劉什敏, 李 禎

(伊犁師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,新疆 伊寧 835000)

0 引言

20世紀(jì)30年代發(fā)明了千伏X線治療機(jī),它只局限于淺層腫瘤,對(duì)于深部腫瘤,由于低能X射線穿透能力差,往往不能達(dá)到滿意的治療效果。1952年加拿大研制成功第一臺(tái)60Co治療機(jī),它利用放射性核素60Co作為放射源,釋放出平均能量為1.25 MeV的γ射線,以精確計(jì)時(shí)的方式控制放射源的衰變,從而達(dá)到能量控制的目的,放射治療開(kāi)始成為一門獨(dú)立的學(xué)科。20世紀(jì)60—70年代醫(yī)用加速器問(wèn)世,其按能量的輸出方式可分為單能與多能加速器,它利用高能電子加速管對(duì)脈沖振器產(chǎn)生的微波脈沖加以調(diào)制、放大、加速并產(chǎn)生高能電子線,該電子線擊靶后產(chǎn)生治療所需的X射線,并對(duì)其準(zhǔn)直,均整后用于臨床。可見(jiàn),加速器既能產(chǎn)生高能電子線也能產(chǎn)生高能X射線,二者可用于治療不同深度的腫瘤。X射線具有穿透力強(qiáng),能量可以沉積的特性,所以用于治療深部腫瘤;而電子線射程短,故用于治療淺表部的腫瘤或皮膚病等。20世紀(jì)70—80年代,由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展,以X(γ)射線為放射源的立體定向放射技術(shù)得到迅速發(fā)展。

蒙特卡羅方法又稱隨機(jī)抽樣技術(shù)或統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方法,用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬物理過(guò)程的思想,能抓住物理過(guò)程的物理量的數(shù)量和幾何特征,利用數(shù)值方法加以仿真,能夠比較逼真地描述事物的特點(diǎn)及物理過(guò)程。該方法是求解輻射輸運(yùn)問(wèn)題和粒子能量沉積的一種相當(dāng)成熟、實(shí)用和有效的方法,在腫瘤放射物理學(xué)尤其是遠(yuǎn)距離放射治療中的應(yīng)用已越來(lái)越廣泛。 腫瘤的放療一般也采用上述粒子進(jìn)行照射,所以可以用MCNP(Monte Carlo N Particle)程序模擬放射粒子在機(jī)體組織中的輻射量分布情況,以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)或代替實(shí)驗(yàn),從而節(jié)約大量的人物和物力。 本文中運(yùn)用此方法對(duì)光子照射后分析在指定區(qū)域內(nèi)的能量沉積情況。

1 材料和方法

用具有一系列自然屬性的材料模擬一定機(jī)體組織,這種材料被稱為組織代替材料(Tissue Substitute)。在深度劑量測(cè)量與計(jì)算時(shí),組織替代材料的基本要求是“密度、化學(xué)和元素成分同模擬組織相似”。在使用60Co治療癌癥時(shí),人體組織替代材料應(yīng)選擇那些光子的散射與吸收截面與人體組織相似的材料。本文取比較常用的4種材料:石蠟、水、聚苯乙烯、有機(jī)玻璃,4種替代材料和正常腦組織的元素成分和質(zhì)量密度見(jiàn)表1。

表1 腦組織和4種組織代替材料的元素成分和質(zhì)量密度

圖1為模擬模型,以放射源為坐標(biāo)原點(diǎn),長(zhǎng)方體為人體,在X軸上取N個(gè)計(jì)數(shù)體,用F6計(jì)數(shù)卡模擬計(jì)算沉積能量。在長(zhǎng)方體以外球體以內(nèi)為非計(jì)數(shù)范圍。球體以外為非研究范圍,不作為研究對(duì)象。利用MCNP-4C程序模擬計(jì)算了在光子(1.25 MeV)照射下,正常腦組織及4種組織代替材料(水、聚苯乙烯、有機(jī)玻璃、石蠟)中不同深度處的能量分布。并通過(guò)模擬數(shù)據(jù)計(jì)算出幾種人體組織替代材料相對(duì)正常腦組織的能量相對(duì)誤差分布。

圖1 模擬模型

2 模擬計(jì)算結(jié)果

表2為通過(guò)蒙特卡羅模擬得到的正常腦組織及4種組織代替材料不同深度(厚度)的能量沉積,并由此得到相應(yīng)的變化曲線(圖2),進(jìn)一步得到人體替代材料的沉積能量相對(duì)正常腦組織的相對(duì)誤差E隨材料厚度的變化曲線(圖3)。

圖2 沉積能量隨代替材料厚度的變化

圖3 沉積能量相對(duì)誤差隨材料厚度的變化

表2 不同深度處的能量沉積對(duì)比

3 結(jié)論

通過(guò)蒙特卡羅模擬計(jì)算可以看出,圖2中與正常腦組織模擬數(shù)據(jù)最為接近的是水和有機(jī)玻璃兩種材料,圖3中相對(duì)誤差的變化非常直觀地反映了4種材料各自的差異:聚苯乙烯則由于相對(duì)誤差最大,不適合作為人體組織的替代材料,石蠟和有機(jī)玻璃相對(duì)誤差大,水與正常腦組織比較略微偏高。因此,4種人體組織替代材料中,水是最佳的替代材料。