空腔對劑量分布影響

1、TPS中空腔邊緣劑量分布研究中空腔邊緣劑量分布研究上海交通大學(xué)附屬胸科醫(yī)院徐志勇TPS劑量計(jì)算誤差 在TPS的劑量計(jì)算中，數(shù)據(jù)都來源于均勻模體或標(biāo)準(zhǔn)水箱的測量結(jié)果，但真實(shí)人體具有非均勻性。 組織非均勻性對劑量分布的影響在某些情況下尤為重要。特別是人體中有些部位存在空腔，研究表明當(dāng)光子射線穿過空腔時(shí)，由于在空腔邊緣的電子不平衡，如被忽略會(huì)造大于的5誤差。 ICRU24號(hào)報(bào)告中指出劑量5的變化就會(huì)引起無并發(fā)癥的腫瘤控制率的顯著改變。 為了達(dá)到這個(gè)要求，由劑量計(jì)算產(chǎn)生的誤差不得大于3。 人體內(nèi)的空腔人體內(nèi)的空腔 鼻咽腔 空腔 食道 胃 腸 膀胱 等等背景背景 Martens等用直徑為2的空腔模擬氣管

2、，結(jié)果顯示CCC在劑量重建區(qū)高估了劑量，對于101野最大達(dá)到54。 Tillikainen發(fā)現(xiàn)AAA在高能小野時(shí)計(jì)算肺等效模體邊界時(shí)有限制。 Gray 等顯示當(dāng)用1010射野時(shí)，AAA計(jì)算比測量結(jié)果高出2.5。 大部分TPS中計(jì)算劑量的算法并沒有考慮空腔邊界處的電子不平衡。因此在計(jì)算劑量時(shí)計(jì)算值會(huì)比實(shí)際劑量高 。TPS劑量算法劑量算法 基于修正的劑量計(jì)算方法 基于修正的劑量計(jì)算方法是以參考條件下對標(biāo)準(zhǔn)野實(shí)驗(yàn)測量的深度劑量、離軸比、散射因子等為基礎(chǔ)，加之必要修正后得到實(shí)際放射物理?xiàng)l件和放射治療對象劑量分布的劑量計(jì)算方法。 基于模型的劑量計(jì)算方法 1）原射線散射線分離法 2）卷積/疊加法 3）蒙特

3、卡羅方法 卷積疊加算法是用核(Kernel)與原射線穿過人體組織時(shí)，產(chǎn)生的單位質(zhì)量釋放的總能量進(jìn)行卷積疊加劑量計(jì)算，只是對核的稱法有所不同。 卷積：積分時(shí)核對于空間保持不變，只是光子作用點(diǎn)和劑量計(jì)算點(diǎn)之間距離的函數(shù)。 疊代：由于加速器能譜空間分布不均和人體組織密度的不均勻，體表及其各器官輪廓的不規(guī)則、等效射線深度、射線質(zhì)硬化等原因。實(shí)際上，沉積核空間分布不均勻，不僅是光子作用點(diǎn)和劑量計(jì)算點(diǎn)之間距離的函數(shù)，還是光子作用點(diǎn)本身的函數(shù)。卷積/疊代法 3DTKdrrr-rr 3,D rTKdrrr rr光子線的光子線的CCC算法和算法和AAA算法算法 CCC算法 CCC算法三維點(diǎn)核的疊加算法的一種，是

4、從卷積疊加方法發(fā)展而來的一種方法，卷積疊加算法較常用的筆形束劑量計(jì)算方法計(jì)算精度高，但計(jì)算速度相對較慢。CCC算法將空間離散化，劃分為許多筒串，并采用筒串近似，假設(shè)穿過個(gè)體素的射線為光子與各體素初次作用后離散化的能量沉積方向，能量在各條射線上線性傳遞、衰減、沉積。因此可以提高計(jì)算速度。 AAA算法 AAA方法是一種考慮了電子轉(zhuǎn)移的三維筆形束卷積疊加算法。此方法最早用在立體定向放療手術(shù)方案上，用于計(jì)算小照野和高異質(zhì)性區(qū)域的劑量分布。后延展到普通放療。AAA方法主要包括兩大部分，建立模型和實(shí)際劑量計(jì)算。 模特卡羅(MC)方法又稱隨機(jī)抽樣技巧法，是以概率統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的一種算法。

