用蒙特卡罗方法模拟实验体内金属植入物对放疗剂量分布影响

目的 用蒙特卡罗(MC)模拟实验体内植入金属物后的百分深度剂量变化。方法 用6MVX线照射水下 5 cm处0.4 cm厚金属植入物,对有无金属植入物百分深度剂量变化进行MC方法模拟实验并比较结果。结果 6MVX线照射置入不锈钢板、钛合金板比不用植入物时入射面剂量分别增加19.6％、15.7％,不锈钢板、钛合金板入射面0.3 cm以外影响＜1.5％。不锈钢板、钛合金板出射面剂量分别减少8.6％、8.2％,剂量影响＜1.5％时距离出射面1.2、0.9 cm。不锈钢板比钛合金板入射面剂量大3.9％,出射面剂量相似。结论 MC方法是一种能快捷、准确的计算方式,金属植入物对放疗剂量影响明显,相同条件下不锈钢对入射面剂量影响大于钛合金钢板。     

体内金属植入物对放疗剂量分布影响

目的 探讨放射野内金属植入物对其周围组织吸收剂量的影响.方法 将骨科内固定不锈钢板、钛合金板和相同大小条状肌肉分别置入尸体标本左侧股骨前侧,构建实验组与对照组模型.应用直线加速器6 MV X线照射,使用热释光剂量仪分别对不同内植物界面的吸收剂量进行测量,用治疗计划系统对有无金属植入物百分深度剂量变化进行模拟计算并与测量结果 比较.结果 6MVX线照射置入不锈钢板、钛合金板和条状肌肉时,入射面实际测量值分别为1.18 Gy±0.04 Gy、1.12 Gy±0.04 Gy和0.97 Gy±0.03 Gy(F=57.35,P<0.01),不锈钢板和钛合金板较条状肌肉相应位置吸收剂量分别增加了21.65%和15.46%;出射面实际测量值分别为0.87 Gy±0.03 Gy、0.90Gy±0.02 Gy和0.95 Gy±0.04 Gy(F=13.37,P<0.01),不锈钢板和钛合金板较条状肌肉相应位置点吸收剂量分别衰减了8.42%和5.26%.模拟计算钢板入射面1 cm范围内吸收剂量较条状肌肉明显增加,而钢板入射面1 cm以外范围影响<5%,出射面对剂量分布影响<2%.结论 金属植入物对放疗剂量分布存在明显影响,吸收剂量可产生5%～22%偏差;相同条件下不锈钢板对射线剂量分布影响较钛合金板明显.     

金属植入物16-bit CT成像对放疗剂量分布的影响

目的：探索利用CT成像中扩展位深功能重建16?bit CT对金属植入物进行成像,通过比较扫描条件变化对金属CT值影响,分析金属CT值对计算剂量分布影响。方法将不锈钢棒和钛棒插入模体中,采用管电压为120 kV管电流为230 mA条件扫描,得到金属棒12?bit图像及16?bit图像CT值分布。分别在管电流230 mA,管电压分别为100、120、140 kV和管电压120 kV,管电流分别为180、230、280 mA下得到金属棒16?bit 图像CT值分布,并在瓦里安TPS中分别设计为单野和对穿野治疗计划和计算剂量分布。结果不锈钢棒和钛棒12?bit图像CT值均为3071 HU;16?bit图像CT值不锈钢棒比钛棒大。3种管电流下2种金属棒16?bit图像CT值均无明显变化,放疗计划剂量分布也接近。3种管电压下不锈钢棒最大CT值分别为13568、13127、12295 HU;钛棒的分别为8420、7140、6310 HU。结论12?bit图像不能区分不同高密度金属植入物,16?bit图像可得出不同金属CT值分布。金属植入物基于12?bit图像计算的剂量分布与16?bit图像的不同。管电压改变会造成金属植入物CT值明显变化,从而造成放疗剂量分布改变;管电流在一定程度内变化时,金属CT值变化较小,剂量分布差异不明显。     

