调强放疗中小野剂量学特性研究

目的对加速器小野的剂量学特性进行研究,以指导调强放疗在临床上的应用。方法计算西门子primusM加速器小野条件下的总散射因子并比较相对剂量分布的测量和计算结果。结果在小野测试中,当治疗计划系统计算精度优于0.2 cm时,>2 cm×2 cm射野的总散射因子的计算值误差<3%,所有射野的计算与测量的相对剂量分布均较为吻合,但<2 cm×2 cm的射野在边缘低剂量区有一定的偏差。结论对于治疗计划系统计算的小射野剂量分布的误差在调强计划设计上应加以考虑,多叶准直器的到位精度对小射野剂量影响不容忽视。     

Monaco计划系统中构建治疗床模型对放疗剂量控制意义探讨

目的 Monaco计划系统采用蒙卡算法提高了剂量运算精确性,但忽略了治疗床对放疗剂量的影响.本研究量化Elekta Synergy直线加速器iBEAM(R)evo Couchtop EP治疗床对剂量吸收的影响,在Monaco计划系统中模拟构建治疗床模型以降低治疗床对放疗剂量的影响.方法 将圆柱型均匀模体分别放置在治疗床的左、中、右3个位置,机架从180°到射野与治疗床相互作用的边缘,每间隔10°测量其衰减系数.将电离室放置在模体等中心,采用6 MV光子线在10 cm×10 cm射野下进行测量.以实际测量治疗床衰减值为参考值,通过不断调整相对电子密度值确定治疗床模型电子密度值.通过最小计算网格(2 mm)模拟结果评估治疗床模型构建的精确性.结果 在Monaco计划系统中治疗床模型外层碳纤维采用0.5 g/cm3和内层碳泡沫采用0.1 g/cm3,对于6 MV光子线不同机架角度计算值和测量值有很好的一致性.除了当模体位于治疗床左侧机架为140°时相对偏差可达1.79％外,其他值均＜0.94％.不引入治疗床模型,模体位于治疗床左、中、右位置时,实际测量和计算的剂量偏差最大分别可达5.52％、4.74％和4.54％;当引入治疗床模型后,测量和计算平均绝对剂量差由不包含治疗床模型的4.42％、4.2％和3.51％,分别减少到0.63％、0.3％和0.42％.结论 Monaco计划系统中构建iBEAM(R)evo Couchtop治疗床模型可以精确的模拟治疗床对剂量的衰减,在计划设计时可以采用.     

基于蒙特卡罗实现容积调强弧形治疗计划独立剂量验证的应用研究

目的 开发基于蒙特卡罗(MC)的验证平台实现容积调强弧形治疗(VMAT)计划的独立剂量验证。方法 利用EGSnrc/BEAMnrc构建Varian TrueBeam医用直线加速器的机头和准直器模型,并基于机头模型和自编程序搭建患者VMAT计划的独立剂量验证平台,通过平台模拟不同射野大小百分深度剂量(PDD)曲线和离轴比、两个不规则野以及头颈部、胸部和盆腔各1例患者剂量分布。比较不同射野大小PDD曲线和离轴比与蓝水箱测量结果差异,不规则射野与ArcCHECK实测的差异,再通过γ分析法、剂量体积直方图对比分析患者MC模拟剂量、计划系统计算剂量、ArcCHECK实测剂量之间差异,验证平台是否可用于独立剂量验证。结果 对4cm×4cm~40cm×40cm的PDD曲线和离轴比,MC模拟结果和测量结果一致性较好。不规则射野MC模拟结果与ArcCHECK实测相比,在3%/2mm、3%/3mm下γ通过率都在98.1%、99.1%以上;3例不同部位VMAT患者MC模拟剂量和ArcCheck实测剂量在3%/2mm、3%/3mm下γ通过率均好于93.8%、95.9%。通过三维γ分析计划系统计算剂量和MC模拟剂量在3%/3mm下鼻咽癌、肺癌、直肠癌的γ通过率分别为95.2%、98.6%、98.9%;在3%/2mm下依次为90.3%、95.1%、96.7%。结论 基于MC开发的验证平台模拟结果与实际测量结果一致性较好,其模拟结果更接近于患者体内真实剂量分布,初步结果显示可用于VMAT计划的精准独立剂量验证。     

