基于卷积的放射治疗剂量计算方法研究

摘要

放射治疗是治疗肿瘤的主要手段之一，剂量计算在放射治疗计划系统中占有非常重要的地位。在众多剂量计算方法中，基于卷积/叠加的剂量计算方法因具有计算精度较高、速度较快等优点，被广泛应用在现代放射治疗计划系统中。
　　基于卷积/叠加的剂量计算方法假设模体内任一点的剂量沉积可以通过模体内的能量注量分布与对应的能量沉积核进行卷积/叠加运算获得。相比其他剂量计算方法，如基于修正的剂量计算方法和蒙特卡罗方法等，卷积/叠加剂量计算方法很好地平衡了放射治疗计划系统对剂量计算精度和计算速度的要求。根据能量沉积核的不同，可将基于卷积/叠加的剂量计算方法分为点核模型算法、笔形束模型算法和平面核模型算法。其中平面核模型算法因计算精度较差没有得到较多研究。点核模型算法通过三维卷积/叠加运算计算剂量分布，其计算精度较高。而笔形束模型算法将三维卷积/叠加运算降为二维运算，有效地提高了计算速度，但计算精度有所下降。
　　本文首先介绍了目前放射治疗中剂量计算方法，其中详细介绍了基于卷积/叠加的剂量计算方法和蒙特卡罗方法等。并且对卷积/叠加剂量计算方法中的常见快速方法，如快速傅立叶算法、筒串卷积算法和多晶格算法进行了阐述和讨论。随后，本文根据射线束在模体内不同的能量传递方式，提出了一种新的用于模拟能量沉积核的笔形束函数。新的笔形束核函数由指数函数和Lorentz函数组合而成，其中衰减较快的指数函数对应同样衰减较快的原射线能量部分，而衰减较慢、具有钟形中心的Lorentz函数对应衰减较慢的散射线能量部分。实验结果证明新的笔形束核能够较好的拟合能量沉积核。本文还对基于卷积/叠加的剂量计算方法在应用中面临的实际问题进行了探讨，其中重点分析和研究了射线倾斜入射造成能量沉积核倾斜的问题和非均匀介质的校正问题。通过将本文实验结果与不同模体内蒙特卡罗模拟数据进行比较，证明新核函数核剂量计算结果与蒙特卡罗模拟数据相似度较好，可以满足实际需求。