医用重离子束输运过程的Geant4模拟

摘要

本工作利用Geant4 toolkit编写粒子束在物质中输运过程的蒙特卡洛模拟程序，计算了光子、质子以及12C离子、16O离子在类人体组织中的传能线密度。通过模拟程序的可视化可以清楚的观察到每个粒子在人体组织内的运动径迹和相关的物理过程，根据这些粒子束输运的物理特性来研究它们在医学中的应用，主要的工作如下： 首先介绍了放射治疗的发展以及我国重离子治疗的现状，然后从理论上研究了放射治疗的物理和生物学基础。 编程思想以及数据处理的过程是本工作的重要的环节之一，在这部分内容中讨论了设计程序的整体结构，以及人体结构模型的建立和粒子源的实现。 利用程序的可视化观察离子输运过程的径迹及其特点来研究质子和12C离子的在医学中的应用。同种粒子不同能量以及不同能量的不同粒子在输运过程中都有它们各自的特点，根据这些不同的物理特性研究了它们在医学上的应用差别。研究了12C离子在输运过程中的部分碎片对总剂量的贡献以及次级中子在整个过程中的能量损失机制和它在放射治疗中的影响。

目录

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第一章 引言

1.1放射治疗的发展历史

1.2我国重离子治癌发展现状

1.3离子束输运过程研究的意义

参考文献

第二章 重离子束治疗的物理和生物学基础

2.1带电粒子与物质的相互作用

2.2带电粒子在物质中的能量损失

2.2.1电子阻止本领

2.2.2核阻止本领

2.3重离子核反应

2.4线性能量传递(Linear Energy Transfer，LET)

2.5细胞的存活曲线

2.5.1靶学说

2.5.2细胞存活曲线

2.6相对生物学效应

2.7 LET与相对生物效应

2.8细胞的修复能力对RBE值的影响

参考文献

第三章 编程思想及数据处理

3.1编程工具介绍

3.1.1Geant4 toolkit简介

3.1.2数据处理工具PAW简介

3.2程序的整体结构

3.3模拟实验平台的建立

3.3.1Geant4中人体组织模型的实现

3.3.2模拟粒子源的实现

3.4物理模型

3.4.1电磁相互作用模型

3.5文件的输入

参考文献

第四章 重离子束输运过程及医学应用的研究

4.1重离子束用于肿瘤放射治疗的基础理论

4.1.1肿瘤中乏氧细胞的再充氧

4.1.2细胞受照射亚致死损伤后的修复

4.1.3细胞群增殖的再分布

4.1.4细胞群中存活细胞的再增殖

4.2质子与12C离子在输运过程性质的研究

4.2.1MCFIT (Monte Carlo model for Heavy-ion Therapy)模型

4.2.2质子与12C离子的输运过程

4.3质子和重离子束在类组织中的深度-剂量的研究

4.3.1不同离子束在类组织中的深度-剂量分布

4.3.2不同能量的离子束在类组织中的深度-剂量分布

4.412C输运过程中碎片的研究

4.5次级中子碎片在输运过程中的剂量分布

4.5.1低能中子(10MeV及其以下)

4.5.2高能中子

4.6 C离子束放射治疗的研究

4.6.1 C离子束治疗的适应症

4.6.2 C离子束治疗对正常组织的放射损伤

4.6.3 C离子束治疗的其他方面

4.6.4 C离子束治疗的优点和局限性

参考文献

第五章　　总结

5.1本文的主要工作

5.2程序中的问题

5.3展望

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