降方差技术对伽马刀单源剂量场蒙特卡罗模拟计算效率和模拟结果准确性影响

目的 评价4种降方差技术(使用环形计数网格、设置较高的电子截止能量、部分结构内终止电子跟踪和源出射方向偏倚采样)对伽马刀单源剂量场蒙特卡罗模拟计算效率及模拟结果准确性的影响。方法 使用蒙特卡罗程序MCNP对伽马刀单源结构进行建模,分别采用4种降方差技术模拟水模内剂量场分布,比较计算效率和模拟结果的准确性。结果 上述方法均能显著提高计算效率,且对模拟结果准确性影响不大(相对误差<2.5%)。但当所使用的电子截止能量高于50 keV时,因过度忽略了高能电子的散射作用及散射电子对半影区的剂量贡献,模拟结果出现较大误差。因过度忽略了高能电子的散射作用及散射电子对半影区的剂量贡献,在严重高估Profile平台区剂量的同时也严重低估了半影区剂量。结论 合理使用降方差技术能显著提高伽马刀单源模拟的计算效率,但需认真考虑其对模拟结果准确性的影响。     

153Sm-EDTMP治疗骨转移病例的三维剂量计算——蒙特卡罗和S因子计算方法的比较

背景与目的:个体化核素治疗的三维吸收剂量计算是目前核医学感兴趣的问题。基于三维功能成像和器质成像计算三维吸收剂量,现主要采用S因子计算方法、点源卷积计算方法和蒙特卡罗直接模拟计算方法。本研究比较蒙特卡罗和基于体素的S因子计算方法,探索核素治疗中三维吸收剂量的计算。方法:基于蒙特卡罗程序包EGS4构建的三维剂量计算程序,计算核素153Sm的体素S因子;对1例采用153Sm-EDTMP治疗的鼻咽癌骨转移患者,测量其注射药物0、0.5、2、3.5、5和6h后排尿的核素活度,通过测量数据进行拟合计算其累积活度;结合患者的SPECT/CT联合扫描融合图像,采用直接蒙特卡罗方法和S因子方法进行了三维吸收剂量计算。结果:吸收剂量计算结果表明:蒙特卡罗和S因子两种计算方法所给出的等剂量分布曲线基本相近,剂量分布主要集中在骨组织内。在两种计算方法下,最大剂量点剂量分别为3.92Gy和3.71Gy,相差5%左右。计算区域的剂量-体积直方图显示:D10(10%体积所包括的最高剂量)分别为2.14Gy和2.00Gy,相差7%;D20则分别为0.58和0.51Gy,相差14%左右。总体来说,S因子方法的计算结果相对于蒙特卡罗方法的计算结果小一些。结论:蒙特卡罗和S因子方法都能够基于核医学影像进行核素治疗三维剂量计算,S因子方法计算误差可能稍大,但不失为一种快捷的剂量评估方法。     

基于蒙特卡罗实现容积调强弧形治疗计划独立剂量验证的应用研究

目的 开发基于蒙特卡罗(MC)的验证平台实现容积调强弧形治疗(VMAT)计划的独立剂量验证。方法 利用EGSnrc/BEAMnrc构建Varian TrueBeam医用直线加速器的机头和准直器模型,并基于机头模型和自编程序搭建患者VMAT计划的独立剂量验证平台,通过平台模拟不同射野大小百分深度剂量(PDD)曲线和离轴比、两个不规则野以及头颈部、胸部和盆腔各1例患者剂量分布。比较不同射野大小PDD曲线和离轴比与蓝水箱测量结果差异,不规则射野与ArcCHECK实测的差异,再通过γ分析法、剂量体积直方图对比分析患者MC模拟剂量、计划系统计算剂量、ArcCHECK实测剂量之间差异,验证平台是否可用于独立剂量验证。结果 对4cm×4cm~40cm×40cm的PDD曲线和离轴比,MC模拟结果和测量结果一致性较好。不规则射野MC模拟结果与ArcCHECK实测相比,在3%/2mm、3%/3mm下γ通过率都在98.1%、99.1%以上;3例不同部位VMAT患者MC模拟剂量和ArcCheck实测剂量在3%/2mm、3%/3mm下γ通过率均好于93.8%、95.9%。通过三维γ分析计划系统计算剂量和MC模拟剂量在3%/3mm下鼻咽癌、肺癌、直肠癌的γ通过率分别为95.2%、98.6%、98.9%;在3%/2mm下依次为90.3%、95.1%、96.7%。结论 基于MC开发的验证平台模拟结果与实际测量结果一致性较好,其模拟结果更接近于患者体内真实剂量分布,初步结果显示可用于VMAT计划的精准独立剂量验证。     

