基于EPID采用参数化梯度法测定光子束射野边界

【摘 要】 目的:探究参数化梯度方法（PGM）测量电子射野影像系统（EPID）光子束射野大小的可行性。 方法:PGM通过一个修改的双曲正切函数拟合Profile半影区。瓦里安EDGE机载aS1200采集6 MV和10 MV FF及FFF射束EPID数据,TrueBeam机载aS1000采集6 MV FF射束EPID数据。γ分析1 mm/1%标准量化PGM拟合Profile半影区与EPID测量半影区一致性。比较半高宽方法与PGM测量的FF射束射野大小,比较最大斜率方法与PGM测量的FFF射束射野大小;比较PGM在不同射束能量、不同EPID探测器类型和引入铅门位置误差后测量射野边界的稳定性和扩展性。 结果:半影区PGM拟合与EPID实测数据Pearson相关系数大于0.999,γ值小于0.2。FF射束,半高宽方法测定射野均大于PGM,且随着射野增大而增大,Profile本影去除后,两种方法测量差值显著减小;FFF射束,最大斜率方法与PGM测定射野大小差值在0.1 mm以内。PGM能够稳定测量不同能量、不同模态、不同EPID探测器类型射野边界,能够准确识别铅门1 mm位置变动。 结论:PGM可作为一种鲁棒通用的方法适用于EPID光子束射野质量保障。     

Varian Edge加速器射野外辐射剂量水平与铅防护用品的防护效果

目的:研究Varian Edge加速器不同工作状态下射野外辐射剂量水平以及铅防护用品的防护效果。方法:利用实验测量的方法，研究加速器在不同工作能量、不同线束均整状态、使用不同防护用品，测量距射野边缘不同距离及不同深度下辐射剂量水平的变化情况。结果:射野外辐射剂量随距射野边缘距离增加（5~40 cm）近似呈指数规律下降，距射野边缘20 cm范围内低能量射束（6 MV、6 MV FFF）的辐射剂量低于高能射束（10 MV、10 MV FFF）的辐射剂量，且随测量深度增加（1~2 cm）而降低。非均整模式下射野外剂量测量结果低于均整模式射束。在相同能量条件下，铅防护用品的防护效果与线束的均整状态无关。对高能射束的防护效果要优于低能射束且随深度增加防护效果迅速下降。深度为1 cm，射束能量10 MV FFF，距射野边缘5~30 cm条件下，防护效果最强，射野外辐射剂量水平降低50%以上。测量深度为2 cm，射束能量为6 MV FFF，距离射野边缘5~30 cm的条件下，防护效果最差，仅能降低10%以下。结论:在实现临床目标的前提下，治疗过程中若无铅防护用品进行保护，推荐采用低能非均整模式进行计划设计；若使用铅防护用品进行保护，可以采用高能非均整模式射束，此时铅防护用品效果最佳，射野外浅层器官所受剂量最低，可有效降低二次肿瘤发生几率。     

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。     

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。     

应用辐射直接显色剂量胶片测量高能光子线的表面和建成区剂量

目的：准确测量高能光子射线剂量建成区的剂量分布，评估三维水箱扫描深度剂量曲线在表浅部位的误差。方法：使用辐射直接显色胶片（EBT胶片）测量加速器6MV光子线由体模表面到最大剂量深度区间的建成剂量分布，并与传统的电离室和半导体探头三维水箱扫描百分深度剂量曲线在该区间的剂量分布进行比较。结果：在接近最大剂量深度的区间（0．6cm-Dmax），EBT胶片与三维水箱扫描测量结果非常接近，差别小于2％；在电离室和半导体探头的有效测量深度至0．6cm深度区间，对不同射野大小，EBT胶片测量值大于两种三维水箱测量值5％～10％；在小于电离室和半导体探头的有效测量深度的区间，EBT胶片的测量值与水箱扫描结果比较差别最大分别达到22.7％（半导体探头）和49.3％（电离室）。结论：EBT胶片可以用于准确测量表面和建成区剂量分布，三维水箱扫描得到的PDD曲线应该进行建成区修正。     