Bolus与皮肤间空腔对浅层组织剂量沉积影响研究

目的 研究Bolus与皮肤间空腔厚度和面积对浅层组织剂量的影响。方法 运用Geant4构建出射6 MV X线的加速器模型,模拟10 cm×10 cm射野下出束情况并记录出射粒子相空间文件。在源轴距水平构建30 cm×30 cm×30 cm水模体,分别在其靠近加速器一侧构建紧贴模体表面及含有不同空腔的30 cm×30 cm×1 cm水膜,以相空间文件作入射粒子源,模拟粒子输运过程,获取水模体中心轴深度剂量分布和射野中心区域不同深度处侧向剂量profile。将含有不同空腔时的模拟数据与水膜和水模体紧密贴合时的数据进行对比。结果 空腔厚度≤5 mm时,影响较小,之后随厚度增加,最大剂量深度(Dmax)增加,对应处百分深度剂量减小,侧向剂量profile受影响深度增加,中心区域剂量减小;随空腔面积增加,Dmax先增大后减小,对应处百分深度剂量先减小后增加,侧向剂量profile受影响深度先增加后减小,中心区域剂量先减小后增加;在远离空腔及深度≥15 mm时侧向剂量profile基本不受影响。结论 使用Bolus时其下空腔厚度应在5 mm以内,面积尽量小。     

Monaco计划系统控制点统计不确定度选择对鼻咽癌剂量计算影响

目的:探讨Monaco计划系统控制点统计不确定度的选择对鼻咽癌剂量分布的影响,给出蒙特卡罗计算中满足临床的单个控制点统计不确定度。方法:设置9个等机架角度间隔的10 cm×10 cm方野并随机抽取5例9个野调强放疗(IMRT)和5例容积调强弧形治疗(VMAT)鼻咽癌计划,以各自计划CT作为质量保证模体创建验证计划,计算...     

基于蒙特卡洛方法研究电子线输出因子影响因素

目的 使用蒙特卡洛方法计算电子线输出因子,探讨直线加速器各组成部分对输出因子影响。方法 使用蒙特卡洛MCTP软件模拟瓦里安23EX医用直线加速器6、9、18 MeV电子线,源皮距100 cm下不同射野大小(2 cm×2 cm~25 cm×25 cm)的输出因子。使用Scanditronix Wellhofer Blue Phantom自动扫描系统三维水箱测量相同条件下的输出因子。观察计算与测量结果差异,要求两者<2%。再使用蒙特卡洛方法分别计算不同能量下不同限束系统条件下原粒子和散射粒子的输出因子(包括限光筒、铅门、挡铅的输出因子),并讨论限束系统各个部件对输出因子的影响。结果 MCTP系统计算的6、9、18 MeV电子线输出因子与测量结果间差异<1%。电子线能量、限光筒—铅门—挡铅组合以复杂的方式影响原粒子和散射粒子,从而影响输出因子。 结论 蒙特卡洛MCTP软件能精确计算不同能量下不同限束系统条件下原粒子和散射粒子的输出因子,电子线能量及限束系统以复杂方式影响输出因子。     

基于简化机头模型与筒串卷积算法的调强计划独立三维剂量验算

目的 建立医用直线加速器的双点源机头模型,结合筒串卷积算法实现调强治疗计划三维独立剂量验算。 方法 分别对瓦里安、医科达直线加速器建立双点源机头模型,结合筒串卷积剂量算法计算三维剂量分布。与电离室水箱扫描数据比较规则野的Scp、PDD、离轴剂量分布确认计算模型。两种加速器分别各选取 12例共 24例调强治疗计划进行比较,对TPS计算结果进行独立验算,并且与探测器矩阵测量结果进行比较。 结果 矩形野中心点剂量偏差均<1%,射野内相同位置二者剂量偏差≤1%,半影区域位置偏差≤1 mm。采用3%/3 mm标准γ通过率均>90%。 结论 建立了基于双点源机头模型结合筒串卷积算法实现调强治疗计划三维独立剂量验算,对规则射野及调强治疗计划的验证比较,表明该方法和计算模型可用于临床计划的三维独立剂量验算。     

