianClinacix治疗头和标准水模体,获得15MeV光子束的模拟能谱以及单能光子中轴PDD数据;2．根据测量得到的中轴PDD数据以及模拟得到的单能光子中轴PDD数据,运用遗传算法优化求解先验模型的参数：3．将优化后的先验模型所计算的结果作为初始化种群．再用遗传算法二次优化重建光子能谱。结果：重建能谱与蒙特卡洛模拟得到的能谱具有良好的一致性,相关系数为0．9970;重建能谱的平均能量与由相空间文件分析所得平均能量的相对误差为1．16％;根据重建能谱计算得到的中轴PDD数据与实际测量的中轴PDD数据之间的相关系数为O．9999。结论：利用先验模型和遗传算法进行光子束能谱重建可靠有效．具有实用价值。     

医用加速器光子角分布的蒙特卡罗研究

目的:在放射治疗中,入射光子的角分布对人体中的剂量分布等有直接的影响。为了进一步提高放射治疗的精度,分析医用直线加速器等中心平面上光子的角分布及影响因素。方法:蒙特卡罗程序(BEAMnrc)是建立在蒙特卡罗程序(EGSnrc)之上,是为了医学物理中模拟三维放射治疗开发的一个程序。使用蒙特卡罗程序BEAMnrc模拟电子和光子在加速器治疗头中的输运行为,在源皮距为100 cm的等中心平面处得到相空间文件,通过程序蒙特卡罗程序BEAMdp处理相空间文件统计光子的角分布。结果:通过对标称能量为6 MV的医用加速器的光子角分布的统计,发现不同大小的射野,只要中心区域一致,光子的角分布基本相同。对于不同的离轴区域,光子的角分布与该区域的锥形角度基本一致,光子的角分布可以由锥形发散束来近似估计。结论:医用直线加速器等中心平面上光子的角分布与其所在区域有关,次级准直器对光子的角分布影响很小。在放射治疗的剂量计算中,应仔细考虑光子角分布的影响,这样可以提高放射治疗的精度和患者的生存质量。     

蒙特卡罗程序DPM的并行化及其在精确放射治疗中的应用

目的：针对蒙特卡罗程序DPM（Dose Planning Method）计算时间不能完全满足临床要求的问题,本文研究DPM的多进程并行化,并将其应用于精确放疗。方法：利用多核计算机系统,各处理器平均分配计算任务（粒子数目）,主处理器负责读入并播发DPM输入信息,从处理器读取播发信息并完成初始化;各处理器并行计算并将剂量计算结果写入缓冲池;在模拟过程的最后阶段,主处理器收集各从处理器的剂量计算结果并处理输出。结果：基于均匀水模和临床病例,对DPM并行计算和串行计算的计算结果和计算时间进行对比分析,结果显示两种计算程序得到的百分深度剂量曲线和不同深度的离轴剂量曲线吻合,显示出DPM并行代码和串行代码的计算精度相同。串行代码在模拟临床病例时需要37.2min,而并行代码在4个处理器上只耗费了10.1min,显示出并行模拟具有很好的加速比。结论：本文研究的并行化技术可以大幅提高DPM剂量计算速度,对于DPM应用于临床放疗计划中的剂量计算具有重要意义。     

Varian Edge均整和非均整模式下6 MV和10 MV光子线能谱研究

目的:研究Varian Edge均整(FF)和非均整(FFF)模式下6 MV和10 MV光子线能谱并对比其差异。方法:利用蒙特卡洛程序软件包EGSnrc/Beamnrc建立Varian Edge 6 MV FF和FFF、10 MV FF和FFF的加速器模型,模拟所对应的相空间文件,而后以相空间作为输入源,利用DOSXYZnrc计算其在水体模中的剂量分布,并与三维水箱的测量数据比对,当模拟值与测量值之间的差异在1%之内时,利用Beamdp分析此时的相空间文件,得到对应的光子线能谱,并比较相互之间的差异。结果:模拟的百分深度剂量曲线和离轴比曲线与测量值之间的差异在1%之内。相对于FF模式,FFF模式的能谱"软化",其中6 MV FFF的平均能量从1.587 MeV下降至1.172 MeV,低能(能量≤1 MeV)光子所占的份额由41.06%上升至60.04%;而10 MV FFF的平均能量从2.796 MeV下降至1.956 MeV,低能光子所占的份额由21.22%上升至44.63%。同一射野内FFF模式的能谱随离轴距离的改变较小,同时每初始粒子所引起的能量注量是FF模式的2～4倍,射野内的能量注量分布变得不均匀,非平坦度F上升;分析不同射野下的能谱发现FFF模式的机头散射较少。结论:本研究结果对理解FFF模式下光子线的物理特性提供了非常好的参考价值。     

Comparison of the Batho, ETAR and Monte Carlo dose calculation methods in CT based patient models

This paper shows the contribution that Monte Carlo methods make in regard to dose distribution calculations in CT based patient models and the role it plays as a gold standard to evaluate other dose calculation algorithms. The EGS4 based BEAM code was used to construct a generic 8 MV accelerator to obtain a series of x-ray field sources. These were used in the EGS4 based DOSXYZ code to generate beam data in a mathematical water phantom to set up a beam model in a commercial treatment planning system (TPS), CADPLAN V.2.7.9. Dose distributions were calculated with the Batho and ETAR inhomogeneity correction algorithms in head/sinus, lung, and prostate patient models for 2 x 2, 5 x 5, and 10 X 10 cm2 open x-ray beams. Corresponding dose distributions were calculated with DOSXYZ that were used as a benchmark. The dose comparisons are expressed in terms of 2D isodose distributions, percentage depth dose data, and dose difference volume histograms (DDVH's). Results indicated that the Batho and ETAR methods contained inaccuracies of 20%-70% in the maxillary sinus region in the head model. Large lung inhomogeneities irradiated with small fields gave rise to absorbed dose deviations of 10%-20%. It is shown for a 10 x 10 cm2 field that DOSXYZ models lateral scatter in lung that is not present in the Batho and ETAR methods. The ETAR and Batho methods are accurate within 3% in a prostate model. We showed how the performance of these inhomogeneity correction methods can be understood in realistic patient models using validated Monte Carlo codes such as BEAM and DOSXYZ.     