GZP型60Co近距离治疗源基于金属施源器剂量参数的蒙特卡罗研究

目的 研究金属施源器对GZP3型⁶⁰Co近距离治疗源剂量分布的影响,获得该源基于金属施源器的剂量学参数。方法 通过蒙特卡罗软件Geant4获得近距离治疗源周围(0~10 cm)的平均吸收剂量,并根据AAPM的TG43和TG43U1等报告推荐的计算公式获得该源基于金属施源器的剂量学参数。模拟中⁶⁰Co近距离治疗源位于半径为30 cm的球体水模中心。结果 获得基于金属施源器的GZP3型⁶⁰Co近距离治疗源1和2号通道的Λ为1.014 cGyh^-1U^-1(与无施源器相比分别偏差0.5%),3号通道的Λ为0.998 cGyh^-1U^-1(与无施源器相比分别偏差0.1%);中垂轴0.5~10.0 cm距离范围内的径向剂量函数,并获得该函数的拟合公式;角度0°~175°、距离0.5~10.0 cm范围内的各向异性函数。结论 本研究得到的基于金属施源器的剂量学参数为该源的临床使用提供更加精确的数据参考,在临床使用中应考虑金属施源器对于⁶⁰Co剂量分布的影响。     

基于简化机头模型与筒串卷积算法的调强计划独立三维剂量验算

目的 建立医用直线加速器的双点源机头模型,结合筒串卷积算法实现调强治疗计划三维独立剂量验算。 方法 分别对瓦里安、医科达直线加速器建立双点源机头模型,结合筒串卷积剂量算法计算三维剂量分布。与电离室水箱扫描数据比较规则野的Scp、PDD、离轴剂量分布确认计算模型。两种加速器分别各选取 12例共 24例调强治疗计划进行比较,对TPS计算结果进行独立验算,并且与探测器矩阵测量结果进行比较。 结果 矩形野中心点剂量偏差均<1%,射野内相同位置二者剂量偏差≤1%,半影区域位置偏差≤1 mm。采用3%/3 mm标准γ通过率均>90%。 结论 建立了基于双点源机头模型结合筒串卷积算法实现调强治疗计划三维独立剂量验算,对规则射野及调强治疗计划的验证比较,表明该方法和计算模型可用于临床计划的三维独立剂量验算。     

基于锥形线束CT图像剂量计算准确度的实际测量验证研究

目的采用实际测量的方法探讨CBCT图像用于剂量计算的准确度。方法回顾性分析苏州大学附属第二医院自2021年9月至2022年5月60位患者的锥形线束CT(CBCT)图像。利用Varian OBI系统获取模体的头部全扇面、头部半扇面、胸部半扇面、盆腔半扇面4种扫描模式的CBCT图像, 以CIRS电子密度模体建立对应扫描条件的CT值-电子密度(HU-ED)曲线, 在CBCT图像上设计放疗计划并对检测点的剂量计算结果与电离室测量结果进行比较, 分析剂量误差。然后利用三维剂量验证系统对60名患者基于CBCT图像放疗计划实施过程的准确度进行检测, 根据靶区D99%、Dmean、D1%和危及器官Dmean、D1%, 以及γ通过率来验证剂量计算的准确性。结果在模体点剂量检测中, 上述4种扫描模式CBCT图像的剂量计算误差分别为-1.06%±0.87%、-1.67%±0.86%、0.91%±0.73%、-1.54%±0.90%。患者基于CBCT图像治疗计划剂量学验证中, 各扫描模式下靶区(PTV)的Dmean、D99%及D1%差异均值均不超过2%, 除头部患者的晶状体外, 其他危及器官的Dmean和D1...     

基于直线加速器虚拟源模型的蒙特卡洛剂量计算及在IMRT独立验算中的初步应用

目的：研究临床放疗蒙特卡洛剂量计算方法中虚拟源模型的可行性。方法通过蒙特卡洛方法模拟得到记录医用直线加速器机头出射粒子物理特性的相空间文件,分析提取相空间文件中粒子的种类、能谱及位置分布,建立半经验虚拟双光子源抽样模型。结合并行剂量计算引擎GMC,得到3 cm×3 cm、5 cm×5 cm、10 cm×10 cm、20 cm×20 cm和30 cm×30 cm射野及2例临床调强计划的三维水模剂量分布的蒙特卡洛模拟结果,将其与水箱测量结果或医科达Monaco计划系统结果比较,以验证基于虚拟源的蒙特卡洛剂量计算的准确性。结果对5个射野下的水箱中心轴的百分深度剂量曲线以及不同深度的离轴剂量曲线,蒙特卡洛模拟结果与测量结果相差在1％以内。对2例临床调强计划, Monaco计算结果与蒙特卡洛模拟结果的三维通过率分别为98．9％和99．4％（3％／3 mm）,95．1％和95．4％（2％／2 mm）。结论基于虚拟源模型的蒙特卡洛模拟能得到准确的放疗剂量计算结果。     

