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Almberg等[1]与Lin等[16]的研究表明,入射电子束的平均能量对PDD和OAR曲线的影响都较大,而PDD曲线主要受入射电子束能量的影响,因此,入射电子束的平均能量可以通过比较模拟和测量的百分深度剂量来确定。图2给出了当入射电子束的能量为5和7 MeV时,在10 cm×10 cm射野下,两种能量下模拟的PDD曲线与实验测量的PDD曲线的比较。此时径向强度的FWHM、角度展宽和能量展宽分别为0 mm、0°和0%。图中所有PDD曲线都归一化到了最大剂量深度处。从图2中可以看出,当能量为7 MeV时,最大剂量深度之后的模拟吸收剂量都高于实验数据,而当能量为5 MeV时,从最大剂量深度之后模拟的吸收剂量降低更快,这与Tugrul等[17]的研究一致。该结果表明入射电子束的能量应该介于5和7 MeV之间。
通过分析入射电子束能量变化对PDD曲线的影响,在5和7 MeV范围内调节平均能量。结果表明,当平均能量为6 MeV时,模拟的PDD与测量的PDD之间符合1 mm/1%的Gamma分析标准。图3显示了入射电子束平均能量为6 MeV时,10 cm×10 cm射野下模拟与测量的PDD曲线的Gamma分析结果。其中红色实线代表的是测量的PDD曲线,红色虚线代表的是模拟的PDD曲线,蓝色曲线代表的是模拟与测量的百分深度剂量差异所对应的伽马值曲线。按照1 mm/1%的标准,
$ \gamma $ 通过率为100%,其中最大$ \gamma $ 值为0.816,最小$ \gamma $ 值为0.002。 -
将入射电子束的平均能量设置为6 MeV,角度展宽和能量展宽分别设置为0°和0%。改变电子束的径向强度分布的FWHM值,以分析电子束径向强度分布对PDD和OAR的影响。类似于对入射电子束平均能量的研究,首先分析径向强度分布的最大值和最小值。将入射电子束的径向强度分布的FWHM值分别设置为0.1和0.4 cm,并模拟此条件下的PDD和OAR 。结果表明,4 cm×4 cm、10 cm×10 cm、30 cm×30 cm三种射野的OAR对FWHM这一参数都十分敏感,并且参数FWHM主要影响OAR的半影区域。图4显示了入射电子束的径向强度FWHM为0.1和0.4 cm时在10 cm×10 cm射野10 cm深度处的模拟与测量的OAR曲线对比。图中所有OAR曲线都按照10 cm深度处的中心轴剂量来进行归一化。当FWHM变大时,半影区的OAR曲线变斜,半影宽度明显变大,且其他射野与其他深度都具有类似的现象。图5示意了电子束的径向强度分布对10 cm×10 cm射野的PDD的影响,其中PDD曲线归一化到射野的最大剂量深度处。从图中可以看出,入射电子束的径向强度分布对PDD的影响很小,在1 mm/1%的Gamma分析标准下的最大的
$ \gamma $ 值仅为0.907,$ \gamma $ 通过率为100%。因此只需要使模拟与测量的半影宽度之间的差异小于1%,即可确定优化的入射电子束径向强度分布。半影宽度通常定义为OAR曲线上80%和20%剂量值之间的侧向距离[18]。表1列出了当射野为10 cm×10 cm时,不同的入射电子径向强度分布在10 cm深度处的半影宽度。结果表明,当FWHM值为0.1 和0.4 cm时,模拟与测量的半影宽度之间的差异较大。经过试验得到FWHM = 0.25 cm时,模拟结果与测量结果高度吻合,模拟的半影宽度为0.748 cm,测量的半影宽度为0.752 cm,二者之间的误差仅为0.532%。其他射野和其他深度情况的结果类似。
FWHM/cm 半影宽度 模拟值/cm 测量值/cm 差异/% 0.10 0.539 0.752 −28.324 0.25 0.748 0.752 −0.532 0.40 1.202 0.752 59.840 -
根据前面的结果,使入射电子束平均能量为6 MeV、径向强度FWHM为0.25 cm且能量展宽为0%时,改变角度展宽,分析它对不同射野离轴剂量分布和中心轴剂量分布的影响。研究发现4 cm×4 cm 、10 cm×10 cm射野的离轴剂量对角度展宽不敏感。而当射野较大时,离轴剂量对角度展宽较为敏感。图6中给出了入射电子束的角度展宽为0.15°和1°时,30 cm×30 cm射野下10 cm深度处的OAR曲线对比,其中OAR曲线归一化到10 cm深度处的中心轴剂量。结果表明,当角度展宽增大时,30 cm×30 cm射野的OAR曲线的中心区尤其是肩部变高,外侧半影区域没有变化。角度展宽为0.15°时模拟与测量的OAR曲线实现良好吻合,在1 mm/1%的Gamma分析标准下通过率达到99.376%。对PDD的分析表明,入射电子束的角度展宽对PDD的影响很小,作为例子,图7展示了在10 cm×10 cm射野下角度展宽分别为0.15°和1°时的模拟PDD与实验测量PDD的对比,
