| 题名 | 重离子精确笔形束模型及其在治疗计划中的应用研究 |
| 作者 | 张晖 |
| 答辩日期 | 2019-06-01 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) |
| 授予地点 | 中国科学院大学 |
| 导师 | 袁平 |
| 英文摘要 | 重离子束由于具有物理学和生物学上的优势,被誉为是二十一世纪最理想的放射治疗用射线,被称作治疗恶性肿瘤的一大“利器”。在重离子放射治疗中,利用主动式点扫描束流配送系统实施照射,在靶区具有较高的适形程度,且易于实现粒子束调强放射治疗,是重离子治疗发展的一大趋势。在该束流配送系统下,利用扫描磁铁以及通过加速器主动变能或射程移位器被动变能的方式对束流进行引导,使之能够精准地照射到靶区内的指定位置。而单个束流的剂量计算精确性尤为重要,它直接影响了空间内总剂量的计算,最终影响到整个放射治疗的疗效。在粒子束放射治疗中通常采用笔形束来实施照射治疗。在很多初级版本的治疗计划系统(TPS)中,二维的单一高斯模型常常被用来描述笔形束的横向剂量分布。研究表明单一高斯模型并不能充分描述笔形束中的次级粒子,尤其是位于离轴较远处的低剂量包络。这些低剂量包络主要由束流经过多重库伦散射的粒子和与介质发生核相互作用产生的次级粒子组成,其剂量非常低,大约在中心剂量的10~(-3)以下。研究表明,在描述单个笔形束的低剂量包络时,即使是很微小的偏差也会在所有笔形束叠加后对临床治疗累积产生较为显著的剂量误差。然而在我们的TPS初级版本中采用的仍是单一高斯模型,因此,改进现有笔形束模型迫在眉睫。本论文利用GATE v7.1/GEANT4 v10.01模拟平台,基于近代物理研究所深层治癌终端优化后的束流线,模拟了不同能量的碳离子笔形束,并分析了其在水中的剂量分布。通过对重离子笔形束的剂量构成进行全面分析,证实了低剂量包络的存在,且重离子笔形束的低剂量包络主要由质子构成。随后,重点关注了重离子笔形束中次级粒子在不同情况下对总剂量的影响,得出高能重离子笔形束在小射野的中间入射深度处次级粒子对总剂量的影响最大。基于MC模拟结果,本文在已有的研究基础上提出了独创的二重高斯-逻辑斯蒂模型来描述重离子笔形束在水中的横向剂量分布。随后利用Matlab基于单一高斯、二重高斯、三重高斯和新型笔形束模型对单个笔形束的模拟数据进行了拟合,得到了不同模型的计算参数,并在单个笔形束、单能射野以及FSF曲线中比较了不同笔形束模型的剂量计算精确性。结果显示:无论在离轴较远处还是在射野中心,三重高斯和二重高斯-逻辑斯蒂模型的计算精确性是最高的,尤其是在高能束流小射野的中间深度处,这也正是次级粒子对总剂量影响最大的地方。相比于三重高斯模型,新型笔形束模型在大多数情况下比之更精确。更进一步,本文利用MC模拟和迭代法之最小二乘法在不同大小的同心球靶体和不同深度处的小球靶体中对不同笔形束模型的剂量计算精确性进行了对比,进一步验证了新型笔形束模型的精确性,间接研究了低剂量包络对不同靶体的剂量影响。结果表明,低剂量包络对靶体的剂量影响在不同深度处的小球靶体中是有规律的,它随着靶体位置深度的增加而增加的;而对于不同大小的同心球靶体而言,并无显著规律。二重高斯-逻辑斯蒂模型在位于深处的小球靶体中优势是最明显的,与单一高斯、二重高斯和三重高斯模型相比,利用新型笔形束模型计算可使计算精确性分别提升99.5%,98.0%和40%。此外,为分析不同笔形束模型在整个三维体积内的剂量计算精确性,在靶体后增加了虚拟的OAR,分别对CTV和OAR分析其DVH分布。结果表明,若采用不精确的笔形束模型计算会导致靶区中的剂量欠量以及OAR中的剂量被错误地评估,而新型笔形束模型可有效地解决这一问题。基于二重高斯-逻辑斯蒂模型,本文研究了重离子放射治疗中不同计划方法,利用迭代法之最小二乘法在TG119测试模型中实现了SFUD(single field uniform dose)和MFO-IMPT(multifield optimization intensity modulated particle treatment)的剂量优化计算,并比较了这两种计划方式的优劣。SFUD在算法上实现较为简单,在做计划时需要不断调整不同射野的权重来兼顾靶区适形度和危及器官中的剂量;MFO-IMPT在算法的实现上略微复杂,考虑的因素更多一些,但灵活度更高,是粒子束调强放射治疗发展的趋势。与SFUD相比,MFO-IMPT在靶区的适形度更高,同时能够更好地保护危及器官。在做MFO-IMPT计划时,危及器官的剂量限值和物理师优先权的设定是关键,会直接影响剂量计算的结果,需要根据现实情况不断进行调试来获得满意的结果。本文为下一步建立具有实用性的精确束流模型奠定了基础,为现有重离子放射治疗计划系统中的剂量计算方法提供了参考,并为下一步治疗计划系统优化升级提供了理论基础。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 135 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://119.78.100.186/handle/113462/134946]  |
| 专题 | 近代物理研究所_加速器总体室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张晖. 重离子精确笔形束模型及其在治疗计划中的应用研究[D]. 中国科学院大学. 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所). 2019. |
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