放射治疗中髋关节假体对剂量分布影响的MCNP模拟

摘要

随着当代医学技术的快速发展，医用金属材料越来越多的应用于外科手术中，当体内含有金属植入物的肿瘤患者进行放射治疗时，相对于人体组织器官高原子序数、高密度特性的金属植入物对射线的散射和吸收作用会对体内剂量的分布产生影响。研究表明这种影响是客观存在的，主要表现为粒子的反散射造成金属植入物入射面处剂量的增强和由于金属植入物对射线的吸收造成的靶区剂量的减少。
　　本文选取髋关节假体作为金属植入物，以进行前列腺癌放射治疗为例，构建含有特定金属植入物和特定肿瘤信息的虚拟患者人体模型，运用蒙特卡罗方法(MCNP5)模拟计算髋关节假体对剂量分布的影响。
　　在做此工作之前，建立含有金属块的简单水箱模型，分析背散射因子的影响因素及作用规律，为后文模拟具体的金属植入物（髋关节假体）对剂量的影响提供理论支持。研究发现，金属植入物的材质、厚度、测量点距金属表面的距离、入射线束的能量及入射角度等因素对背散射因子(BSDF)的影响较大，金属植入物在水箱中的深度、宽度以及照射面积等因素对背散射因子(BSDF)的影响较小。
　　进行人体剂量模拟计算，建立虚拟人体模型是一项非常重要的工作。本文采用的虚拟人体模型类型是混合模型(Hybrid Phantoms)，此模型是由3D人体模型通过Rhinoceros软件转化成非均匀有理B样条模型(NURBS模型)，最后由BINVOX和READVOX程序进行体素化得到的混合体素模型。它既包含数学模型的灵活性，又有体素模型的真实性，是未来研究人体模型的发展方向，本文利用人体3D模型制成的混合模型分辨率为0.2cm0.2cm0.4cm，共8407350个体素。
　　利用MCNP软件模拟计算了不同角度(0°、5°、8°、15°)照射下，Co-Cr-Mo合金髋关节假体对靶区剂量和髋关节假体入射面处剂量分布的影响。可以看出，当入射线束路径通过髋关节假体时对临床靶区(CTV)剂量造成很大程度衰减，达15.35％，并且靶区剂量不均匀性增大，靶区中心点差异程度高达20％以上，而调整照射野路径避开髋关节假体可以对有效的减少其对靶区剂量的影响，但与此同时，射线成一定角度入射会使髋关节假体前部正常组织遭受剂量增多，剂量增强达10％以上。因此，在调整照射野路径以避开金属植入物的同时更要考虑反散射粒子的增多导致正常器官遭受额外剂量增加二次放射性癌的几率。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题背景、研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 放射治疗学

1．4 人工髋关节

1．5 研究内容与技术路线

第2章 放射治疗物理学和生物学基础

2．1 放射治疗物理学基础

2．1．1 γ(X)射线与物质相互作用

2．1．2 剂量学相关概念

2．2 电离辐射生物学效应

第3章 蒙特卡罗方法与MCNP程序

3．1 蒙特卡罗方法

3．1．1 基本原理

3．1．2 蒙特卡罗方法解题步骤

3．1．3 蒙特卡罗方法的收敛性和方差

3．1．4 蒙特卡罗方法解决粒子输运问题的结构程序

3．2 MCNP简介及使用

3．2．1 MCNP简介

3．2．2 MCNP5使用说明

3．2．3 MCNP中的减方差技巧

第4章 背散射因子影响因素及作用规律

4．1 引起剂量增强粒子分析

4．2 模型和方法

4．3 结果及分析

第5章 人体混合模型建立

5．1 主要人体模型简介

5．2 人体混合模型的建立

5．3 含有髋关节假体的人体混合模型的建立

5．4 人体混合模型的优化

5．5 本章小结

第6章 物理模型建立及模拟

6．1 MCNP输入文件

6．1．1 物理模型建立

6．1．2 材料卡的书写

6．1．3 源项设置

6．1．4 计数卡的合理使用

6．1．5 结果数据处理

6．2 Co-Cr-Mo合金假肢对剂量分布的影响

6．2．1 髋关节假体对靶区剂量的影响

6．2．2 髋关节假体周围组织的剂量分布的影响

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

附录