螺旋断层放疗系统调强放疗验证

目的 通过螺旋断层放疗系统一系列调强放疗验证方法的研究,探讨其调强放疗的质量保证验证方法是否可行.方法 采用断层放疗计划系统进行调强放疗计划设计.为实现其剂量验证,笔者采用圆柱形固体水模体、0.056cm3 AISL电离室及EDR2胶片来实现对计划进行绝对剂量及相对剂量验证.将剂最胶片和电离室分别置于模体中,调用患者治疗计划束流数据对模体进行模拟照射;由此得出轴向截面上的等剂量分布和点绝对剂量,与计划模体的等剂量曲线及计算剂量结果进行比对.束流照射前,利用调强放疗兆伏特CT对摆位模体实行图像引导,与计划系统中模体千伏特CT图像进行配准比较,实现验证模体摆位准确性.结果 轴向测得注量分布与断层放疗计划系统计算结果相一致,测量点绝对剂量测量的结果与计划系统的计算误差均在±3%以内.测量模体的摆位误差基本可保持在1mm以内,但由于床从摆位虚拟中心到束流中心之间存在垂直下降2mm的系统误差,需要在模体或患者摆位中予以考虑.结论 3个月临床实践证明断层放疗的调强放疗所采用上述质量保证措施是切实可行的,建立了其质最保证体系.     

乳腺癌保乳术后调强放疗摆位误差的剂量学研究

目的：研究乳腺癌保乳术后调强放疗摆位误差对靶区内剂量的影响。方法：使用电子射野影像系统（EPID）,在治疗初及治疗中对10例乳腺癌保乳术后病人调强放疗时所拍摄的60幅射野图像,与计划系统生成的标准射野数字重建（DRR）图像进行比较,测量每一位病人的平均摆位误差数值。比较初次调强放射治疗计划（对照组）和参考误差后制定的调强放射治疗计划（试验组）二者靶区剂量体积直方图差异。结果：10例患者摆位误差在左右（X）和头脚（Y）及前后（Z）的平均移动偏差分别为（0．8±1．3）mm、（3．2±2．5）mm、（1．8±1．5）mm。对照组、试验组中CTV的D95分别为4992cGy±38cGy、4916cGy±113cGy,V105％分别为24．2±18．6、31．8±24．3;V110% 0．12±0．4、1．8±1．3。结论：乳腺癌保乳术后调强放疗PTV外放5mm是可行的。     

鼻咽癌调强放疗射野与下颈野衔接的研究

目的探讨鼻咽癌调强放疗射野与下颈野的最佳衔接方法。方法采用两种方法设下颈野,保证下颈部淋巴引流区[nl（r）-ptv]每次得到180eGy的照射。方法A：只设1个常规下颈野T,6MVX线,SSD=100cm,中心用挡铅保护脊髓,保证下颈部淋巴nl（r）-ptv的单次剂量D95≥180cGy;方法B2先设一与方法A相同的下颈野T1,拷贝T1野生成12野,缩小亿野上界,单次输出量（MU）与方法A相同,按需要分配给T1野和T2野。比较两种设野方法与上颈部的调强治疗计划衔接处照射剂量的区别。结果方法A nl（r）-ptv的最大剂量分别达到处方剂量的198％和193％,存在明显的高剂量区,方法B最大剂量分别只有处方剂量的122％和125％,降低了高剂量区的范围。结论由于调强放疗射野的不均匀性。造成方法A存在明显的高剂量区,方法B利用正向调强的原理,在不增加工作量和操作难度的前提下很好地解决了鼻咽癌调强放疗射野与下颈野衔接的问题。     

食管癌调强放疗计划剂量学验证研究

目的 对比分析食管癌调强放疗(IMRT)计划的三种剂量验证方法.方法 使用Pinnacle 8.0 h计划系统完成7例食管癌IMRT计划,选用二、三维剂量验证设备MATRIXX和Delta4完成测量验证.IMRT原计划和Delta4移植计划使用蒙特卡罗方法重新计算.评价MATRIXX和Delta4测量的gamma通过率;Pinnacle计算,Delta4测量与蒙特卡罗模拟结果分别比较gamma图,中心层面剂量分布,剂量曲线和剂量体积直方图.结果 gamma误差设定为3%/3 mm,MATRIXX测量通过率＞98%,Delta4测量通过率为94.4%,其中有4个射野＜90%.Delta4测量和蒙特卡罗模拟比较,误差限定为2 mm/2%和3 mm/3%时,gamma通过率分别为97.6%和99.8%.Pinnacle计划系统计算的中心层面剂量分布、剂量曲线与蒙特卡罗模拟计算结果、Delta4测量结果比较一致.Delta4测量与蒙特卡罗模拟计算的剂量体积直方图一致性很好,均与Pinnacle计划系统计算略有差异.结论 3种方法均能完成食管癌IMRT计划的验证,蒙特卡罗和Delta4方法在验证过程中无数据丢失.Delta4实现了三维的剂量验证,蒙特卡罗能够在每个患者的实际CT图像上进行模拟计算.