蒙特卡罗方法研究均整器对6MVX线能谱的影响

目的：用蒙特卡罗方法计算Varian Trilogy加速器无均整器条件下6MVX射线能谱。分析均整器对能谱的影响。方法：先用BEAMnrc分别模拟计算Varian Trilogy加速器6MV射线在具备均整器和无均整器条件下,方野边长分别为4cm、6cm、8cm、10cm、20cm和40cm时的相空间文件。以相空间文件为输入用BEAMDP分析光子能谱。结果：无均整器条件下光子注量增大,在光子能谱峰值附近最明显．射野边长为4cm时去掉均整器后光子注量增加的最多为6．284倍,随着射野增大增加倍数减小,射野边长为40cm时最小为2．398倍．无均整器条件下光子谱峰值能量降低,光子谱整体左移,平均能量明显减小。结论：去除均整器后,加速器的输出光子能谱发生较大变化。随之剂量特性发生改变,临床上可能产生一定的获益或未知情况,尚需要进一步的研究支持。     

基于模拟退火法的医用电子加速器6MV X 射线能谱重建

根据测量的中轴百分深度剂量（PDD）以及Monte Carlo模拟的单能光子PDD,研究基于模拟退火(SA)算法重建医用电子加速器6MV X射线能谱的方法。在优化过程中,选择60个能量间隔,对应不同的相对权重,选择目标函数为重建PDD（即各相对权重与Monte Carlo模拟单能光子PDD的乘积）与实测PDD之间的相关系数,运用模拟退火进行优化得到的最优解就是加速器的能谱。为了验证算法的有效性,对加速器治疗头进行Monte-Carlo模拟,得到从治疗头出射的6 MV光子能谱。实验结果表明,计算能谱与Monte-Carlo模拟能谱在能谱形状、峰值能量方面一致;同时,根据重建能谱获得的PDD与实测PDD保持高度一致,均方根误差为1.56×10^-4。上述实验结果表明,基于模拟退火算法重建光子能谱有效可靠。     

Derivation of electron and photon energy spectra from electron beam central axis depth dose curves

A method for deriving the electron and photon energy spectra from electron beam central axis percentage depth dose (PDD) curves has been investigated. The PDD curves of 6, 12 and 20 MeV electron beams obtained from the Monte Carlo full phase space simulations of the Varian linear accelerator treatment head have been used to test the method. We have employed a 'random creep' algorithm to determine the energy spectra of electrons and photons in a clinical electron beam. The fitted electron and photon energy spectra have been compared with the corresponding spectra obtained from the Monte Carlo full phase space simulations. Our fitted energy spectra are in good agreement with the Monte Carlo simulated spectra in terms of peak location, peak width, amplitude and smoothness of the spectrum. In addition, the derived depth dose curves of head-generated photons agree well in both shape and amplitude with those calculated using the full phase space data. The central axis depth dose curves and dose profiles at various depths have been compared using an automated electron beam commissioning procedure. The comparison has demonstrated that our method is capable of deriving the energy spectra for the Varian accelerator electron beams investigated. We have implemented this method in the electron beam commissioning procedure for Monte Carlo electron beam dose calculations.     

蒙卡剂量算法(XVMC)在胸部肿瘤调强放射治疗计划设计中的临床价值

目的:比较蒙卡剂量算法(Monte Carlo)和笔形束剂量算法(Finite Site Pencil Beam)在胸部肿瘤调强放射治疗计划设计中对计划结果的影响。方法:在MONACO(CMS)治疗计划系统中,分别使用其内嵌的光子蒙卡(XVMC)剂量算法和笔形束剂量算法,对5例胸部肿瘤病例比较其靶区和危及器官的剂量。结果:蒙卡方法得到的结果和笔形束算法的结果相差较大。结论:对于组织密度差异较大的胸部肿瘤病例,特别是使用调强放射治疗技术时,用XVMC剂量算法评估放射治疗计划更准确。     

体元大小对基于MonteCarlo的剂量计算的影响

目的：在放射治疗计划系统中,剂量计算之前需要对人体密度数据体元化。对于蒙特卡罗方法的模拟过程,当一个自由程跨过体元界面时,会应用自由程近似。选取的体元越小,将导致越多的自由程近似。本文采用蒙特卡罗方法模拟一个虚拟射线源入射到水箱中的反应,计算水箱中的剂量分布,通过比较水箱分层和不分层两种情况下中心轴百分深度剂量分布和离轴比分布,来探讨选用不同大小的体元对剂量分布的影响。方法：本文以6MeV的方形电子射线源为外照射源、以三维水箱为介质模型。使用PENELOPE程序包模拟电子束垂直入射到水箱中引起的电子与物质的相互作用。比较水箱在分层和不分层情况下中心轴百分深度剂量和离轴比分布。结果：通过比较水箱在分层和不分层情况下中心轴百分深度剂量和离轴比分布,发现差异很小。结论：选用不同大小的体元,蒙特卡罗近似处理自由程对剂量计算精度的影响很小。研究结果对蒙特卡罗方法在放射治疗中的临床应用具有指导意义。