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FLUKA高级应用:扫描治疗头的蒙特卡罗模型研究

2019/9/27 作者:汪金龙

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质子治疗具有独特的物理学优势。随着技术逐渐成熟,尤其是质子调强技术的发展,质子治疗已在欧美日等地区广泛开展。近几年,我国掀起了质子治疗的热潮,新建质子治疗中心均配备了先进的铅笔束扫描治疗头。相对于被动散射治疗头,扫描头能够获得更好的剂量分布,缩短治疗时间,降低副作用,减少散射中子。


蒙特卡罗方法能够很好地模拟粒子与物质的相互作用,多种蒙特卡罗程序逐步应用到质子治疗中,尤其在辐射防护、探测器设计、治疗计划等方面的应用越来越广泛。本研究采用FLUKA程序对扫描治疗头进行建模和模拟计算,建立扫描头的蒙特卡罗模型,并用该模型研究不同能量质子深度剂量曲线的变化,计算射程移位器在不同位置处对束斑截面的影响,并模拟磁场对单质子束的偏转情况。


研究方法

扫描治疗头主要由扫描磁铁、真空腔、剂量探测器和位置探测器组成,如图1所示。扫描磁铁通常有两块,分别完成横向扫描和纵向扫描。真空腔是质子束流在扫描头内的路径,抽成真空,以减少散射,也有的设计成充满一个大气压的氦气腔。剂量探测器为两块独立的电离室,以满足相关法规要求的冗余测量,位置探测器通常为条带型电离室。有的治疗头还配有射程移位器,将质子能量降低到70 MeV以下。射程移位器位于患者和最后一块探测器之间,用于治疗浅表肿瘤。

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图1 扫描治疗头结构示意图


蒙特卡罗几何模型

扫描治疗头的蒙特卡罗几何模型如图2所示。在等中心点处放置40 cm × 40 cm × 40 cm的水模,真空腔总长度为190 cm,两侧都有很薄的铝窗;3个探测器内充满干燥气体,两侧为聚酰亚胺薄窗,位于距离等中心约1 m的位置;纵向扫描磁铁磁中心位于Z=-255 cm,横向扫描磁铁磁中心位于Z=-200 cm;真空窗、探测器、水模之间为空气。射程移位器材料为聚乙烯,距离等中心平面10 cm。

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图2 扫描治疗头的蒙卡几何模型


束流模型

为计算扫描治疗头对单点束流品质的影响,尤其是散射和磁场偏转造成的影响,并简化计算,本研究采用理想的平行束流模型,输入截面为高斯分布,半高宽(Full Width at Half Maximum, FWHM) = 1 cm。


其他设置

蒙特卡罗程序中尚不能像治疗计划软件那样勾画靶区并计算剂量,也无法像真实的扫描头那样对每个束斑进行扫描,但可以通过用户程序设置磁场,在计算中实现磁场的单点扫描。


为提高计算精度,FLUKA默认选项卡选择PRECISIO。对于质子治疗,最新的AAPM (美国医学物理师协会) TG-256报告中仍建议质子相对生物学效应采用RBE=1。因此,有效剂量的分布可以代表生物剂量的分布,剂量计算选取FLUKA默认的吸收剂量。


结果与讨论

深度剂量曲线

作为对比,首先计算质子直接入射水模中的深度剂量曲线,选取具有代表性的3个能量点进行计算,即70、180和230 MeV,相应的深度剂量曲线如图3~5所示,左图是全射程的深度剂量曲线,右图为质子布拉格峰区附近的剂量深度曲线。这些结果排除了治疗头部件以及空气散射的影响,可以作为参考基准。

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图3 左图:70 MeV质子深度剂量曲线;右图:70 MeV质子峰区深度剂量曲线

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图4 左图:180 MeV质子深度剂量曲线;右图:180 MeV质子峰区深度剂量曲线

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图5 左图:230 MeV质子深度剂量曲线;右图:230 MeV质子峰区深度剂量曲线


汇总图3~5中的布拉格峰区参数如表1所示。R80-R80是从80%峰值剂量爬升到峰值再跌落到80%峰值剂量的距离,可以代表布拉格峰的宽度;R80是从峰值跌落到80%峰值剂量的深度,代表质子的射程,也有研究用R90代表射程;R80-R20是布拉格峰末端从80%峰值剂量跌落到20%峰值剂量的距离,这个参数将影响伴影的大小,代表质子的下降沿宽度。从表1可见,随着能量的增加,质子在水中的射程增加,同时散射也越严重,最终布拉格峰变宽,尾端变胖。


表1 布拉格峰区参数

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图6对比了单个质子束直接入射到水模(实线)和通过治疗头后入射到水模(虚线)的深度剂量曲线,对于不同能量的质子射程均缩短了约0.6 cm。布拉格峰形状基本保持不变,布拉格峰区参数峰宽和下降沿宽度基本保持不变。可见扫描治疗头仅对质子射程有较大影响,原因是质子通过扫描头部件和空气有能量损失,质子系统的设计需要能够补偿这一损失,以减小射程的误差;同时也可以通过增加真空腔的长度,减小真空窗和探测器薄窗的厚度来减小扫描头对射程的影响。

