模型3500碘-125植入治疗粒子源的剂量学特征

模型3500碘-125植入治疗粒子源的剂量学特征 模型3500碘-125植入治疗粒子源的剂量学 特征 第28卷第5期 2008年9月 核电子学与探测技术 NuclearElectronics&DetectionTechnology Vo1.28No.5 Sep.2008 模型3500碘-125植入治疗粒子源的剂量学特征 雷鹏,柳婵娟,张志红 (1.鲁东大学计算机科学与技术学院,山东烟台264025; 2.鲁东大学物理与电子工程学院,山东烟台264025) 摘要:本文主要是对植入科学公司生产的模型3500碘一125植入治疗粒子源的一系列剂量学特征 的研究.粒子源的各个剂量学参量通过使用蒙特卡罗方法计算得到.计算模型采用了两种等效 水:固体水和液态水.粒子源的剂量学参量如剂量率常数,径向剂量和各项异性函数等的确定依照 美国医学物理学家协会(AmericanAssociationofPhysicistsinMedicineAM)第43次工作报告.蒙 特卡罗模拟得到液态水的剂量率为0.997cGyh-1U_.,固态水的为1.027cGyhU_.. 与前同类研究 比较,本次研究的剂量率常数与同类研究所报道的数据较为一致. 关键词:蒙特卡罗,MCNP4C,模型3500,碘一125,剂量率,植入治疗 中图分类号:R817.8文献标识码:A文章编号:0258-0934(2008)05-0978-04 放射性粒子碘一125,钯一103和铯一131等粒 子源植入近距离治疗肿瘤技术,已经发展成为 治疗恶性肿瘤的主要手段之?.采用粒子植入 恶性肿瘤组织中,要求肿瘤组织受照剂量较高, 而正常组织不受损伤或仅有微小损伤.这就要 求粒子源有严格的剂量学保证,确保达到治疗 目的同时重要器官受照射剂量尽可能的小.因 此美国医学物理学家协会(AAPM)在放射治 疗第43次工作报告中提出一系列用于植入治 疗的计算公式,并建议采用蒙特卡罗方法计算 和实验测量来确定粒子源的剂量学特征. AAPM报告提出临床需要用到了粒子源剂量 学参量有剂量率常数,径向剂量函数和各项异 性函数等.本研究使用蒙特卡罗方法对植入科 学公司生产的模型3500碘一125进行计算;给 出AAPM提出的这些剂量学参量;包括液态 收稿日期:2008-01-05 基金项目:国家自然科学基金项目(10604045). 作者简介:雷鹏,(1964一),男,山东,副教授,山东 大学计算机学院硕士毕业,主要从事计算机算法和 辐射剂量学研究. 978 水和实验中常用到的固体水两组数据,并将临 床上需要用到的剂量率常数以及各项异性函数 与其它同类研究所报道的结果进行了比较,结 果较为一致. l材料与方法 1.1模型3500粒子源和计算材料 图1是模型3500[.]碘一125粒子源的几何 尺寸.整个粒子源构造是沿中心横轴成对称结 构;粒子源物理长度为4.5ram,成圆柱体形状; 圆柱体外层直径为0.8mm.粒子源最内层是 银标识层,直径为0.43mm,密度为10.5g/ cm. .最外层为金属钛包壳,厚度为0.05mm, 密度为4.54g/cm3.空隙部分为干燥的空气, 密度为0.00120g/cm.;银标识层外部为陶瓷 材料;带有放射性的碘一125溶解在密度为2.58 g/cm.陶瓷内.碘一125半衰期为6O.2天;平均 能量为28.37keV.计算材料中采用ICRU44 推荐的固体水wT1(SolidWaterTM)[.和液态 水,固体水按其组成成分按质量分比为:e.OH一 8.1,(IJc一67.2,(1,O=19.9,(DcL=0.1 和(屺一2.3;密度为1.015g/cm3.液态水 按化学式H.O计算,模拟中取?n=11.2,(|Jo = 88.8,密度为1.0g/cm3. 图1用于MCNP计算的 模型3500碘-125源几何结构 1.2剂量学参数与蒙特卡罗模拟 依照AAPM第43次报告[1],粒子源的剂 量学特征包括剂量率常数A,径向剂量函数g (r,e)和各项异性函数F(r,e).对这些剂量特 征参数的确定可通过蒙特卡罗方法来实现. 1.2.1剂量率常数A 剂量率常数A,单位为cGyh叫U,,其定 义为水中参照点P(r0,00)的剂量率与源的单位 空气比释动能强度的比值;用式子示为: A—D(r0,00)/SK(1) 式中D(r,)是粒子源在材料中的剂量率,是 源的空气比释动能强度(cGycmzh).AAPM 规定,空气比释动能的确定必须放在一个大真 空腔中进行,通常对空气比释动能确定采用蒙 特卡罗方法,本次MC计算中采用300cm真空 球来计算空气比释动能. 1.2.2各向异性函数F(r,e) 各向异性函数描述粒子源放射光子在组织 中随角度的变化,是源在组织中的剂量学特征 随角度变化的一组函数,方程表示为: F(r,)一D(r,O)G(r,Oo)/O(r,Oo)G(r,) (2) 式中G(r,a)为几何因子,不同的源几何因子不 同,可以依照角度直接计算得出.