Abstract：

Objective To compare the results of three dose verification solutions of esophageal carcinoma IMRT plans. Methods Seven esophageal carcinoma cases were planned with Pinnacle 8.0 h.The MATRIXX and Delta4 were chosen as the two-dimensional dosimetry and three-dimensional dosimetry.IMRT plans and Delta4 phantom plans were also recalculated by Monte Carlo. Gamma values were evaluated for MATRIXX and Delta4 with 3 mm/3% gamma criteria. For the comparison of Pinnacle, Delta4 and Monte gamma maps, the dose distribution in central plane, dose profiles and dose-volume histograms were used to evaluate the agreement. Results The gamma maps comparison show that with 3 mm/3% gamma criteria an over 98% pass ratio was obtained by MATRIXX measurement. A 94. 4% gamma pass ratio whicl.contains 4 fields gamma pass ratio lower than 90%, was obtained by Delta4 measurement. A 97.6% and 99. 8% gamma pass ratio was obtained between the Delta4 measurement and Monte Carlo simulation with 2 mm/2% and 3 mm/3% gamma criteria. The dose distribution in central plane and dose profiles from Pinnacle calculation were almost in agreement with both the Monte Carlo simulation and Delta4 measurement. The DVH plot have slightly differences between Pinnacle and Delta4 measurement as well as Pinnacle and Monte Carlo simulation, but have excellent agreement between Delta4 measurement and Monte Carlo simulation. Conclusions It was shown that all the three methods can be used very efficiently to verify esophageal carcinoma IMRT delivery, Delta4 and Monte Carlo simulation no data missed. The primary advantage of Delta4 is the fact it can measure true 3D dosimetry while Monte Carlo can simulate in patients CT images but not in phantom.     

Advanced kernel methods vs. Monte Carlo-based dose calculation for high energy photon beams

Purpose

The aim of this study was to compare the dose calculation accuracy of advanced kernel-based methods and Monte Carlo algorithms in commercially available treatment planning systems.

Materials and methods

Following dose calculation algorithms and treatment planning (TPS) systems were compared: the collapsed cone (CC) convolution algorithm available in Oncentra Masterplan, the XVMC Monte Carlo algorithm implemented in iPlan and Monaco, and the analytical anisotropic algorithm (AAA) implemented in Eclipse. Measurements were performed with a calibrated ionization chamber and radiochromic EBT type films in a homogenous polystyrene phantom and in heterogeneous lung phantoms. Single beam tests, conformal treatment plans and IMRT plans were validated. Dosimetric evaluations included absolute dose measurements, 1D γ-evaluation of depth-dose curves and profiles using 2 mm and 2% dose difference criteria for single beam tests, and γ-evaluation of axial planes for composite treatment plans applying 3 mm and 3% dose difference criteria.

Results

Absolute dosimetry revealed no large differences between MC and advanced kernel dose calculations. 1D γ-evaluation showed significant discrepancies between depth-dose curves in different phantom geometries. For the CC algorithm γ_mean values were 0.90 ± 0.74 vs. 0.43 ± 0.41 in heterogeneous vs. homogeneous conditions and for the AAA γ_mean values were 1.13 ± 0.91 vs. 0.41 ± 0.28, respectively. In general, 1D γ results obtained with both MC TPS were similar in both phantoms and on average equal to 0.5 both for profiles and depth-dose curves. The results obtained with the CC algorithm in heterogeneous phantoms were slightly better in comparison to the AAA algorithm. The 2D γ-evaluation results of IMRT plans and four-field plans showed smaller mean γ-values for MC dose calculations compared to the advanced kernel algorithms (γ_mean for four-field plan and IMRT obtained with Monaco MC were 0.28 and 0.5, respectively, vs. 0.40 and 0.54 for the AAA).