5、 半個(gè)多世界前，隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這種方法作為一個(gè)獨(dú)立的算法被提出來，并首先在核武器的試驗(yàn)與研制中得到應(yīng)用。 MC方法能夠逼真地描述事物的特點(diǎn)以及輻射實(shí)驗(yàn)過程，從而成為一種解決劑量計(jì)算的非常有效的理論工具。蒙特卡羅算法蒙特卡羅方法定義蒙特卡羅方法定義 蒙特卡羅法又稱隨機(jī)抽樣技巧法或統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)法，在目前結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算中，它被認(rèn)為是一種相對精確算法。蒙特卡羅方法歷史簡介蒙特卡羅方法歷史簡介 最早的蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)：16世紀(jì)，法國一位數(shù)學(xué)家，隨機(jī)投硬幣萬余次，得到結(jié)論，正反面出現(xiàn)的幾率為50； 二十世紀(jì)四十年代中期由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明，蒙特卡羅在原子能事業(yè)上得到了應(yīng)用而逐漸

6、推廣； 二十世界九十年代開始，在放療界開始應(yīng)用。蒙特卡羅方法三個(gè)主要步驟蒙特卡羅方法三個(gè)主要步驟 構(gòu)造或描述概率過程； 實(shí)現(xiàn)從已知概率分布抽樣； 建立各種估計(jì)量。 其中，其中，V是是 N-dimension space的體積的體積,是是 “i”th 個(gè)抽樣觀測值，個(gè)抽樣觀測值，M 是抽樣總數(shù)。是抽樣總數(shù)。 ) 1 (.),.,(.21211122nnbababadxdxdxxxxfInn ) 2 (),.,.,(1121MimixxxMVIf),.,(21mixxxf 在數(shù)值算法中，等式（在數(shù)值算法中，等式（1）可以用來計(jì)算）可以用來計(jì)算N-dimension space 函數(shù)函數(shù)f(x1,

7、x2,.,xn )的積分值。的積分值。 解析算法解析算法MC 算法算法approximate When the sampling total comes near infinity , the standard deviation comes near zero. When the sampling total reaches 105, error of MC method will be less than 5%. )3(112112iMiiMixfxfMM The standard deviation of MC approximation can be calculated by the

8、 following expression:MC算法特點(diǎn)一般計(jì)算方法對于解決多維或因素復(fù)雜的問題非常困難，而蒙特卡羅方法對于解決這方面的問題卻比較簡單。其特點(diǎn)如下： 直接追蹤粒子，物理思路清晰，易于理解。 采用隨機(jī)抽樣的方法，較真切的模擬粒子輸運(yùn)的過程，反映了統(tǒng)計(jì)漲落的規(guī)律。 不受系統(tǒng)多維、多因素等復(fù)雜性的限制，是解決復(fù)雜系統(tǒng)粒子輸運(yùn)問題的好方法。 MC程序結(jié)構(gòu)清晰簡單。 研究人員采用MC方法編寫程序來解決粒子輸運(yùn)問題，比較容易得到自己想得到的任意中間結(jié)果，應(yīng)用靈活性強(qiáng)。 MC方法主要弱點(diǎn)是收斂速度較慢和誤差的概率性質(zhì)，其概率誤差正比于 ，如果單純以增大抽樣粒子個(gè)數(shù)N來減小誤差，就要增加很大的

