筒串算法用于非均匀介质光子剂量计算的精确性验证研究

摘要

肿瘤放射治疗学与肿瘤外科学、肿瘤内科学一起构成恶性肿瘤治疗的三大主要手段,约有60％～70％的肿瘤病人在不同的治疗阶段需要接受放射治疗。放射治疗的目的是达到治疗的最优化,即靶区所受剂量尽可能大,而正常组织和危及器官尽可能少受或免受照射。
　　 放射治疗计划系统是放射治疗的灵魂,而剂量计算又是治疗计划系统的核心。在既往的剂量计算中,主要采用解析法,解析方法所使用的标准数据库都来源于均匀模体或标准水箱的测量结果,但真实人体是由许多个具有不同的物理学和放射学特性的组织和腔体组成,人体组织具有非均匀性。组织非均匀性对剂量分布的影响主要体现为:改变原射线的强度和与之相联系的散射光子的分布以及改变次级光子通量。而这些影响在某些情况下尤为重要,如肺组织照射,如被忽略会导致15％～25％的剂量误差。ICRU第24号报告中指出,剂量±％的变化就会引起无并发症的肿瘤控制率的显著改变。为了达到最佳的放射治疗效果,精确的预测非均匀组织的吸收剂量非常重要。
　　 本文针对当前放射治疗计划系统发展中的一个关键问题:人体组织不均匀性剂量校正进行了系统深入的研究。目前,组织的非均匀性校正方法主要有:ETAR(等效组织空气比法)、MB(修正的Batho方法)、EPL(等效路径长度法)、S/C(叠加/卷积法)、MC(蒙特卡罗法)。通过对现存剂量计算模型的优劣比较,我们选取了一种快速叠加卷积方法--筒串算法(Collapsed Cone Convolution,CCC)作为本研究的剂量计算模型。
　　 CCC方法是一种快速的叠加卷积方法。由Ahnesjo等人在1989年提出,这种方法是将散射剂量的积分划分成具有一定立体角的共轴锥筒串,原射线与作用点相互作用后,沿某一立体角的筒串轴方向释放的所有能量,被筒轴上的体素线性传输、衰减、吸收,并沉积在筒串轴上,筒串轴与原射线光子入射方向垂直。
　　 叠加卷积计算中的能量沉积核(卷积核)可以通过蒙特卡罗方法提取。因此本文利用蒙特卡罗三维粒子输运计算程序EGSnrc模拟出了叠加卷积计算中所需要的单能点源光了束在有限宽均匀模体中的能量沉积核,并通过加权得到多能光子束的能量沉积,然后用于筒串算法中的剂量计算。
　　 为了验证筒串算法预测射野中剂量分布的精确性,本文对所使用算法进行了实验验证。实验中采用固体水/有机玻璃/聚氨基甲酸酯泡沫/有机玻璃/固体水和固体水/有机玻璃/猪肺/有机玻璃/固体水两种不同的模体结构对CCC算法进行了实验验证。所有的实验都是在Varian 23-EX直线加速器上进行,射野大小分别为5cm×5cm和10cm×10cm,射束能量都为6MV光子束,SSD=100cm。实验过程中采用的测量工具为TLD探测器。实验结果给出了沿射束中心轴的深度剂量曲线。
　　 本研究中的剂量计算分为两部分:第一部分通过自编程序计算射野为10cmxlocm时射束能量分别为6MV、10MV、15MV时射束中心轴上的剂量。第二部分是采用Philips Pinnacle Version 8.0放射治疗计划系统中的CCC算法和FC算法进行剂量计算,计算条件与实验条件一致,通过实验验证了筒串算法预测射野中剂量分布的精确性,并通过两种算法的比较,证明在组织的非均匀性剂量计算中,CCC算法比FC算法更精确。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 放射治疗简介

1.2 适形调强放射治疗TPs

1.3 三维剂量计算的数学模型

1.4 本课题的意义

1.5 论文的内容安排

第二章 组织的非均匀性校正

2.1 与组织非均匀性有关的放射物理学

2.1.1 光子相互作用

2.1.2 带电粒子相互作用

2.1.3 带电粒了平衡

2.1.4 组织密度和原予序数的影响

2.1.5 原射线和散射线

2.2 组织不均匀性校正方法

2.2.1 第一类:一维能量局部沉积(次级电子不输运)

2.2.2 第二类:三维局部能量沉积(无次级电子输运)

2.2.3 第三类:一维能量局部沉积

2.2.4 第四类:三维能量非局部沉积

2.3 COLLAPSED CONE CONVOLUTION算法

第三章 蒙特卡罗模拟

3.1 蒙特卡罗方法

3.2 EGS软件包

3.3 EGSNRC的功能和特性

3.4 EGS软件的基本构成

3.5 EGS参数设置

3.6 计数和输出

3.7 单能光子能量沉积核的蒙特卡罗提取法

3.7.1 模拟能量沉积核所使用的几何模型

3.7.2 参数设置

3.7.3 数据处理和结果显示

3.7.4 结果分析

3.8 能谱及角分布的蒙特卡罗提取

3.9 蒙特卡罗剂量计算方法

3.9.1 参数设置

3.9.2 结果显示

第四章 计算结果及实验验证

4.1 材料与方法

4.1.1 模体

4.1.2 测量工具

4.1.3 方法

4.2 结果与分析

4.3 实验总结

第五章 总结

5.1 论文总结

5.2 工作展望

参考文献

附录一 攻读硕士期间发表的论文及取得的成果

致谢

统计学证明