Conclusion

All TPS investigated in this study demonstrated accurate dose calculation in homogenous and heterogeneous phantoms. Commercially available TPS with Monte Carlo option performed best in heterogeneous phantoms. However, the difference between the CC and the MC algorithms was found to be small.     

蒙特卡罗系统验证PBC和CCC算法精确度的临床研究

目的 运用蒙特卡罗系统验证PBC、CCC算法在肺癌放疗计划时的精确度。方法 使用Oncentra Masterplan TPS对本院2012—2013年间收治的24例肺癌患者分别进行PBC、CCC计算。设计2个IMRT计划和2个3DCRT计划,将计划的DICOM-RT文件导入蒙特卡罗系统进行剂量重建。配对t检验差异。结果 4个计划中无论是IMRT还是3DCRT计划CCC、PBC计算的靶区平均剂量与蒙特卡罗计算值的差别均随靶体积减小而增大(P=0.00、0.00、0.00、0.00),且IMRT计划比3DCRT的大(P=0.00、0.01)。IMRT计划中CCC计算的D_98%、D_95%、D_90%、D_50%、D_2%与蒙特卡罗计算值差别逐渐减小(P=0.00、0.00、0.00、0.00、0.00),上述现象同样出现在PBC算法中,但CCC计算的3DCRT计划中的不显著(P=0.18、0.08、0.62、0.08,0.97)。IMRT和3DCRT计划中,CCC算法高估了整个患侧肺剂量;PBC算法高估了患侧肺V₂₀(P=0.00、0.00),低估了患侧肺V₅(P=0.00、0.00),但3DCRT计划中V₁₀值相近(P=0.47)。结论 建议在肺癌放疗计划计算时使用精确度更高的算法而不使用PBC算法。蒙特卡罗比其他算法精度更高。     

基于蒙特卡洛方法对小野数据测量比较研究

目的 采用临床上常见的探测器对小野的相对剂量曲线进行测量并和蒙特卡洛方法模拟计算结果进行比较,得出比较准确的测量方法,并对误差较大的探测器进行修正。方法 采用探测器CC13、PFD、SFD联合蓝水箱的使用,对美国瓦立安公司的Trilogy直线加速器的6 MV X射线下的2 cm×2 cm,3 cm×3 cm,4 cm×4 cm的百分深度剂量曲线和平坦度对称性曲线进行数据采集,测量结果与当前的金标准即蒙特卡洛方法模拟计算的结果进行比较,得出适合小野相对剂量数据测量的方法,并给出误差较大的探测器的修正因子,为临床上提供参考数据。结果 SFD探测器与蒙卡模拟计算的结果最接近。CC13、PFD测量误差较大。CC13、PFD的测量结果中半影区内的修正因子最大可达到1.499,小的可以达到0.664。结论 SFD较CC13、PFD更适合小野相对数据的测量,CC13、PFD可以通过相应的修正为临床提供参考数据。     

Verification of a commercial implementation of the Macro-Monte-Carlo electron dose calculation algorithm using the virtual accelerator approach

In this work, the accuracy of the implementation of the Macro Monte Carlo electron dose calculation algorithm into the radiation therapy treatment planning system Eclipse is evaluated. This implementation – called eMC – uses a particle source based on the Rotterdam Initial Phase-Space model. A three-dimensional comparison of eMC calculated dose to dose distributions resulting from full treatment head simulations with the Monte Carlo code package EGSnrc is performed using the ‘virtual accelerator’ approach. Calculated dose distributions are compared for a homogeneous tissue equivalent phantom and a water phantom with air and bone inhomogeneities. The performance of the eMC algorithm in both phantoms can be considered acceptable within the 2%/2 mm Gamma index criterion. A systematic underestimation of dose by the eMC algorithm within the air inhomogeneity is found.     