敲除SLC39A5基因对4-NQO诱发C57BL/6小鼠食管癌模型建立的影响

目的 探索敲除SLC39A5基因对4-NQO诱导的C57BL/6小鼠食管癌模型的影响。方法 选取10只C57BL/6野生型小鼠作为阴性对照组,饮用浓度为100 μg/ml的丙二醇空白溶液;选取140只野生型小鼠与80只SLC39A5基因敲除小鼠,采用饮水法摄入诱癌剂,即浓度为100 μg/ml的4-NQO（4-nitroquinoline 1-oxide）,实验时间为28周,实验结束后处死三组小鼠。结果 阴性对照组小鼠、野生型小鼠和SLC39A5基因敲除小鼠在实验结束时其存活率分别为100%、92.96%、91.25%;三组小鼠食管癌诱癌成功率分别为0、61.36%、28.77%,两实验组小鼠诱癌成功率差异有统计学意义（χ²=19.98, P<0.001）。结论 成功建立了C57BL/6小鼠及SLC39A5基因敲除小鼠的食管癌模型,同时验证了SLC39A5基因在食管癌发生发展中的促进作用。     

Monte Carlo大尺度仿真3D晶粒长大演变过程的研究

采用一种改进的Potts模型Monte Carlo算法进行了300^3大尺度3D正常晶粒长大的仿真实验，仿真实验结果表明：3D晶粒长大仿真过程遵循抛物线长大规律，晶粒生长指数为0．5。当晶粒面数．f≥8时，Yu-Liu拓扑学依赖速率理论方程和Hillert速率理论方程均与仿真实验结果很好地吻合，表明二者均可以用来描述3D晶粒长大过程的动力学；当晶粒面数f〈8时，Yu-Liu拓扑学依赖速率理论方程和Hillert速率理论方程均与仿真实验结果有显著差异。晶粒的平均面数（f）随仿真时间的增加而增大，在准稳态长大阶段后期（f）趋于稳定数值。     

电子束能谱宽度及角分布对蒙特卡罗方法模拟计算剂量分布影响

目的 研究电子束能谱和角分布对其放疗剂量分布影响。方法 应用模拟得到的医用直线加速器电子束能谱分布和角分布作为输入文件,使用经修改的PENELOPE程序中蒙特卡罗方法模拟计算电子束能谱宽度和角分布对射野中心轴剂量分布和离轴剂量分布。结果 电子束能谱宽度和角分布对射野中心轴剂量分布和离轴剂量分布无明显影响,剂量分布曲线几乎重合;只有在能谱展宽为2.5 MeV时才有明显影响,剂量分布曲线有显著差别。结论 根据本研究蒙特卡罗模拟计算结果设计治疗计划系统电子线算法时可不考虑能谱宽度和角分布影响,而直接使用电子线最可几能量计算,这样可节省大约9%时间而有助于提高计算速度。     

使用蒙特卡罗模拟方法设计乳腺癌术中放疗的鼓形施照器

目的:使用蒙特卡罗方法优化设计专用于乳腺癌术中放疗的鼓形施照器。方法:设计过程：首先,依据贴近胸壁的乳腺癌术中放疗瘤床形状特征,确定施照器形状;其次,通过模拟计算电子束经过一系列不同厚度散射箔后的散射角和剂量率,确定散射箔厚度;最后,根据调制器位置几何结构特征,最后,建立调节层模型,参考调节层与施照器表面剂量之间的关系...     

Dosimetric validation of the MCNPX Monte Carlo simulation for radiobiologic studies of megavoltage grid radiotherapy

PURPOSE: To validate the MCNPX Monte Carlo simulation for radiobiologic studies of megavoltage grid radiotherapy. METHODS AND MATERIALS: EDR2 films, a scanning water phantom with microionization chamber and MCNPX Monte Carlo code, were used to study the dosimetric characteristics of a commercially available megavoltage grid therapy collimator. The measured dose profiles, ratios between maximum and minimum doses at 1.5 cm depth, and percentage depth dose curve were compared with those obtained in the simulations. The simulated two-dimensional dose profile and the linear-quadratic formalism of cell survival were used to calculate survival statistics of tumor and normal cells for the treatment of melanoma with a list of doses of the fractionated grid therapy. RESULTS: A good agreement between the simulated and measured dose data was found. The therapeutic ratio based on normal cell survival has been defined and calculated for treating both the acute and late responding melanoma tumors. The grid therapy in this study was found to be advantageous for treating the acutely responding tumors, but not for late responding tumors. CONCLUSIONS: Monte Carlo technique was demonstrated to be able to provide the dosimetric characteristics for grid therapy. The therapeutic ratio was dependent not only on the single alpha/beta value, but also on the individual alpha and beta values. Acutely responding tumors and radiosensitive normal tissues are more suitable for using the grid therapy.     