用解卷积方法提取笔射束核的实现

本研究论述了在三维放疗计划的剂量计算中．如何用解卷积方法从测量的宽平行射束离轴比数据中提取笔射束卷积核，并且用这个核重建其它尺寸射野的射束分布，与实际测量的相同尺寸射野的射束分布进行比较，取得了较好的一致性，从而为进一步的实际应用奠定了理论基础。     

有无均整器模式下臂架与准直器不同角度条件下的剂量学比较

目的:探讨臂架或准直器角度的改变对均整（FF）与非均整（FFF）两种模式的射线剂量的影响。方法:选用Versa HD直线加速器配备的6 MV/10 MV光子束FF/FFF模式4档能量在设定好九点位置的10 cm×10 cm标准射野内进行实验。首先,借助IMF等中心夹具将Mapcheck2固定于治疗机机头,并用Mapcheck2测量相同臂架与准直器角度条件下4种光子束输出的平面剂量值;其次,用Mapcheck2测量在相同臂架角度、不同准直器角度与相同准直器角度、不同臂架角度两种条件下4种光子束的中心轴剂量值;最后,固定准直器为0°,设立两组臂架对穿射野（0°与180°,90°与270°）。拆除Mapcheck2,采用固体水和FC65-G电离室建立一个测量模体来测量4种光子束在两组等中心对穿野的剂量。运用SPSS统计软件对该实验收集到的数据进行对比分析。结果:在相同臂架与准直器角度条件下,4种光子束辐照9个点的平面剂量之间均存在明显统计学差异（P6 MV FF =0.020, P6 MV FFF=0.017, P10 MV FF =0.030, P10 MV FFF=0.016）;而不同臂架角度或不同准直器角度条件下,4种能量光子束的中心轴点剂量值均无统计学差异。在0°与180°的对穿野,4种能量光子束的输出剂量存在统计学差异（P6 MV FF =0.001, P6 MV FFF=0.002, P10 MV FF =0.003, P10 MV FFF=0.001）,而在90°与270°的对穿野无统计学差异。结论:Versa HD直线加速器拥有优良的机械等中心性能。在实际工作时,臂架和准直器的旋转,均不影响光子束的中心轴剂量的准确输出。在FF模式下,射线能量越高,受治疗床影响越小;FFF模式射线由于射线质软,能量越高,更易受到治疗床的衰减作用,在实际中应引起重视。     

三维放射治疗计划系统临床物理数据的测量和验证

目的：探讨三维治疗计划系统测量的方法，分析拟合数据参数的计算方法，并且利用测量设备验证计算数据和拟合参数的准确性。方法：利用PTW和IBA三维水箱模体对多套三维计划系统进行所需的临床物理数据进行测量，对一种治疗计划系统依据测量数据进行拟合公式得到的线性系数进行分析，得到治疗计划时所需的计算数据，并且利用测量设备对计算数据进行验证。结果：利用测试数据得到的拟合数据及计算模型相关系数输入到TPS后得到相应的计算数据。通过测试设备验证：拟合数据PDD与测量PDD一致性比较好，误差小于±1％；Profiles数据在半影区域，小射野一致性误差最大可达到3％。对TPS的数据验证，单野PDD剂量点和Profiles数据点均能在±3％以内。结论：了解三维治疗计划系统的计算模型和参与物理数据的测试对TPS的质量保证和质量控制具有积极意义。     

