12.7 外照射剂量计算算法

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12.7 外照射剂量计算算法

12.7.1 剂量计算算法的临床实现进程

总的来说，剂量计算算法在被应用到临床之前要经历一系列变

革步骤。了解这个用户看不见的变革步骤以及这个步骤的组成项目是

很有教育意义的。对用户来说，了解了这一点能帮助建立治疗计划的

QA 项目。

12.7.1.1 剂量计算算法的发展

剂量计算算法就是尽可能精确的预测剂量在病人体内任意一点

的分布。因为射线与人体组织辐射反应的相当复杂，并且实际应用时

为了增加计算速度，剂量计算算法必须取物理模型的近似值。这是剂

量计算算法的内在限制。结果这些剂算法的应用在某些条件下是计算

精度很高，但在其他另一些复杂条件下是精度不够。通常来说，更长

运算时间的复杂剂量计算算法的不确定度要小于简单的剂量计算算

法。常用的剂量计算算法会在下一节细节做详细的讨论。剂量算法的

优化是一个治疗计划系统中很重要的因素。一些系统制造商在治疗计

划系统中提供了不止一个的剂量算法。

12.7.1.2 剂量计算算法软件的开发

一旦剂量计算的数学公式被发现，算法就可以被转化成计算机

代码。这些编码过程需要软件的如下支持：（1）接受与病人影像资

料或者轮廓数据；（2）允许描画靶体积和正常组织；（3）确定射

线几何参数和射野形状；（4）允许对辅助设备的附加支持，例如楔

形板，挡铅和多叶准直器（MLC）等；（5）可以为相关的机器和

与病人有关的参数进行精确的剂量计算；（6）可以提供简易的治疗

计划评估和优化；（7）可以在显示器上提供计划设计的结果；

（8）可以通过网络或打印机对计划进行输出。事实上，软件中大部

分代码用来信息管理，只有相当少的代码被用来剂量计算。尽管购买

者可以通过选择不同的软件来选择想要的剂量算法，但是购买者并

不能精确的知道算法如何被写成代码。考虑到计算速度的需要，软件

的有时候会简化原原来的数学公式，这样计算结果就会产生一定的

误差。

12.7.1.3 剂量计算算法所需数据的输入

所有算法都需要输入某些形式的治疗数据。对于传统的治疗计

划系统，临床上要用的每一种射线的数据都需要测量。输入的数据的

精确性和可靠性依赖于用户测量和计算的数据。这些数据事实上受到

某些限定条件的约束，例如特定的深度和射野大小。当计算数据超出

了测量数据的范围，那么计算结果就应该仔细的检测，因为算法采

用的外差值方法可能不够准确。由于数据测量的人员的技能存在差异，

测量用的探测器的型号和规格的也不尽相同，测量时机器产生射线

的稳定性（例如由机架角和时间因素引起的射线平坦度和对称性的

不确定）等因素的存在，导致测量的数据本身也有一定的不确定性

和不连续性。

治疗计划系统采用的相对数据和绝对数据都要准确，相对数据

指剂量率，绝对数据指机器输出剂量校准。在治疗计划软件中，后者

被用来计算机器跳数或时间。

12.7.1.4 治疗计划系统的临床应用

一旦系统被接受或应用，它就需要输入患者个体信息，例如外轮

廓和数字影像。治疗计划系统产生优化的剂量分布和计算机器跳数。

治疗计划的优化完全由使用和放射治疗医生指定的剂量或生物学限

制来控制。

12.7.2 剂量计算算法

大部分治疗计划系统在数字化影像、轮廓、治疗射野、源和剂量

分布显示方面的软件模块都是相似的。不同点主要在于执行，生物工

程学和治疗计划流程上。而剂量算法支撑着许多基于剂量分布和剂量

体积直方图的临床决议，是一个计算计划系统最独特，最重要和最

复杂的单元。本节描述了一些常用的剂量计算算法。需要强调的是在

购买一套治疗计划系统是用户要能提出一些合理的需求。用户在通知

放疗医生该系统在各种临床情况下剂量计算是准确的之前，需要了

解一些特殊算法的限制。

12.7.2.1 剂量计算问题