9、計(jì)算量。 目前是放療界最好的算法，但終究是一個(gè)過渡算法。 馮*諾伊曼的忠告:“任何人如果相信計(jì)算機(jī)能夠產(chǎn)生出真正的隨機(jī)的數(shù)序組都是瘋子。”。（1）美國佐治亞大學(xué)的費(fèi)倫博格博士作出的一分報(bào)告證明了最普遍用以產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)串的計(jì)算機(jī)程序中有5個(gè)在用于一個(gè)簡單的模擬磁性晶體中原子行為的數(shù)學(xué)模型時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。（2）科學(xué)家們發(fā)現(xiàn), 出現(xiàn)這些錯(cuò)誤的根源在于這5個(gè)程序產(chǎn)生的數(shù)串其實(shí)并不隨機(jī), 它們實(shí)際上隱藏了一些相互關(guān)系和樣式, 這一點(diǎn)只是在這種微小的非隨機(jī)性歪曲了晶體模型的已知特性時(shí)才表露出來。 MC方法只是一個(gè)無限逼近的近似方法。MCMC代碼代碼目前使用主要的目前使用主要的MCMC代碼程序代碼程序 MCNP4

10、c EGSnrc GEANT4 DPM模糊優(yōu)勢線路法 EGSEGS軟件包軟件包 EGSnrc包括BEAMnrc、DOSXYZnrc、 STATDOSE、CTCREATE和BEAMDP等子程序，分別用于模擬加速器機(jī)頭結(jié)構(gòu)、計(jì)算體?；蛉梭w中劑量分布、分析劑量分布、病人CT圖像向MC的轉(zhuǎn)換和分析生成的相空間文件。 蒙特卡羅方法在放療中的應(yīng)用1725364光子俘獲光子穿透光子散射中子穿透中子俘獲裂變，產(chǎn)生光子中子散射，產(chǎn)生光子說明：. 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1入射中子計(jì)算模擬計(jì)算模擬圖圖2.10 2.10 一次計(jì)算過程示例一次計(jì)算過程示例photon4 : sample directio

11、n, energy, of new particles2 : sample distance to interaction23 : sample type of interaction31 : sample particle energy, direction, starting position, .1Scoring regionelectron研究內(nèi)容、方法和設(shè)備研究內(nèi)容、方法和設(shè)備 內(nèi)容： PPD曲線和空腔邊緣profile曲線 方法： AAA和CCC算法 EDR2膠片測量 EGSnrc計(jì)算 設(shè)備 Varian加速器和TPS 飛利浦TPS空腔模體設(shè)計(jì)空腔模體設(shè)計(jì)3030283（內(nèi)含333

12、3空腔）3030283（內(nèi)含2233空腔）3030293（內(nèi)含3343空腔）與模體 一樣，3030283，用骨組織代替空腔（=1.38/3）。蒙特卡羅方法的驗(yàn)證蒙特卡羅方法的驗(yàn)證MC模擬和測量誤差在2證明了該模型的準(zhǔn)確性。射野大小的影響射野大小的影響表射野大小分別為222，442和10102時(shí)中心軸上空腔下表面附近CCC和AAA與MC劑量計(jì)算的誤差。射野大小（2）計(jì)算方法誤差（）00.20.40.622CCC32.3715.873.300.68AAA116.3149.3316.716.6544CCC23.391.59-0.980.16AAA33.545.510.821.031010CCC7.4

13、62.06-0.29-1.23AAA8.572.30-0.59-1.11模體：3030283（內(nèi)含3333空腔）射野大小的影響射野大小的影響射野大小的影響射野大小的影響能量的影響能量的影響表 射野能量為6MV和15MV時(shí)中心軸上空腔下表面附近CCC和AAA劑量計(jì)算的誤差。能量計(jì)算方法誤差（）00.20.40.60.86MVCCC23.391.59-0.980.16-0.22AAA33.545.510.821.030.2415MVCCC17.093.01-0.93-0.84-1.10AAA38.6116.937.835.563.78模體：3030283（內(nèi)含3333空腔）能量的影響能量的影響能量的影響能量的影響空腔大小的影響空腔大小的影響空腔大小(3)計(jì)算方法誤差（）00.20.40.60.81223CCC3.312.940.550.710.710.39AAA6.514.040.19-0.40-0.700