国产NT-AD200型三维水箱射束扫描性能验证

目的:全面了解中国测试技术研究院NT-AD200型三维水箱的射束扫描精度与性能。 方法:以德国IBA公司Blue Phantom 2三维水箱为参照,分别使用NT-AD200型三维水箱与Blue Phantom 2三维水箱对美国瓦里安公司TrueBeam医用直线加速器进行6 MV光子线剂量学数据采集。测量源皮距为100 cm和不同射野大小条件下的百分深度剂量（PDD）曲线,比较分析各相同射野条件下不同深度的离轴比（OAR）曲线。 结果:与进口设备相比,在机械控制及易用性方面,NT-AD200还存在着一定的差距。在射束扫描性能方面,以Blue Phantom 2数据为基准,PDD建成区以外剂量偏差均值均小于1%,标准差小于0.3%,建成区最大剂量偏差出现在（3×3） cm2射野大小,为-5.23%±7.41%。OAR曲线80%射野大小范围内偏差均值均小于1%,标准差小于0.3%;80%~120%射野大小范围内（半影区）剂量偏差均值均小于1%,但标准差为0.51%~1.31%;120%射野大小范围以外NT-AD200型水箱的OAR比Blue Phantom 2水箱均偏大1%左右。 结论:NT-AD200型三维水箱与Blue Phantom 2三维水箱采集的剂量学数据有很好的一致性,射束扫描性能与进口设备相当。     

6 MV光子束有无均整器的剂量学特性研究

目的 研究直线加速器去掉均整器后6 MV光子束的剂量学特性,并与有均整器的情况下比较,为临床应用提供依据。方法 采集瓦里安Trilogy 6 MV光子束在有均整器(FF)(用6X FF表示)和去掉均整器(FFF)(用6X FFF表示)后的剂量学数据,比较两者百分深度剂量(PDD)、离轴剂量分布(Profile)、表面相对剂量(PDD_{1 mm})、射野外相对剂量、总输出因子(S_cp)。结果 6X FF的最大剂量深度(d_max)在3 cm×3 cm至15 cm×15 cm射野时为1.4 cm,在20 cm×20 cm射野后变为1.2 cm,30 cm×30 cm后变为1.0 cm,而6X FFF的d_max为1.2 cm且不随射野大小变化。在大于d_max后,同一深度6X FFF的PDD比6X FF的小,但两者差距随射野和深度变化不明显,在3 cm×3 cm射野5 cm深度处6X FFF的PDD比6X FF的小2.4,在40 cm×40 cm射野30 cm深度处6X FFF的PDD比6X...     

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。     

基于笔射束核阵列的三维适形剂量计算

目的:介绍一种基于笔射束核阵列的方法在剂量计算中的应用。方法:通过对由测量数据反解卷积获取的笔射束核阵列做进一步处理,得到拟合笔射束核。利用光通分布与笔射束核卷积得到射野剂量的分布,将拟合核和标准核计算的目标射野的剂量值与测量值进行比较。结果:与常规笔射束核相比,改进后的笔射束核应用于卷积模型中计算剂量分布,对模型的计算准确度有较大的提高。结论:改进后的笔射束核能够有效的提高卷积模型的计算精度,更为精确的预测射野的剂量分布。     

光子射野剂量计算参数研究

目的：介绍医用加速器常规光子射线的机器数据测量方法及剂量计算模型中基本参数的计算过程。以百分深度剂量与散射因子为基础数据,根据原散射线模型通过测量数据推导出原射线组织最大剂量比、散射最大剂量比、原射线在水中线性衰减系数、能量注量等,为进一步还原射野在水模体中的剂量分布提供方法与理论。方法：用Blue Phantom三维水箱在医科达Synergy加速器上测量6MV光子线的百分深度剂量、离轴比剂量、总散射因子、准直器散射因子,先从测量的百分深度剂量曲线中按照原散射模型剥离出原射线百分深度剂量,然后在Matlab软件中拟合处理测量的散射因子数据,外推出零野的模体散射因子,从而按照给定公式计算出组织最大剂量比、散射最大剂量比。按照离轴比剂量,利用平方反比规律推出最大开野在模体表面的能量注量。结果：计算出准直器散射因子、总散射因子的拟合公式,外推零野模体散射因子（s。）、根据原射线的百分深度剂量曲线计算出原射线在水中线性衰减系数,组织最大剂量比（TMR）、散射最大剂量比（SMR）、以及射野能量注量分布（Fluence Matrix）。结论：这些基本参数是剂量计算建模的关键,也是进一步研究各种剂量计算模型的基础。     

