人体与加速器的蒙特卡罗计算建模关键技术研究及应用

摘要

放射治疗是临床上治疗肿瘤的三大手段之一，剂量计算是放射治疗计划设计与验证的核心技术。基于蒙特卡罗的剂量计算方法被公认为最精确的放射治疗剂量计算方法，而是否能够建立高精度的加速器装置和人体模型是决定剂量计算精度的关键因素之一。基于上述问题本文深入研究了蒙特卡罗模拟放疗计划过程中涉及的加速器治疗头的建模、多叶光栅建模、人体模型建模和加速器装置与人体模型的耦合建模等一系列关键问题。主要的创新点如下:
　　1、发展了基于直线加速器治疗头CAD模型的精确蒙特卡罗建模方法，实现加速器工程模型到蒙卡模型的转换，为放疗计划模拟提供了真实的射束源。基于该方法建立了某国产加速器治疗头的精确模型，模拟了6MeV加速器的光子射束，通过纯水模例题计算与实测值进行对比，数据一致性验证了所建立的加速器模型的正确性。
　　2、发展了一种能够模拟多叶光栅(MLC)精细结构的精确建模方法，解决适形或调强放疗计划中复杂限束装置的精确建模的困难问题。参数化的建模界面可以建立MLC特有的弧形端面、舌状和凹槽结构、侧面聚焦于加速器源点的叶片，精细地模拟了MLC叶片的机械几何构造，解决手工建模的复杂性问题。通过纯水模例题计算与实测值的对比，验证了MLC建模的正确性。
　　3、基于层次化建模思想，发展了加速器治疗头、MLC和人体模型的耦合建模方法，实现了放射治疗射束与人体剂量的整体输运的模拟。通过模拟真实的放疗计划例题与EGSnrc的计算结果进行对比测试，结果的一致性证明了耦合方法的准确性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 放射治疗的意义

1．1．2 放射治疗的发展

1．1．3 基于蒙特卡罗方法的放疗计划验证

1．2 研究现状

1．2．1 应用于加速器模拟的蒙卡程序

1．2．2 多物理耦合自动建模系统SuperMC／MCAM

1．3 论文研究目标和意义

1．4 论文结构安排

第二章 放射治疗中的蒙特卡罗建模方法

2．1 蒙特卡罗方法概述

2．1．1 蒙卡方法的基本思想

2．1．2 光子的输运理论

2．1．3 通用蒙特卡罗模拟程序

2．1．4 快速蒙特卡罗剂量计算程序

2．2 放疗计划中加速器蒙卡模拟

2．2．1 加速器治疗头蒙卡模拟

2．2．2 多叶准直器的蒙卡模拟

2．3 放疗计划中人体模建模方法

2．3．1 人体器官模型的基本几何

2．3．2 基于CT的人体蒙卡计算建模方法

2．3．3 基于彩色切片的人体蒙卡计算建模方法

2．4 本章小结

第三章 医用直线加速器蒙卡建模方法

3．1 医用直线加速器治疗头建模

3．1．1 医用直线加速器几何建模

3．1．2 医用直线加速器治疗头蒙卡模拟

3．1．3 医用直线加速器治疗头蒙卡计算验证

3．2 多叶光栅MLC的蒙卡建模

3．2．1 MLC建模模块设计

3．2．2 建模算法实现

3．2．3 软件测试与结果分析

3．3 本章小结

第四章 人体模型与加速器耦合建模方法研究

4．1 人体模型蒙卡模型建模

4．1．1 基于医学影像的自动建模

4．1．2 人体建模软件实现

4．2 基于层次化建模思想的耦合建模方法

4．2．1 问题提出

4．2．2 建模流程

4．3 本章小结

第五章 人体与加速器建模在放疗剂量计算中应用

5．1 蒙卡模拟放疗计划的耦合建模平台设计

5．2 放疗计划应用

5．2．1 计算例题描述

5．2．2 放疗计划的蒙卡建模

5．2．3 计算结果分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．1．1 论文研究内容总结

6．1．2 论文创新点

6．2 工作展望

参考文献

致谢

博士在读期间取得的成果

参与项目情况