人體組織替代材料在60Co放射治療中的蒙特卡羅模擬

劉什敏, 李 禎

(伊犁師范大學 物理科學與技術學院,新疆 伊寧 835000)

0 引言

20世紀30年代發明了千伏X線治療機,它只局限于淺層腫瘤,對于深部腫瘤,由于低能X射線穿透能力差,往往不能達到滿意的治療效果。1952年加拿大研制成功第一臺60Co治療機,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,以精確計時的方式控制放射源的衰變,從而達到能量控制的目的,放射治療開始成為一門獨立的學科。20世紀60—70年代醫用加速器問世,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脈沖振器產生的微波脈沖加以調制、放大、加速并產生高能電子線,該電子線擊靶后產生治療所需的X射線,并對其準直,均整后用于臨床。可見,加速器既能產生高能電子線也能產生高能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,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70—80年代,由于計算機技術和醫學影像技術的發展,以X(γ)射線為放射源的立體定向放射技術得到迅速發展。

蒙特卡羅方法又稱隨機抽樣技術或統計試驗方法,用計算機技術模擬物理過程的思想,能抓住物理過程的物理量的數量和幾何特征,利用數值方法加以仿真,能夠比較逼真地描述事物的特點及物理過程。該方法是求解輻射輸運問題和粒子能量沉積的一種相當成熟、實用和有效的方法,在腫瘤放射物理學尤其是遠距離放射治療中的應用已越來越廣泛。 腫瘤的放療一般也采用上述粒子進行照射,所以可以用MCNP(Monte Carlo N Particle)程序模擬放射粒子在機體組織中的輻射量分布情況,以指導實驗或代替實驗,從而節約大量的人物和物力。 本文中運用此方法對光子照射后分析在指定區域內的能量沉積情況。

1 材料和方法

用具有一系列自然屬性的材料模擬一定機體組織,這種材料被稱為組織代替材料(Tissue Substitute)。在深度劑量測量與計算時,組織替代材料的基本要求是“密度、化學和元素成分同模擬組織相似”。在使用60Co治療癌癥時,人體組織替代材料應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、有機玻璃,4種替代材料和正常腦組織的元素成分和質量密度見表1。

表1 腦組織和4種組織代替材料的元素成分和質量密度

圖1為模擬模型,以放射源為坐標原點,長方體為人體,在X軸上取N個計數體,用F6計數卡模擬計算沉積能量。在長方體以外球體以內為非計數范圍。球體以外為非研究范圍,不作為研究對象。利用MCNP-4C程序模擬計算了在光子(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、有機玻璃、石蠟)中不同深度處的能量分布。并通過模擬數據計算出幾種人體組織替代材料相對正常腦組織的能量相對誤差分布。

圖1 模擬模型

2 模擬計算結果

表2為通過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,并由此得到相應的變化曲線(圖2),進一步得到人體替代材料的沉積能量相對正常腦組織的相對誤差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 沉積能量相對誤差隨材料厚度的變化

表2 不同深度處的能量沉積對比

3 結論

通過蒙特卡羅模擬計算可以看出,圖2中與正常腦組織模擬數據最為接近的是水和有機玻璃兩種材料,圖3中相對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誤差最大,不適合作為人體組織的替代材料,石蠟和有機玻璃相對誤差大,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。