应用密度填充及伪影消减技术提高带金属植入物患者IMRT剂量准确度研究

目的探讨提高带金属植入物患者放射治疗计划剂量计算准确度的方法。方法利用具有金属伪影消减技术的CT模拟机对插入金属棒的CIRS调强模体和8例椎体中植入了钢钉并接受放疗的患者进行扫描,在获得的常规CT图像、金属伪影消减技术CT图像及对其金属区域进行密度填充的图像上设计治疗计划。在模体中比较单个射野及IMRT计划的计算结果与剂量测量结果,同时对患者IMRT计划中金属植入物及其伪影对照射剂量产生的影响进行分析。结果基于常规CT图像的放疗计划中,射野入射路径未通过金属区域时,单个射野的剂量计算误差为3.85%,通过金属区域时射野计算误差范围达4.46%~74.11%。IMRT计划中存在入射路径通过金属区域的射野时,其误差可能超出临床可接受的范围,计算误差随这种射野所占剂量权重的增加而变大。当采用密度填充及伪影消减技术处理图像后,上述单个射野的计算误差分别为1.23%和0.89%~4.73%,IMRT计划的剂量误差为1.84%。若单独采用密度填充技术处理金属区域,IMRT计划的剂量误差为1.88%。基于常规CT图像的患者IMRT计划中,受金属植入物及其伪影的影响,实际靶区受到的最小剂量、平均剂量及处方剂量覆盖率较计划结果下降,危及器官剂量相近。结论基于常规CT图像的放疗计划中,入射路径通过金属区域的射野可能产生较大的剂量计算误差。如果植入的金属材料已知,在计划系统中对金属区域进行密度填充能有效提高计划的剂量计算准确度。伪影消减技术能显著改善图像质量,进一步减少剂量计算误差,对于配备这种功能的CT机进行带金属植入物患者的模拟定位时应作为常规技术。     

金属植入物对放射治疗剂量影响的研究

目的：测量金属内固定支架对放射治疗剂量的影响,对采用金属内固定的肿瘤患者放射治疗提供剂量修正的临床数据。方法：按照测量条件,将带有金属内固定支架的体模在螺旋CT下进行扫描,层厚为5mm,图像通过LANTIS网络传输系统传人放射治疗计划系统（treatment planning system,TPS）中进行模拟计算。按照相同条件,分别用6MV和15MVX线照射,用热释光剂量仪和FAMER型电离室对钛镍合金支架界面以及界面上下一定深度分别测量,并与放射治疗计划系统计算结果比较。结果：实际测量与TPS计算存在一定误差,实测值明显大于TPS计算值,支架前表面的误差最大可达3．9％（6MV）和6．6％（15MV）,支架后表面的误差最大为2．8％（6MV）和6．3％（15MV）,距表面距离越远,误差越小。结论：镍钛合金支架患者放射治疗时,实际测量剂量比TPS计算剂量要大,有可能增加放射性损伤。TPS计算过程中,虽然对金属物进行了密度修正,但仍存在一定误差,有必要在制订放疗计划时对照射剂量进行修正。     

金属植入物对放射治疗剂量影响的研究

目的:测量金属内固定支架对放射治疗剂量的影响,对采用金属内固定的肿瘤患者放射治疗提供剂量修正的临床数据。方法:按照测量条件,将带有金属内固定支架的体模在螺旋CT下进行扫描,层厚为5mm,图像通过LANTIS网络传输系统传入放射治疗计划系统(treatment planning system,TPS)中进行模拟计算。按照相同条件,分别用6MV和15 MVX线照射,用热释光剂量仪和FAMER型电离室对钛镍合金支架界面以及界面上下一定深度分别测量,并与放射治疗计划系统计算结果比较。结果:实际测量与TPS计算存在一定误差,实测值明显大于TPS计算值,支架前表面的误差最大可达3.9%(6MV)和6.6%(15MV),支架后表面的误差最大为2.8%(6MV)和6.3%(15MV),距表面距离越远,误差越小。结论:镍钛合金支架患者放射治疗时,实际测量剂量比TPS计算剂量要大,有可能增加放射性损伤。TPS计算过程中,虽然对金属物进行了密度修正,但仍存在一定误差,有必要在制订放疗计划时对照射剂量进行修正。     

