基于蒙特卡罗算法的重离子治癌装置HIMM剂量学研究

发布时间：2020-07-15 09:35

【摘要】：重离子束具有倒转的深度剂量分布(Bragg曲线)和Bragg峰区高的相对生物学效应,在有效杀死肿瘤细胞的同时途经的正常组织接受的辐射剂量较小,因此被认为是理想的放疗用射线。在实施放疗之前,需要利用治疗计划系统模拟重离子在肿瘤靶区(GTV)的剂量分布情况,辅助医生制定准确的治疗方案,使得射线在最大程度上杀死肿瘤细胞,同时尽量避免对正常组织的损害。本论文基于蒙特卡罗粒子输运软件MCNPX强大的几何处理能力,反应截面数据库丰富等优势,针对由中国科学院近代物理所研发的、我国首台拥有自主知识产权的重离子(特指碳离子)治癌装置—医用重离子加速器(HIMM),开展了一系列剂量学研究工作,主要研究内容和成果如下:1.通过搭建SIMD并行计算机集群,采用MPI技术实现了MCNPX程序的并行计算,并用德国重离子研究中心(GSI)发布的实验数据作为基准题验证了MCNPX程序用于模拟碳离子治疗中剂量分布的可行性。结果显示,MCNPX程序的模拟结果与实验结果一致性较好,坪区的偏差在±1.3%-3.3%之间,Bragg峰区的平均偏差不超过±3.8%。2.开发了解析传输接口软件RTIM,采用交替和差分解法,通过凸实体的布尔运算将边界表示法(B-Rep)文件转换,获得了MCNPX可识别的构造实体表示法(CSG)文件。建立了材料数据库以及数据库与相应实体间的逻辑映射关系。构建了用于MCNPX模拟计算的HIMM治疗终端的体表补偿器、多叶准直器、脊形过滤器、射程移位器模型。转换前后模型的体积偏差较小,证明了模型的正确性。3.通过实验测量了HIMM装置不同能量的单能碳离子束在水模中的深度剂量分布;经过不同型号脊形过滤器展宽后的SOBP在水模中的深度剂量分布以及经过不同水等效厚度的射程移位器降能后的碳离子束在水模中的深度剂量分布。利用建立的HIMM终端模型,在MCNPX中对上述实验进行了模拟,模拟结果和实验结果符合较好,平均偏差不超过±4.6%。4.将人体组织进行矩阵网格化,为了确保所建立人体模型的精确性,采用了107量级栅元对人体组织进行模拟。通过自主开发的DCVM软件,将CT文件集中的参数信息提取出来,赋予每个栅元相对应的密度、组织元素等物理和几何结构信息,建立了基于CT图像的精确人体模型,并利用VTK和Matplotlib两款软件实现了人体模型的三维和二维可视化。5.通过DCVM软件提取某结肠癌患者的CT信息,解析与该患者的治疗计划,包括入射束流能量、脊形过滤器型号、多叶准直器以及体表补偿器形状。建立相应的HIMM终端模型,采用MCNPX模拟了碳离子束在该患者体内的剂量沉积情况。结果显示碳离子束在排空的肠管中没有能量沉积,能量均沉积在灰色和灰白色的人体病变组织区域,并且病变组织体与排空肠管间能量沉积的界面清晰,模拟结果与治疗计划系统的预期较好的符合,进一步验证了运用蒙特卡罗程序MCNPX在HIMM剂量分布计算中的有效性和准确性。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R730.55;TL56
【图文】：

第一章 绪论目前全球发病和死亡的主要原因之一是恶性肿瘤，2012 年全球约有 1400 万新发癌症病例和 820 万例癌症相关死亡[1]，预计今后二十年新发病例数将增加约70%。全世界每年逾 60％的癌症新病例发生在亚洲、非洲和南美洲及中美洲，这些地区约占全世界癌症死亡数的 70％[1]。在 2012 年由于癌症死亡的 820 万人中癌症的主要种类为：肺癌（159 万例死亡）；肝癌（74.5 万例死亡）；胃癌（72.3万例死亡）；结肠直肠癌（69.4 万例死亡）；乳腺癌（52.1 万例死亡）；食道癌（40万例死亡）[2]。我国 2014 年因癌症死亡 220.52 万人，其中男性死亡人数 142.57万，女性死亡人数 77.95 万。图 1-1 和图 1-2 分别列举了 2014 年我国因癌症死亡人口数量和患不同癌症的人口数量。图中显示，男性患者中肺癌的数量最多，达到 45.9495 万人，致死率也是最高的。女性患者中肺癌和乳腺癌发病率最高，达到 38.056 万人[3]。

人口数量和患不同癌症的人口数量。图中显示，男性患者中肺癌的数量最多，达到 45.9495 万人，致死率也是最高的。女性患者中肺癌和乳腺癌发病率最高，达到 38.056 万人[3]。图 1-1 2014 年中国因不同癌症死亡人数比例图[3]

底肿瘤、眼部黑色素瘤、括颅底脊索瘤和软骨肉瘤等恶性肿瘤，均得到了较好的治疗效果。图1-3 国际上重离子治疗装置布局美国：重离子治疗癌症的技术起源于美国。1947年E. Lawrence在美国 University ofCalifornia (UC) Berkele大学成功建成184T同步回旋加速器。1954年E. Lawrence、Cornelius A. Tobias、John H. Lawrence 在实验动物取得一定效果后[6]进行了首例高能质子束人体癌症治疗试验[7]。1975 年美国劳伦斯伯克利国家实验室

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本文编号：2756315