质子放射头06-辐射曲线-不同剂量对比.jpg图6 质子深度剂量曲线对比


束流截面

扫描治疗头部件、空气和水模都会对束流造成散射,如图7所示。180 MeV质子入射后,有少量质子偏离束流方向,朝四周散射。提取不同Z位置上的束流截面发现高斯分布变得越来越矮,越来越胖,如图8所示。这里的计算网格划分为X和Y方向0.05 cm/bin,Z方向为1 cm/bin。

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图7 180 MeV质子归一化分布

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图8 180 MeV质子在不同Z位置上的束流截面


图9给出了FWHM随束流路径的变化曲线,所有能量的质子束入射FWHM均为1 cm。在空气段,70 MeV的FWHM达到230 MeV的3~4倍,可见能量越低,质子受散射的影响越严重。对于同一能量的质子,在不同的介质中散射程度也不同,在真空和空气中近似线性增长,空气中斜率更大;在水中则以指数增长。因此缩短空气段的长度有利于减少散射。

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图9 不同能量的质子束FWHM随束流路径的变化曲线


射程移位器通常为聚乙烯材料,位于水模和治疗头之间。如果治疗中使用射程移位器,会加剧质子散射。作为示例,本研究计算了4 cm厚度聚乙烯射程移位器对180 MeV质子束流的散射,将射程移位器放置于距离水模表面0、10、20、30、40和50 cm分别进行独立计算,结果如图10所示。当Z<-50 cm时,随着射程移位器与水模之间的距离增加,束流的FWHM在相同Z的位置上增加不明显;当Z≥-50 cm时,随着射程移位器与水模之间的距离增加,束流的FWHM在相同Z的位置上增加明显。后段的空气将进一步放大射程移位器的散射。因此,使用射程移位器时应当尽量靠近患者,以减小散射的影响。

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图10 射程移位器对的位置对180 MeV质子束流FWHM变化曲线的影响


扫描磁场

扫描磁铁加载磁场后,束斑将偏离束流中心,图11计算了当纵向扫描磁场Bx=0.1 T,横向扫描磁场By=0.3 T时180 MeV质子束的偏转情况。纵向扫描磁场使质子在y方向偏离了2.693 cm,横向扫描磁场使质子在-x方向上偏离了8.427 cm。当束流有偏转的时候,要求探测器和射程移位器足够宽,虽然越靠近患者散射越小,但探测器的有效面积会限制它的位置,所以一般将其放置在真空腔后面。射程移位器可以做的足够大,放置在靠近患者的位置,既满足宽扫描场的需要又满足减少散射的要求。

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图11 磁场模拟单点扫描


偏转磁场对束流没有聚焦或发散作用,因此不会改变质子束的截面形状和大小,如图12所示。在180 MeV质子射程末端,有扫描磁场时的FWHM与无扫描磁场的FWHM差值仅为0.02 cm。

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图12 扫描铁有磁场与无磁场的FWHM差值


结论

本研究计算了3个能量点(70、180和230 MeV)的剂量深度曲线。随着能量的增加,质子在水中的射程增加,同时散射也越严重,布拉格峰变宽,尾端变胖;相比于直接入射水模,通过治疗头后,质子在水中的射程缩短了约0.6 cm,但布拉格峰形基本保持不变。扫描治疗头仅对质子射程有较大影响,原因是质子通过扫描头部件和空气有轻微的能量损失,质子系统的设计需要能够补偿这一损失,以减小射程的误差。同时也可以通过增加真空腔的长度、减小真空窗和探测器薄窗的厚度来减小扫描头对射程的影响。

将4 cm厚度聚乙烯射程移位器放置于距离水模表面0、10、20、30、40和50 cm分别进行独立计算,发现与水模距离越远,质子的散射越大,射程移位器的散射会在后段的空气散射中放大,因此治疗过程中射程移位器应尽量靠近患者。


当扫描磁铁加载磁场后,束斑将偏离束流中心,形成较宽的照射野,当束流有偏转的时候,要求射程移位器横截面足够大,既满足宽照射野的需要又能满足减少散射的要求。而探测器因为有效面积的限制,一般放置在真空腔后。


扫描治疗头的蒙特卡罗模型将有助于质子治疗从业者理解质子治疗这一新兴的放疗方法,有助于物理师理解扫描治疗的束流特性,在调试和质量保证中提供参考数据。


未来将继续改进本研究的束流模型和扫描模型,使之能够生成展宽的布拉格峰以及多点扫描模式方式。


参考文献:汪金龙, 屈卫卫, 谢树青, 等.扫描治疗头的蒙特卡罗模型研究[J].中国医学物理学杂志,2019,36(9):1001-1007.



质子专区介绍:
相比传统放疗,质子治疗作为“精准治疗”的新一代代表,利用质子射线所具有的独特物理特性,以极快的速度、很小的放射剂量进入人体,迅速到达肿瘤组织并释放全部剂量,而肿瘤后方和侧方的正常组织及器官受到的照射剂量几乎为零,从而实现以最大的照射剂量杀伤肿瘤组织的同时又最大限度地避免了周围组织及器官的损伤,实现更加精确的“精准治疗”。
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关键词

质子治疗 质子放疗头扫描

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