GATE based Monte Carlo simulation of planar scintigraphy to estimate the nodular dose in radioiodine therapy for autonomous thyroid adenoma

The recommended target dose in radioiodine therapy of solitary hyperfunctioning thyroid nodules is 300-400 Gy and therefore higher than in other radiotherapies. This is due to the fact that an unknown, yet significant portion of the activity is stored in extranodular areas but is neglected in the calculatory dosimetry. We investigate the feasibility of determining the ratio of nodular and extranodular activity concentrations (uptakes) from post-therapeutically acquired planar scintigrams with Monte Carlo simulations in GATE.The geometry of a gamma camera with a high energy collimator was emulated in GATE (Version 5). A geometrical thyroid-neck phantom (GP) and the ICRP reference voxel phantoms “Adult Female” (AF, 16 ml thyroid) and “Adult Male” (AM, 19 ml thyroid) were used as source regions.Nodules of 1 ml and 3 ml volume were placed in the phantoms. For each phantom and each nodule 200 scintigraphic acquisitions were simulated. Uptake ratios of nodule and rest of thyroid ranging from 1 to 20 could be created by summation. Quantitative image analysis was performed by investigating the number of simulated counts in regions of interest (ROIs). ROIs were created by perpendicular projection of the phantom onto the camera plane to avoid a user dependant bias.The ratio of count densities in ROIs over the nodule and over the contralateral lobe, which should be least affected by nodular activity, was taken to be the best available measure for the uptake ratios. However, the predefined uptake ratios are underestimated by these count density ratios: For an uptake ratio of 20 the count ratios range from 4.5 (AF, 1 ml nodule) to 15.3 (AM, 3 ml nodule).Furthermore, the contralateral ROI is more strongly affected by nodular activity than expected: For an uptake ratio of 20 between nodule and rest of thyroid up to 29% of total counts in the ROI over the contralateral lobe are caused by decays in the nodule (AF 3 ml). In the case of the 1 ml nodules this effect is smaller: 9-11% (AF) respectively 7-8% (AM).For each phantom, the dependency of count density ratios upon uptake ratios can be modeled well by both linear and quadratic regression (quadratic: r² > 0.99), yielding sets of parameters which in reverse allow the computation of uptake ratios (and thus dose) from count density ratios. A single regression model obtained by fitting the data of all simulations simultaneously did not provide satisfactory results except for GP, while underestimating the true uptake ratios in AF and overestimating them in AM.The scintigraphic count density ratios depend upon the uptake ratios between nodule and rest of thyroid, upon their volumes, and their respective position in a non-trivial way. Further investigations are required to derive a comprehensive rule to calculate the uptake or dose ratios based on post-therapeutic scintigraphy.     

GZP型60Co源剂量学参数的蒙特卡洛模拟

目的 GZP型⁶⁰Co源高剂量率后装机在临床中已有应用,模拟计算GZP型⁶⁰Co源的剂量学参数。方法 使用EGSnrc蒙特卡洛软件模拟计算已知的BEBIG ⁶⁰Co源(Co0.A86)剂量学参数,与其结果进行对比,验证方法的可行性。对GZP型高剂量率后装机⁶⁰Co源进行建模,用同样方法模拟计算GZP型⁶⁰Co源剂量学参数。结果 对BEBIG⁶⁰Co源,结果与标准数据吻合很好,单位活度空气比释动能强度S_K/A相差0.2%,剂量率常数Λ相差1.0%,径向剂量函数g_L (r)和各向异性函数F (r,θ))曲线吻合。计算得到的GZP型⁶⁰Co源(1、2)号通道的S_K/A和Λ分别是3.011×10^-7cGycm²h^-1Bq^-1和1.118cGyh^-1U^-1, GZP (3)号通道⁶⁰Co源的S_K/A和Λ分别是3.002×10^-7cGycm²h^-1Bq^-1和1.110cGyh^-1U^-1,g_L (r)、F (r,θ)和水模中单位空气比释动能强度的剂量率参照AAPM推荐列出。     

The role of Monte Carlo simulation in understanding the performance of proton computed tomography

Proton computed tomography (pCT) is a promising tomographic imaging modality allowing direct reconstruction of proton relative stopping power (RSP) required for proton therapy dose calculation. In this review article, we aim at highlighting the role of Monte Carlo (MC) simulation in pCT studies. After describing the requirements for performing proton computed tomography and the various pCT scanners actively used in recent research projects, we present an overview of available MC simulation platforms. The use of MC simulations in the scope of investigations of image reconstruction, and for the evaluation of optimal RSP accuracy, precision and spatial resolution omitting detector effects is then described. In the final sections of the review article, we present specific applications of realistic MC simulations of an existing pCT scanner prototype, which we describe in detail.