放疗中高次散射X线对剂量计算结果影响分析

目的 分析放疗中X线的高次散射对剂量计算结果的影响,解决将2次散射光子及高次散射光子对剂量贡献问题修正到1次散射光子散射剂量贡献中的可能性,为建立快速蒙特卡罗剂量计算方法提供支持。方法 采用X线与物质的作用截面理论和蒙特卡罗方法计算结果,分析1次、2次和高次散射X线对剂量计算精确度影响相对重要性。结果 ≥2次的高次散射对剂量的影响很小,并且可通过一小的修正系数被修正到1次散射X线的贡献中。结论 只追踪原射线和1次散射X线剂量贡献就可获得临床满意的剂量计算精确度,如用蒙特卡罗方法建立1次散射X线散射光子注量角分布和光子平均能量散射角分布模型数据库,将有助于提高临床剂量的蒙特卡罗计算效率。     

Analysis of the dose calculation accuracy for IMRT in lung: a 2D approach

The purpose of this study was to compare the dosimetric accuracy of IMRT plans for targets in lung with the accuracy of standard uniform-intensity conformal radiotherapy for different dose calculation algorithms. Tests were performed utilizing a special phantom manufactured from cork and polystyrene in order to quantify the uncertainty of two commercial TPS for IMRT in the lung. Ionization and film measurements were performed at various measuring points/planes. Additionally, single-beam and uniform-intensity multiple-beam tests were performed, in order to investigate deviations due to other characteristics of IMRT. Helax-TMS V6.1(A) was tested for 6, 10 and 25 MV and BrainSCAN 5.2 for 6 MV photon beams, respectively. Pencil beam (PB) with simple inhomogeneity correction and 'collapsed cone' (CC) algorithms were applied for dose calculations. However, the latter was not incorporated during optimization hence only post-optimization recalculation was tested. Two-dimensional dose distributions were evaluated applying the gamma index concept. Conformal plans showed the same accuracy as IMRT plans. Ionization chamber measurements detected deviations of up to 5% when a PB algorithm was used for IMRT dose calculations. Significant improvement (deviations approximately 2%) was observed when IMRT plans were recalculated with the CC algorithm, especially for the highest nominal energy. All gamma evaluations confirmed substantial improvement with the CC algorithm in 2D. While PB dose distributions showed most discrepancies in lower (<50%) and high (>90%) dose regions, the CC dose distributions deviated mainly in the high dose gradient (20-80%) region. The advantages of IMRT (conformity, intra-target dose control) should be counterbalanced with possible calculation inaccuracies for targets in the lung. Until no superior dose calculation algorithms are involved in the iterative optimization process it should be used with great care. When only PB algorithm with simple inhomogeneity correction is used, lower energy photon beams should be utilized.     

直线加速器8 MV X射线能谱及结构研究

目的 研究医用直线加速器8 MV X射线的能谱结构,简化能谱结构的描述方式。方法 采用蒙特卡罗通用程序Geant4,对加速器产生的X射线能谱角分布和能谱结构进行研究。结果 通过对X射线能谱结构的调试形成具体加速器的虚拟X射线源,采用蒙特卡罗Gean4程序计算得出在该虚拟源辐射场中水模体内不同照射野的百分深度剂量以及照射野内不同深度处Profile剂量曲线与测量结果精确吻合。结论 放疗中具有相同能量的X射线都具有非常相近的能谱和能谱角分布,剂量学特性的细节差异反映了能谱角分布的细节差异。对利用测量剂量曲线快速建立源模型有着非常重要的意义。     

空腔和非均匀组织对不同照射技术的剂量学影响

目的 使用仿真人体模型,研究空腔及非均匀组织结构对不同照射技术的剂量学影响。方法 利用成都剂量体模,制作具有4 cm×4 cm×3 cm空腔结构的头颈部模体和胸部切片肺组织模体,按照实际治疗流程进行定位CT扫描和模拟定位机复位,在空腔和非均匀组织结构边界处及其内部粘贴3.2 mm×3.2 mm×0.8 mm超薄型热释光剂量片,采用不同照射技术设计治疗计划并在直线加速器上进行实际照射,对热释光剂量片数值进行分析。结果 头颈部仿真模体,单野、两野对穿和7个野IMRT计划照射测量结果均存在显著的空腔效应,并且随射野增加和放疗技术的复杂性,空腔效应有减小趋势;对胸部肺组织仿真模体,也存在类似空腔效应。结论 对人体组织内部空腔结构或非均匀组织结构,设计计划时应考虑空腔效应影响,给予更多射野或使用更加复杂的照射技术来减小空腔效应影响。