从剂量分布的三维计算中区分剂量分布的三维显示是一个非常重要的问题。

目前对某一组织剂量的三维计算算法采用原射线和散射线的分开计算的方法。这

里原射线是指起源于放射源，并到达病人身上某个感兴趣点前没有与其他组织

相互作用的原始射线。散射线是指在体内间沿着多重途径间接到计算点的射线。

图

12-24

显示的是只考虑原射线和单一散射线的简单情形，实际情况原比这复

杂。因为原射线是由起源于不同点的不同粒子组成的光谱。对于受照的组织，多

重散射的散射光子和电子簇是均匀混合的。因而三维计算无法用真正的剂量算法

来计算，实际上这个算法是剂量准确性和计算速度之间的折衷。

12-24 某点的剂量是原射线和散射线的共同贡献，图中P表示原射线，

S表示散射线

12.7.2.2 使用叠代原理（ superposition principle ）的通用算法

剂量计算方法的一个主要发展发生在放射线被分为其原射线和散射线两部

分。实际上，算法是否发展的标记是剂量组成部分的分解是否稳步发展。这种分

解的优点在于对射野形状、射野强度、患者局部解剖结构和内部组织密度都可以

单独调节。在图12-25a 显示放射治疗的一个开放野的所有的散射线到达水体模

内的一个目的点。散射线的贡献来自许多不同形状的亚体积，他们在

一些特定深度和射野大小时有效数据是独立的。确定这个贡献可以由平面（图

12-25b），线（12-25c）或点（12-25d）的区域组成。

图12-25 不同散射核剂量分布的汇总，（a）射线核，（b）平面核，（c）

笔形束核，（d）点核

我们定义这个能量延伸模型来源于图12-26 举例说明的“散射核”类的实

体。图12-27 显示 Co-60 射线照射下水体模中实际点核心的康普顿散射计算。这

个点核可以从两点来解释：（1）作为从逆向散射点到感兴趣目的点的贡献的等

中心分布（如从接受者视角）或者（2）作为从一个散射点到顺射线方向的立体

像素的能量延伸（发射者视角）。图12-28 表明 5MeV 单能光子线（约等效于

15MV 射野）的点核，分解为来自原康普顿电子，单散射康普顿光子，二次散

射康普顿光子，多次散射康普顿光子和带电粒子慢化时辐射的光子的贡献。

图12-26 不同散射核的大小

图12-27 Co60 的第一散射点核：（a）蒙特卡拉方法；（b）解析

算法，中心分布按照dSAR 值；（c）解析方法，中心剂量。

图12-27 5MeV 单能光子线点核

在剂量算法执行期间，计算点的剂量由不同散射作用产生的效应叠加。如果

入射线仅在一个方向上变化（例如楔形野），使用面核模型计算具有速度优势，

并且仅表现为一维方向的叠加。若使用组织填充物或调强技术市入射野强度在两

个方向变化，此时用线核模型计算更合适。如果射野通量受到复杂的方式的影响

此时点核模型适用，这时进行三维积分计算是必要的。数学上的剂量分布，对于

图12-25b，12-25c 和12-25d 中所描述的情况，可以分别表示为：

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12.7外照射剂量计算算法12.7.1剂量计算算法的临床实现进程总的来说，剂量计算算法在被应用到临床之前要经历一系列变革步骤。了解这个用户看不见的变革步骤以及这个步骤的组成项目是很有教育意义的。对用户来说，了解了这一点能帮助建立治疗计划的QA项目。12.7.1.1剂量计算算法的发展剂量计算算法就是尽可能精确的预测剂量在病人体内任意一点的分布。因为射线与人体组织辐射反应的相当复杂，并且实际应用时为了增加计算速度，剂量计算算法必须取物理模型的近似值。这是剂量计算算法的内在限制。结果这些剂算法的应用在某些条件下是计算精度很高，但在其他另一些复杂条件下是精度不够。通常来说，更长运算时间的复杂剂量计算算...

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