不同肺体积确定方法和剂量分割方法对肺剂量体积参数的影响

目的 分析不同肺体积确定方法和不同剂量分割方法对肺剂量体积参数的影响.方法 随机搜集20例肺癌患者,根据病情以瓦里安Eclipse TPS进行三维适形治疗计划设计.以不同CT值范围确定患者肺体积、靶体积(GTV、CTV、PTV)是否从肺体积中减除及不同分割剂量为影响因素,计算肺剂量体积参数受影响的程度.结果 当CT值在-300～ -980至-500～ -980范围变化时,全肺体积减少的中位数为-9.10%,明显高于V30、V20、V10和MLD的中位变化(为-3.18%、-1.13%、0.82%和-0.79%).CT值-400～ -980确定的全肺体积随减除靶体积的增加V30、V20、V10和MLD的变化也加大,其中V30变化最大,V10变化最小.5例PTV体积＜140 cm3(中位PTV体积为78 cm3)患者设置总物理剂量60 Gy,分割剂量由2 Gy增加至10 Gy时,由物理剂量转换为生物等效剂量的V30、V20、V10和MLD逐渐增加(呈正相关),且三者变化相同(增加幅度约为40%).在＞6Gy分割剂量后,MLD变化更大(36%).结论 不同CT值范围勾画并确定肺体积时,对全肺体积影响最大,V30变化有统计学意义(尚不足以左右放疗计划的取舍),V20、V10和MLD的变化无统计学意义.全肺体积减去与之相重叠的靶体积(GTV、CTV、PTV)后,V30的变化最大,而影响最小的是V10.增加分割剂量也明显增加剂量体积参数,而剂量分割方式在3个因素中似乎影响最大(＞10%).     

鼻咽癌近距离放疗剂量参考点设置方法研究

鼻咽癌腔内近距离放疗中剂量参考点的设定对靶区剂量分布有很大影响.近年来由于放疗技术和设备的发展,为腔内精确放疗开劈了新天地.为研究不同剂量参考点设置方法对靶区剂量分布和正常组织受量的影响,笔者系统地对此进行了研究,现报道如下.     

不同算法在非均匀组织模体中光子剂量计算精确度比较

目的 比较治疗计划系统(TPS)中光子束剂量的筒串卷积算法(CCC)与笔形束卷积算法(PBC)在非均匀组织中的计算精确度。方法 建立2个虚拟肺模型,一个在光子束单前野入射情况下比较两种算法得到的中心轴上的百分深度剂量(PDD);另一个在光子束前后对穿野入射,模体中心有一个肿瘤等效组织,两种算法计算光子束穿过肺等效组织到达肿瘤等效组织时肺和肿瘤等效组织中的剂量分布。两种情况下得到的结果与蒙特卡罗(MC)算法计算的结果进行比较。结果 单前野时,光子束从高密度组织入射到低密度的肺等效组织,与MC算法比较PBC算法高估了肺等效组织中的剂量(t=3.90,P=0.012),CCC 算法与之接近(t=2.25,P=0.087)。前后对穿野时,CCC算法和MC算法计算出的肿瘤等效组织边界剂量都要低于PBC算法的剂量(t=2.43、3.18,P=0.038、0.011),并且能量越高,肺密度越小时,这种差别越大。结论 计算低密度组织中的肿瘤或其后方肿瘤剂量时最好采用CCC算法(如肺癌、食管癌以及胀气的直肠和胃后方肿瘤)。     

射波刀肺部治疗计划不同剂量算法差异的影响因素分析

目的 研究射波刀治疗计划系统的不同剂量算法应用于肺部肿瘤计划剂量计算结果的差异,分析肿瘤体积、位置等因素对计算结果的影响。方法 选取2017年肺部肿瘤病例32例,针对每一病例使用射波刀VSI系统配备的MultiPlan 5.2.1计划系统设计计划,分别采取射线追踪算法和蒙特卡罗算法计算剂量分布,比较两种算法剂量计算结果。结果 据现有病例,两种算法剂量计算结果显示:计划靶区的处方覆盖率、适形指数、新适形指数、均匀性指数的偏差范围分别为0.93%~68.80%、 0.87%~17.21%、-212.38%~8.27%、 0%~15.17%。结论 射波刀治疗计划系统设计肺部肿瘤计划,肿瘤体积、位置对不同算法剂量计算结果的差异性有较大影响,越小的肿瘤体积、越长的射束异质性路径易于产生更大的差异性,应采用或参考蒙特卡罗算法的计算结果开展治疗。     

电子束能谱宽度及角分布对蒙特卡罗方法模拟计算剂量分布影响

目的 研究电子束能谱和角分布对其放疗剂量分布影响。方法 应用模拟得到的医用直线加速器电子束能谱分布和角分布作为输入文件,使用经修改的PENELOPE程序中蒙特卡罗方法模拟计算电子束能谱宽度和角分布对射野中心轴剂量分布和离轴剂量分布。结果 电子束能谱宽度和角分布对射野中心轴剂量分布和离轴剂量分布无明显影响,剂量分布曲线几乎重合;只有在能谱展宽为2.5 MeV时才有明显影响,剂量分布曲线有显著差别。结论 根据本研究蒙特卡罗模拟计算结果设计治疗计划系统电子线算法时可不考虑能谱宽度和角分布影响,而直接使用电子线最可几能量计算,这样可节省大约9%时间而有助于提高计算速度。     