由于粒子源 的空间对称结构,在蒙特卡罗处理中只需计算 角度范围从50,9O.,间隔为50;计算径向范围 0.5,8.0cm. 1.2.3径向剂量函数g(r,e) 径向剂量函数描述粒子源放射光子在组织 中随径向衰减的变化规律,用方程表示为: g(r)=D(r,Oo)G(ro,Oo)/D(to,Oo)G(r,Oo) (3) 在蒙特卡罗模拟中,通常对径向剂量函数计算 是在垂直于粒子源中心轴方向上取两个相距 lmm的平面,这两个平面把许多不同径向半径 的圆柱体截开,这样就得到一系列所需要 的径向栅元;通过记录栅元中能量的沉积或剂 量即可得到径向剂量函数所需要的曲线.本次 对两组等效水的径向剂量函数计算中,计算范 围都取0.5,8.0cm. 2结果与讨论 2.1剂量率常数 剂量率常数的计算选择f6计数卡,MC- NP4C(MonteCarloNeutronPhotonTrans- portCode)[]计算给出固体水的剂量率为1. 027cGyhU,;这个数据与Wallce[等用实 验测量的1.01cGyhU的相当一致.模拟 得到液态水的剂量率为0.997cGyh.在 和同类研究比较中,本次研究的剂量率常数与 前研究者对同类粒子源所报道的数据较为一 致.表1是几种临床上常用的碘-125粒子 源[6’;它们的模型构造是有一定的差异,但是 剂量率常数都在1.0cGyhU叫附近. 2.2各向异性函数 在各向异性函数蒙特卡罗模拟计算中,源 长轴O.方向剂量沉积较小,误差大难于收敛; 而垂直于粒子源长轴90.方向沉积剂量相对大 些,容易收敛,误差也比较小些.AAPM对粒 子源剂量学特征研究有严格规定,一些蒙特卡 罗常用的误差降低技术难于采用.离粒子源中 心越是远的地方剂量沉积也相对小些,本研究 中对两组等效水模拟最大距离都是8cm;为了 使8cm长轴O.方向计算误差小于3%,即最大 计算误差不超过30A;本次计算中采用了2× 10.个历史事件.表2和表3分别是MCNP4C 给出的各项异性函数在液态水中和固体水中的 情况,计算径向距离(以粒子源中心点为原点, 半径为r上的各项异性函数)分别计算了r=0. 5cm,1.0cm,2.0cm,3.0cm,4.0cm,5.0cm,6. 0cm,7.0cm和8.0cm上的各点;角度上计算了 5.---90.,间隔5..从表2和表3两种材料计算 结果可以看出,两种等效水的各项异性函数对 图2是本次计算与Rivard 应计算值比较接近. 等报道的模型3500碘一125各项异性函数比 较,分别比较了F(r,0)一lcm和,F(r,8)一0. 5cm的情况.图中可以看出,本次计算的数值 979 要比Rivard(2002)报道数据稍微大些.不同 的作者在模型的建立差异和蒙特卡罗代截面数 据采用的不同,使得计算结果存在一定的差别 是可能的.另一个原因可能是银原子的作用. 表1目前临床上常用的几种植入治疗碘?125粒子源计算和测量的剂量率常数比 较 表3各项异性函数.F{r.0)(计算材料为固体水) 2.3径向剂量函数 980 在蒙特卡罗计算中,径向剂量函数相对各 A丑gle/de|eeAnglo/degree 拟拿系数:a1i=.34e一4’a.2=--3?些差异部分原因可能是测量模拟误差以及几何 465 _=3,aa一3?3u66e一2,a4一=‘13086,离一不很重要a5—2?89144e--2 嘲 ,a . 6=1.072 重 54 山 ;墨喜’银”I~.I原lIU子]”-的r’g作l3o用,,,q,7根1”--据0 … .5~ 一 8.0 一 Cmoh~ ,n … g.磊茹的冀蓍 3500 一 ~-125”曩 b 黼 :周;二银棒,因此粒雹:--一 k构 , 一 I~, 1;液态水密度为L.罴 (距离为0.5到8era;并给出了5次函数拟合的结果) ————————_-:———————一参考文献 3结论 本研究按照美国医学物理学家协会TG-43 [1]RivardMJ,Coursey13.M,DeWerdLA,etaL UpdateofAAPMTaskGroupNo.43Report:A revisedAAPMprotoco1f0rbrachytherapydose calculations[J];Me&Phys.2004,31(3). E2]M.J.Rivard,ComprehensiveMonteCarlocalcu- lationsofAAPMTaskGroupReportNo.43do- simetryparametersfortheModel3500I-Plant125I brachytherapysource[J],App1.Radiat.2002, Isot,57,381—389. r3]ReniersB,VynekierSandSexdlietP,Dosimetric studyofthenewInterSource125iodineseed[J]. Me&Phys.2001,28(11):2285.2288 [4]CCC-700MCNP4CMonrrowspectrum,wedesignanovelX-raytubewhichisofdual — targetstructure.Wehaveperformedcomputersimulationtoverifythevalidityofthisdesign ,using MonteCarlosimulationpackageGEANT4.SimulationresultsshowthatX-raythnarrows pectrums whichcondenseonacertainenergybandcorrespondingtothematerialoftargetscanbegenerated.More— over,theeffectivenessofnarrowspectrumX-rayincomparisonwithbroadspectrumX-rayinreducing beam-hardeningartifactsiSdemonstrated.Also,theworkcanprovidereferencesforresearchersand manufacturerswhowanttOacquireX-raysourcewithnarrowspectrum. Keywords:X-raywithnarrowbandspectmm~simulation;G_T4;dual-targetX-raytube (上接第981页,Continuedfrompage981) [5]RE.Wallace,Model3500125Ibrachytherapy sourcedosirnetriccharacterization[J],App1.Ra— diat.2002,Isot.56.581,587. [6]DolanJ,Liaz,WilliamsonJF,”MonteCar10and experimentaldosimetryofan1251brachytherapy seed[J]”,Med.Phys.2006,33,4675-4684. [7]i&Meigooni,Yoe-SeinMM,A1-OtoomAY,et a1.Determinationofthedosimetriccharacteristics ofInterSource125Iodinebmchytherapysource[J], App1.Radiat.2002,IsOt56,589—599. [8]RWangandR&Sloboda,”MonteCarlodose parametersoftheBrachySeedmodelL1brachy- therapysource[J],”AppkRadiau2002,Isot. 56,805—813 Dosimetricparametersofmodel3500iodine-125brachytherapysources LEIPeng,LIUChan-juan,ZHANGZhi—hongz (1.DepartmentofComputerScienceandTechnology,LudongUniversity,Yantai264025,China. 2.DepartmentofPhysicsandElectronicEngineering,LudongUniversity,Yantai264025,Chin~) Abstract:Thepurposeofthisstudywastopresentdosimetricquantitiesiodine-125(model3500produced byImplantSciencesCorporation)brachytherapysources.TheMonteCarlomethodhasbeenusedtocal- culatethedosimetricparametersinbothSolidWater(WT1)andliquidwater.Dosimetricproperties.in— cludingthedoserateconstant,radia1dosefunction,andanisotropycharacteristicsweredeterminedac— cordingtotheAmericanAssociationofPhysicistsinMedieine(AAPM)T43protoco1.Thedoserate constantofthesourcewasdeterminedtobe0.997cGyh一U一 inliquidwaterand1.027cGyh一U一inSol— idWater.OurresultsofdoserateconstantswerefoundtObeingoodagreementwithpreviouslypub— lisheddataforsimilarsourceconfigurations. Keywords:MonteCarlo;? P4C;Model3500;iodin~125;Doserateconstant;brachytherapy 1004