三维分析仪与两维矩阵射野测量的比较

目的:应用不同仪器与方法测量加速器6 MV X线射野的特性,比较各方法的优劣和局限性,探讨快速简便检测射野特性的方法。材料与方法:分别采用电离室和半导体探头配合三维射野分析仪测量加速器6 MV X线不同射野大小的百分深度剂量曲线PDD和离轴比曲线OCR,并以二维电离室矩阵测量相同条件的OCR。(1)比较采用电离室和半导体探头测量PDD的差别。(2)比较两维矩阵与电离室半导体探头测量射野的对称性、平坦度、射野大小和半影等的差别。结果:对小于15 cm×15 cm照射野,半导体探头和电离室测量PDD的结果一致性较好,两者偏差小于1.3%。对于20 cm×20 cm照射野,半导体探头的测量结果大于电离室,最大差别3.5%,偏差为2.6%。用半导体探头与电离室测量射野的大小,两者的最大差别为0.6 mm,两者有较好的一致性,二维电离室矩阵测量与前两者比较,最大差别为2.9 mm,最小差别0.5 mm。三种方法测量的射野平坦度差别在1.2%~2.6%,矩阵的测量数值在半导体和电离室测量范围之内。结论:在检测加速器射野性能时,二维矩阵可以快速检测射野平坦度、对称性,但测量射野大小时可能有较大误差,不宜用作验收加速器和收集...     

Octavius 4D系统稳定性验证分析

目的:探讨Octavius 4D系统用于容积旋转调强放射治疗(VMAT)三维剂量验证的稳定性。方法:比较分析semiflex电离室和Octavius 729探测器阵列在6 MV、10 MV射束下对射野大小、剂量线性、剂量率线性和射野输出因子的响应。测量观察Octavius 4D系统旋转过程中角度仪示值与机架角的角度偏差。用3%/3 mm标准分析(10×10)cm~2旋转照射计划和VMAT计划机架归零与旋转照射的二维剂量分布;用3%/3 mm gamma分析标准评估VMAT计划。结果:预热剂量大于6 Gy是探测器稳定的必要条件。探测器阵列剂量响应是线性的,不同标称剂量率下剂量测量是稳定的。旋转照射过程中加速器机架角和Octavius 4D模体旋转角度误差在0.4°以内。6 MV和10 MV射束VMAT计划在分析标准为3%/3 mm时,三维剂量分布的平均通过率分别为96.03%和95.56%,满足临床计划剂量验证的标准。结论:Octavius4D模体联合Octavius 729探测器阵列是一套稳定性装置,用于治疗前验证VMAT计划是可靠的。     

平行四边法则在Omni-Wedge刻度中的应用

目的：将普通物理学中的平行四边形法则引入Omni-Wedge的刻度中,并证实平行四边形法在Omni-Wedge刻度中的有效性。方法：将多个任意角度插入的Omni-Wedge沿相互垂直的两个方向分解,通过模体内置点剂量的要求建立数学方程,求解得到两个相互垂直方向上的楔形板角度和计量比。在Elekta Precise 2.12 TPS上对求得的结果进行拟合,并计算出单用Omni-Wedge和两个楔形板合成时模体内的剂量分布,分别截取单用Omni-Wedge时的剖面PDD图和横截面等剂量线图,及用两个楔形板合成时的剖面PDD图和横截面等剂量线图,对比两组对应图像上剂量的差别。结果：两组过射束中心轴的剖面PDD图上的剂量分布几乎无差别,非射束中心轴的剖面PDD图和横截面等剂量线图上的剂量分布均有较大差别。结论：平行四边形法则能在Omni-Wedge的刻度和检测中发挥一定的作用,可以作为日常质保质控中刻度和检测Omni-Wedge的一种选择。     