$ \gamma $ 通过率都达到了100%。其中PDD曲线都归一化到最大剂量深度处。 -
假定能量展宽与径向强度分布具有相同的分布类型,即都为高斯分布。在本研究中,能量展宽用百分比来表示,它等于高斯能谱的FWHM与平均能量的比值。根据前面的分析结果,入射电子束的参数设置为平均能量6 MeV,径向强度的FWHM为0.25 cm,角度展宽为0.15°。然后将能量展宽分别设置为最小值5%和最大值20%,发现不同射野下的PDD和OAR都没有显著变化。图8显示了入射电子束的能量展宽对10 cm深度处10 cm×10 cm射野离轴剂量的影响,OAR曲线都归一化到10 cm深度处的中心轴剂量。图9显示了入射电子束的能量展宽对10 cm×10 cm射野中心轴剂量的影响,PDD曲线都归一化到最大剂量深度处。
通过计算可得,当能量展宽为5%时,模拟OAR与测量OAR相比的
$\gamma $ 通过率为99.501%,模拟PDD与实验PDD相比的$\gamma $ 通过率为100%;当能量展宽为20%时,模拟OAR与测量OAR相比的$\gamma $ 通过率为98.509%,模拟PDD与测量PDD相比的$\gamma $ 通过率为100%。这一结果表明,PDD与OAR对入射电子束的能量展宽不敏感。在模拟中,可以将入射电子束的能量展宽设置为0%。 -
在确定入射电子束参数的过程中,本研究总结了入射电子束的平均能量、径向强度分布、角度展宽、能量展宽分别对10 cm×10 cm射野的PDD和对4 cm×4 cm 、10 cm×10 cm、30 cm×30 cm三种射野的OAR的影响,如表2所列。
入射
电子束
参数影响 10 cm×10 cm
射野的PDD4 cm×4 cm
射野的OAR10 cm×10 cm
射野的OAR30 cm×30 cm
射野的OAR平均能量 较大 较大 较大 较大 径向强度 较小 较大 较大 较大 角度展宽 较小 较小 较小 较大 能量展宽 较小 较小 较小 较小 -
将四种入射电子束参数分别进行调试直至准确是一件工作量大且耗时的事情,因此本文通过研究PDD和OAR对不同入射电子束参数的敏感性,依据控制单一变量原则总结了以下确定入射电子束参数的基准流程,可以加快模拟速度。
(i) 可确定的第一个参数为平均能量。由于PDD曲线主要受入射电子束能量的影响,因此入射电子束的平均能量可以通过比较模拟和测量的百分深度剂量来确定。可以将其他三个参数设置为0,只调节入射电子束的平均能量,直到模拟与测量的PDD曲线匹配。
(ii) 可确定的第二个参数为径向强度分布的FWHM值。由于径向强度分布的FWHM值主要影响离轴剂量分布的半影区,因此该值可以通过匹配模拟和测量的半影宽度来确定。步骤(i)中已确定能量,可以将角度展宽和能量展宽设置为0,只调节入射电子束径向强度分布的FWHM值,直到模拟与测量的OAR曲线的半影宽度匹配。
(iii) 可确定的第三个参数为角度展宽。由于入射电子束的角度展宽主要影响OAR曲线的中心区,尤其是在大射野情况下较为显著,因此可以在(i)和(ii)已经确定平均能量和径向强度分布的FWHM值的基础上,将能量展宽设置为0%,只调节入射电子束的角度展宽,直到大射野情况下模拟与测量的OAR曲线的中心区匹配。
(iv) PDD与OAR对入射电子束的能量展宽都不敏感。因此在模拟中,可以将入射电子束的能量展宽设置为0%。
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根据前面的结果,最终确定径向强度的FWHM为0.25 cm、角度展宽为0.15°的6 MeV单能电子束为较精准的入射电子束参数。为了进一步验证该电子束模型的准确性,将模拟得到的4 cm×4 cm、10 cm×10 cm、30 cm×30 cm三种射野的PDD和OAR分别与实验测量数据进行对比,并利用MATLAB进行Gamma分析。研究表明,入射电子束参数对于不同深度处的OAR的影响具有相同的结论,本文仅展示10 cm深度处的OAR曲线。三种射野的结果分别如图10~12所示,其中红色实线代表的是测量数据,红色虚线代表的是基于优化的入射电子束参数的模拟数据,蓝色曲线代表的是1 mm/1%标准下的Gamma值。可以看出,在不同射野大小的情况下,模拟得到的PDD和OAR与实验测量的数据都具有良好的吻合度。在1 mm/1%的Gamma分析标准下,对于PDD,三种射野情况下的
$\gamma $ 通过率都达到100%;对于OAR,除了在30 cm×30 cm射野情况下的$\gamma $ 通过率为99.376%,其他射野的$\gamma $ 通过率均达到100%。
