射波刀蒙特卡罗剂量计算算法射束模型的调试

张建平

福建医科大学附属协和医院放疗科 （福建福州 350001）

放射外科手术机器人也称射波刀，将6 MV单能无均整射束（FFF）加速器搭载在机器人手臂上，系统整合了实时图像引导系统和运动呼吸追踪系统，保证了高度适形处方剂量以亚毫米的精度投照在肿瘤区域，同时更好地保护周围正常组织[1-2]。射波刀治疗适应证包括基于颅骨追踪的肿瘤和畸形、颈部肿瘤、脊柱肿瘤、胰腺肿瘤、肝癌、前列腺癌以及肺癌等[3-5]。对于一些复杂部位的病灶如头颈部肿瘤、肺部肿瘤，因组织密度的不均匀性，普通的剂量计算方法并不能准确给出剂量分布，导致实际输出剂量低于处方剂量的16%～17%[6-8]。而蒙特卡罗（Monte Carlo，MC）剂量计算算法较目前商业上其他算法更加准确。对于目前市场最先进的专门用于单次剂量大、分次少的立体定向放射治疗（SBRT）系统，蒙特卡罗剂量计算算法必不可少。本研究旨在为射波刀系统基于固定准直器测量数据进行蒙特卡罗剂量计算算法射束模型的建立和调试，从而保证处方剂量准确地投照在肿瘤上，进一步提高肿瘤的控制率。

1 材料与方法

1.1 材料

美国安科瑞公司VSI型放射外科手术机器人（Cyberknife），美国安科瑞公司V4.6 MultiPlan计划系统（MultiPlan TPS），美国安科瑞公司提供的能量修正因子（E CF）EXCEL表（ECF Correction Factors_rev F.xlsx）和准直器修正因子（CCF）EXCEL表（CCF Correction Factors_rev C.xls），德国PTW公司UNIDOSwebline型静电计，PTW 60018半导体探测器，PTW内径为59.6 cm×59.4 cm×50.25 cm MP3-M型三维水箱。

1.2 蒙特卡罗建模射野数据采集

1.2.1 数据采集准备

要求各边调平，保证机头与水面垂直，若激光与射野一致性较好，可以通过查看反射激光与激光准直器小孔是否重合来判断垂直情况；若一致性较差，则应通过获取两个深度的离轴比（OCR），寻找并重新设定射野中心。本研究使用的是PTW 60018型探测器（电压0 V），参考电离室采用0.125cc 31010型电离室（电压400 V）。

1.2.2 OCR和百分深度剂量的数据采集

不使用任何准直器（开野），在源轴距（SAD）800 mm，水下25 mm处，分别获取0°和90°两个方向的OCR，处理数据，平滑归一取对称，范围从-80～80 mm。使用60 mm准直器，在SSD 800 mm条件下，步进以1 mm和0.5 mm组合使用来获取百分深度剂量（PDD），需特别注意所用探测器的有效测量点位置，同时需考虑水面张力对结果的影响。

1.3 建立蒙特卡罗剂量计算算法的模型

利用Cyberknife TPS中的调试工具（Commissioning Tools）进行蒙特卡罗模型的建立。建模主要包括4个部分，分别是创建源模型（Source Model）、OCR修正、组织模体比（TPR）修正和输出因子（OF）修正。对上述4个部分反复迭代和修正，直到所有偏差值均在可接受范围内，表明蒙特卡罗模型已成功建立，详细流程如图1。

图1 射波刀蒙特卡罗建模流程

1.3.1 创建源模型

使用高斯（Gaussian）建模法，源分布将以高斯曲线的形式建模。建模时需指定光子源半峰全宽（FWHM）值（以毫米为单位），值越大，产生的分布越宽（蒙特卡罗模拟出的OCR曲线的斜率越小）；值越小，产生的分布越窄（蒙特卡罗模拟出的OCR曲线的斜率越大）。模型创建完毕后，检查蒙特卡罗模拟出的OCR和测量OCR在半影区的偏差，如果偏差可接受，则接受此源模型；如果偏差值超过可接受范围，则应根据偏差重新调整光子源FWHM值，直到OCR偏差满足要求，进而获取更为合适、可接受的源模型。