利用深度学习提升肺癌调强质子治疗笔形束剂量计算准确性

目的质子笔形束(PB)剂量计算可实现快速剂量计算,但在处理组织不均匀度大的区域时误差较大,而蒙特卡洛(MC)剂量计算是最精准的方法但非常耗时;深度学习技术可以通过学习PB和MC剂量分布之间的差异,将剂量计算准确度从PB水平提高到MC水平。方法基于HD U-Net神经网络,开发了一个可将肺癌调强质子治疗患者的PB剂量转换为MC剂量的模型。该模型以患者PB剂量和CT图像作为输入来预测MC剂量。27例非小细胞肺癌患者的射束剂量和CT图像在被旋转到同一角度并作归一化后被用于模型训练与测试。模型的准确性通过比较预测剂量与MC剂量的均方误差和1 mm/1%标准的γ通过率等评估。结果模型预测剂量与MC剂量相当吻合,测试病例1 mm/1%标准的平均γ通过率(剂量值超过最大MC剂量10%的体素)达到(92.8±3.4)%。模型预测所有测试病例的MC剂量所需平均时间为(6.72±2.26)s。结论成功开发了可以快速准确地从PB剂量和CT图像预测MC剂量的深度学习模型,并可用于提高肺癌调强质子治疗PB剂量计算精度。     

The effect of different lung densities on the accuracy of various radiotherapy dose calculation methods: Implications for tumour coverage

Purpose

To evaluate against Monte-Carlo the performance of various dose calculations algorithms regarding lung tumour coverage in stereotactic body radiotherapy (SBRT) conditions.

Materials and methods

Dose distributions in virtual lung phantoms have been calculated using four commercial Treatment Planning System (TPS) algorithms and one Monte Carlo (MC) system (EGSnrc). We compared the performance of the algorithms in calculating the target dose for different degrees of lung inflation. The phantoms had a cubic ‘body’ and ‘lung’ and a central 2-cm diameter spherical ‘tumour’ (the body and tumour have unit density). The lung tissue was assigned five densities (ρ_lung): 0.01, 0.1, 0.2, 0.4 and . Four-field treatment plans were calculated with 6- and 18 MV narrow beams for each value of ρ_lung. We considered the Pencil Beam Convolution (PBC_Ecl) and the Analytical Anisotropic Algorithm (AAA_Ecl) from Varian Eclipse and the Pencil Beam Convolution (PBC_OMP) and the Collapsed Cone Convolution (CCC_OMP) algorithms from Oncentra MasterPlan.

Results

When changing ρ_lung from 0.4 to 0.1 g/cm³, the MC median target dose decreased from 89.2% to 74.9% for 6 MV and from 83.3% to 61.6% for 18 MV (of dose maximum in the homogenous case at both energies), while for both PB algorithms the median target dose was virtually independent of lung density.

Conclusions

Both PB algorithms overestimated the target dose, the overestimation increasing as ρ_lung decreased. Concerning target dose, the AAA_Ecl and CCC_OMP algorithms appear to be adequate alternatives to MC.     

Superficial dose distribution in breast for tangential radiation treatment, Monte Carlo evaluation of Eclipse algorithms in case of phantom and patient geometries

Purpose

The aim of this study is to examine experimentally and by the Monte Carlo method the accuracy of the Eclipse Pencil Beam Convolution (PBC) and Analytical Anisotropic Algorithm (AAA) algorithms in the superficial region (0-2 cm) of the breast for tangential photon beams in a phantom case as well as in a number of patient geometries. The aim is also to identify differences in how the patient computer tomography data are handled by the treatment planning system and in the Monte Carlo simulations in order to reduce influences of these effects on the evaluation.

Materials and methods

Measurements by thermoluminescent dosimeters and gafchromic film are performed for six MV tangential irradiation of the cylindrical solid water phantom. Tangential treatment of seven patients is investigated considering open beams. Dose distributions are obtained by the Eclipse PBC and AAA algorithms. Monte Carlo calculations are carried out by BEAMnrc/DOSXYZnrc code package. Calculations are performed with a calculation grid of 1.25 × 1.25 × 5 mm³ for PBC and 2 × 2 × 5 mm³ for AAA and Monte Carlo, respectively. Dose comparison is performed in both dose and spatial domains by the normalized dose difference method.