The Study of Incident Electron Beam Parameters of XHA600D Medical Linear Accelerator Based on Monte Carlo Method
doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021088
- Received Date: 2021-12-03
- Rev Recd Date: 2022-01-21
- Publish Date: 2022-12-20
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Key words:
- Monte Carlo method /
- incident electron beam parameters /
- percentage depth doses /
- off-axis doses /
- XHA600D
Abstract: This study investigated the influence of incident electron beam parameters on dose distribution generated by the XHA600D accelerator based on Monte Carlo method, and then determined the optimal incident electron beam parameters. According to the geometric and material parameters of XHA600D accelerator treatment head provided by the manufacturer, the dose distributions in the water phantom generated by different incident electron beam parameters were simulated and recorded using Monte Carlo code EGSnrc, and the simulated dose distributions were compared with the measured results. The simulated incident electron beam parameters include mean energy, radial intensity distribution, angular divergency and energy spread. The experimental measurements include percentage depth doses and off-axis doses for 4 cm×4 cm, 10 cm×10 cm, 30 cm×30 cm fields. The results show that the simulated data are in excellent agreement with the measurements when the mean energy is monoenergetic 6 MeV, the FWHM(Full Width at Half Maximum) radial intensity is 0.25 cm and the angular divergency is 0.15°. These parameters can be used as the basic parameters to establish the dose calculation model of TPS(Treatment Planning System) for XHA600D accelerator.
Citation: | Ningyu WANG, Shaoxian GU, Fengjie CUI, Chuou YIN, Shengyuan ZHANG, Jinyou HU, Yunzhu CAI, Zhangwen WU, Chengjun GOU. The Study of Incident Electron Beam Parameters of XHA600D Medical Linear Accelerator Based on Monte Carlo Method[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(4): 519-526. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021088 |