1.3.2 TPR和OCR建模步骤

通过蒙特卡罗方法模拟得出TPR和OCR曲线，然后将这些曲线与先前临床调试时所批准的TPR和OCR射束数据分别进行比较，如果结果可以接受，则可用于生成随后计算所需的校正因子（ECF、CCF）。同时模拟、检查和批准蒙特卡罗为所有准直器大小、5个深度模拟得出的TPR和OCR曲线，并接受所有计算结果，然后才能继续进行输出因子的蒙特卡罗模拟。1.3.3 校正因子

如果对特定准直器模拟出的曲线不能充分与测量曲线相吻合，则可以修改以下两个校正因子，然后重新模拟修正曲线。（1）CCF：每个准直器都对应有一个CCF；在计算中，指定的准直器乘以CCF值，用于对该准直器调整OCR曲线的光子源FWHM值；CCF值大于1将使OCR配置文件的光子源FWHM值增大，CCF值小于1将使OCR配置文件的光子源FWHM值减小；在调整CCF时，检查多个深度的OCR曲线非常有用，可以确定整个数据范围的最佳CCF值。（2）ECF：每个准直器都对应有一个ECF；在计算中，每个采样光子的能量将从能量分布模型提供的标称值以ECF作为系数增加，例如，要使平均能量增加5%，应使ECF新=ECF旧×1.05；较大的ECF值将推动TPR曲线上升，较小的ECF值将使该曲线下降。

2 结果

光子源FWHM值为1.4 mm时，所有准直器在100 mm深度处测量和模拟的OCR在半影区的偏差值最小。图2为5 mm、15 mm、35 mm和60 mm准直器半影区的偏差值随光子源FWHM值的变化关系。VSI型射波刀所有准直器所有深度处的TPR、OCR及所有SAD的OF误差均在±2%以内，满足临床要求。图3、图4及表1分别列举了部分准直器建模结果。

图2 5 mm、15 mm、35 mm和60 mm准直器半影区的偏差值随光子源FWHM值的变化关系

图3 5 mm、15 mm、35 mm和60 mm准直器OCR建模结果

3 讨论

射波刀系统因其独特的颅骨追踪系统、金标追踪系统、脊柱追踪系统、同步呼吸追踪系统和肺追踪系统并融合实时影像引导系统，在大剂量的立体定向放射治疗中的地位越来越重要。对于一些复杂部位的病灶，如头颈部肿瘤、肺部肿瘤，由于组织密度的不均匀性，常规的剂量计算方法并不能够准确地给出剂量分布，导致实际输出剂量并不等于处方剂量，从而造成肿瘤控制率的下降。而蒙特卡罗剂量计算方法作为剂量计算的金标准，是立体定向放射治疗精准实现的重要前提。本研究旨在为射波刀系统基于固定准直器测量数据进行蒙特卡罗剂量计算算法射束模型的建立和调试，以更好地满足临床要求。

图4 5 mm、15 mm、35 mm和60 mm准直器TPR建模结果

表1 所有准直器OF建模结果（SAD为100 mm）

源模型创建时本研究先选择光子源FWHM值为1.6 mm为起始源尺寸值进行模拟计算，然后逐渐递减。由图2可知，当光子源FWHM值为1.4 mm时，OCR在半影区蒙特卡罗模拟值和测量值的偏差最小；当光子源FWHM值大于或者小于1.4 mm时，OCR半影偏差值均逐渐增大。由此证明1.4 mm是本中心射波刀系统的最佳光子源尺寸。经过ECF和CCF反复迭代、修正，最终保证所有准直器、所有深度TPR和OCR蒙特卡罗模拟值和测量值偏差小于±2%。此过程耗时最长，通常计算一遍需几个小时，由于蒙特卡罗模拟的不确定性，有可能出现同一条件产生不同的结果，需要反复修正和迭代，直到满足所有条件。前面工作完成后，最后以0.2%的不确定度计算OF值，此过程耗时可达40多小时。经计算，所有准直器在SAD为800 mm时OF偏差最大为-0.99%，误差在±2%以内，满足临床要求。

本研究通过近1个月的时间，完成我院最新引进的VSI型射波刀蒙特卡罗剂量计算算法射束模型的调试，各项指标误差值均在±2%以内，满足临床要求，为今后更加精确的剂量计算和精准的立体定向放疗奠定了良好的算法基础。