Results

Experimental profiles from the surface toward the geometrical center of the cylindrical phantom are obtained at the beam entrance and exit as well as laterally. Full dose is received beyond 2 mm in the lateral superficial region and beyond 7 mm at the beam entrance. Good agreement between experimental, Monte Carlo and AAA data is obtained, whereas PBC is seen to underestimate the entrance dose the first 3-4 mm and the lateral dose by more than 5% up to 8 mm depth. In the patient cases considered, AAA and Monte Carlo show agreement within 3% dose and 4 mm spatial tolerance. PBC systematically underestimates the dose at the breast apex. The dimensions of region out of tolerance vary with the local breast shape. Different interpretations of patient boundaries in Monte Carlo and the Eclipse are found to influence the evaluation. Computer tomography marker wire may introduce local disturbance effects on the comparison as well. These factors are not related to the accuracy of the calculation algorithms and their effect is taken into account in the evaluation.

Conclusions

The accuracy of AAA in the case of the solid water phantom is comparable with that of the Monte Carlo method. The AAA-Monte Carlo differences in the patient cases considered are within 3%, 4 mm tolerance. The PBC algorithm does not give equivalent results. In the phantom case, PBC underestimates the lateral dose by more than 5% up to 8 mm depth. The PBC-Monte Carlo differences in the patient cases are outside the tolerance at the breast apex. The dimension of region varies with the breast shape being typically 8-10 mm long and 6-8 mm deep.     

基于直线加速器虚拟源模型的蒙特卡洛剂量计算及在IMRT独立验算中的初步应用

目的：研究临床放疗蒙特卡洛剂量计算方法中虚拟源模型的可行性。方法通过蒙特卡洛方法模拟得到记录医用直线加速器机头出射粒子物理特性的相空间文件,分析提取相空间文件中粒子的种类、能谱及位置分布,建立半经验虚拟双光子源抽样模型。结合并行剂量计算引擎GMC,得到3 cm×3 cm、5 cm×5 cm、10 cm×10 cm、20 cm×20 cm和30 cm×30 cm射野及2例临床调强计划的三维水模剂量分布的蒙特卡洛模拟结果,将其与水箱测量结果或医科达Monaco计划系统结果比较,以验证基于虚拟源的蒙特卡洛剂量计算的准确性。结果对5个射野下的水箱中心轴的百分深度剂量曲线以及不同深度的离轴剂量曲线,蒙特卡洛模拟结果与测量结果相差在1％以内。对2例临床调强计划, Monaco计算结果与蒙特卡洛模拟结果的三维通过率分别为98．9％和99．4％（3％／3 mm）,95．1％和95．4％（2％／2 mm）。结论基于虚拟源模型的蒙特卡洛模拟能得到准确的放疗剂量计算结果。     

153Sm-EDTMP治疗骨转移病例的三维剂量计算——蒙特卡罗和S因子计算方法的比较

背景与目的:个体化核素治疗的三维吸收剂量计算是目前核医学感兴趣的问题。基于三维功能成像和器质成像计算三维吸收剂量,现主要采用S因子计算方法、点源卷积计算方法和蒙特卡罗直接模拟计算方法。本研究比较蒙特卡罗和基于体素的S因子计算方法,探索核素治疗中三维吸收剂量的计算。方法:基于蒙特卡罗程序包EGS4构建的三维剂量计算程序,计算核素153Sm的体素S因子;对1例采用153Sm-EDTMP治疗的鼻咽癌骨转移患者,测量其注射药物0、0.5、2、3.5、5和6h后排尿的核素活度,通过测量数据进行拟合计算其累积活度;结合患者的SPECT/CT联合扫描融合图像,采用直接蒙特卡罗方法和S因子方法进行了三维吸收剂量计算。结果:吸收剂量计算结果表明:蒙特卡罗和S因子两种计算方法所给出的等剂量分布曲线基本相近,剂量分布主要集中在骨组织内。在两种计算方法下,最大剂量点剂量分别为3.92Gy和3.71Gy,相差5%左右。计算区域的剂量-体积直方图显示:D10(10%体积所包括的最高剂量)分别为2.14Gy和2.00Gy,相差7%;D20则分别为0.58和0.51Gy,相差14%左右。总体来说,S因子方法的计算结果相对于蒙特卡罗方法的计算结果小一些。结论:蒙特卡罗和S因子方法都能够基于核医学影像进行核素治疗三维剂量计算,S因子方法计算误差可能稍大,但不失为一种快捷的剂量评估方法。