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。     

多丝电离室(DAVID)系统对加速器射束的影响

目的:通过测量未安装和已安装DAVID系统两种情况下加速器射束的参数,分析DAVID系统对射束的影响。方法:西门子ARTISTE直线加速器,配备160叶多叶光栅,选择6 MV的X线。多丝电离室(DAVID),型号为T34084。利用三维水箱、半导体探测器等仪器测量未安装和已安装DAVID系统两种条件下PDD、profile、TPR20/10和水下5 cm吸收剂量,分析DAVID系统对加速器射线束PDD、平坦度、对称性、射线质的影响,并计算出DAVID系统的衰减系数。结果:无和有DAVID两种条件下,5 cm×5 cm、10 cm×10 cm和20 cm×20 cm三个射野R100偏差在0.6 mm~1.3 mm,R80偏差在0.13 mm~0.66 mm,R50偏差在0.38 mm~1.12 mm;40 cm×40 cm的射野R100、R80和R50的偏差分别为3.12 mm、3.31mm和2.04 mm;QI的偏差分别为0.0020、0.0045、0.0101、0.0061;x和y方向平坦度偏差在0.10%~0.58%,对称性偏差在0.04%~0.26%;TPR20/10的偏差0.002。射线穿过DAVID,使剂量衰减了7.67%。结论:DAVID系统的复杂结构和材料对6MV的X射线束的PDD、对称性、平坦度和TPR20/10影响甚微,最主要的是射线经过DAVID系统造成了剂量的衰减。     

G4射波刀治疗头的蒙特卡罗模拟

用BEAMnrc程序代码构建G4射波刀治疗头,用DOSXYZnrc程序代码计算6种不同准直器射野的百分深度剂量及离轴比。通过与测量数据对比,分别微调次级准直器大小,从而确保模型的合理构建,并借助BEAMDP程序代码分析射波刀射束中光子谱分布及平均能量、粒子能谱分布及角分布等特点。结果显示各射野的百分深度剂量误差均在2%以内;在辐射野范围内,对于20 mm的射野,蒙特卡罗方法计算的离轴比与测量值间的误差在3%以内,而对于20 mm的射野,误差最大不超过5%;光子谱峰值能量为0.380 MeV,光子平均能量为1.570 MeV;出射光子强度比电子强度高出3个数量级;光子角分布集中在与中心轴成5°的范围内,而电子角分布范围较大。这些信息对临床与辐射防护有一定意义,该模型也为射波刀剂量学特点的后续研究提供了基础。     

直线加速器均整和非均整模式下射线质和射野输出因子的蒙特卡罗模拟与实测值比较

目的:利用蒙特卡罗方法分别模拟True Beam直线加速器6 MV均整和非均整(Flattening Filter-Free,FFF)模式,计算其射线质和射野输出因子,并比较上述参数与实际测量结果的差异。方法:利用Beamnrc和Dosxyznrc程序建立加速器机头模型并计算两档能量在参考条件下不同射野的剂量学数据。输出上述数据,计算各个射野射线质与实际测量值的相对偏差,对其绝对值做统计分析;利用各个射野中心轴上水下10 cm处的剂量值获取射野输出因子,并计算与测量值的相对偏差,绝对化后做统计分析。结果:6 MV和6FFF两档能量射线质相对偏差绝对值分别为(0.459±0.462)%和(0.486±0.300)%,射野输出因子相对偏差绝对值分别为(1.315±1.868)%和(0.904±1.214)%。结论:该模型的射线质和输出因子与测量结果相对偏差较小,基本可用于临床剂量学研究。