基于蒙特卡罗算法的质子放疗独立剂量验证方法与系统研究

发布时间：2020-05-01 10:00

【摘要】：质子放疗在物理方面和生物方面优于传统光子放疗,但由于质子的Bragg峰在末端的剂量梯度非常陡峭,因此对可能引入的误差,尤其是剂量计算误差,非常敏感。目前临床治疗计划系统(TPS)中多采用解析笔形束算法来计算质子的剂量分布,而解析算法在处理非均匀介质时计算误差很大,从而影响质子放疗的精确性。蒙特卡罗方法一直被认为是辐射剂量计算中的“黄金标准”,在准确度方面优于解析算法,但其准确性很大程度上依赖于建模的准确性以及调试过程,难以在临床上广泛使用。本博士课题的目的是探索和研究蒙特卡罗方法在临床质子放疗剂量验证中的应用,具体目标是构建一套准确的质子放疗蒙特卡罗模型,作为第三方独立剂量验证工具,并将其应用于临床病人质量检验(PSQA)以及治疗计划三维剂量验证。为实现该研究目标,本项目完成了以下四个任务:(1)在TOPAS软件中构建佛罗里达大学质子放疗中心(UFHPTI)机器的蒙特卡罗模型,包括被动双散射(DS)和笔形束扫描(PBS)模式。(2)验证和调试模型,获得了准确的模型参数库。(3)将模型应用于临床PBS病例的病人质量检验(PSQA)、治疗计划三维剂量验证以及LET分布的计算。(4)开发与TPS的接口,自动生成对应的TOPAS输入文件。本文首先介绍UFHPTI中心的DS和PBS模型在TOPAS软件中的建模过程,再调试该模型,验证了计算的质子初始Bragg峰,积分深度剂量,空气中单个束斑的横向剂量,绝对剂量校准,展宽Bragg峰(SOBP)以及横向剂量分布等。结果发现:对于DS模式,蒙特卡罗计算的质子深度以及横向剂量分布都与测量结果符合较好,最大差别在5%以内,大部分区域差别在2%以内。而TPS(Eclipse)解析算法在计算SOBP和横向剂量分布时差别相对较大,可达10%以上。当遇到极端非均匀介质时,最大差别高达25%以上。对于PBS模式,TOPAS计算结果与实验测量以及TPS(RayStation)简化蒙特卡罗剂量引擎的结果符合得较好,相对差别在3%以内。TPS解析算法在计算射程较短的SOBP和横向剂量时,最大差别可达8%以上。在TOPAS计算的8个PBS病例PSQA的21个照射野二维剂量验证中,模拟结果与实验测量以及TPS简化蒙特卡罗算法引擎的结果都符合得很好,在3mm/3%的标准下,Gamma通过率大部分结果在98%以上。对PBS病例治疗计划的三维剂量验证中,TOPAS计算结果与TPS简化蒙特卡罗算法引擎的结果符合较好,在3mm/3%的标准下的Gamma通过率为97.1%。TOPAS计算的高LET分布区域位于靶区外后端,最高可达14keV/μm以上。最后,该TOPAS蒙特卡罗模型已整合到与TPS(RayStation和DeepPlan)的接口,可以实现从TPS中调用并自动生成TOPAS的输入文件。本项目基于UFHPTI的质子放疗系统,构建了一套准确的TOPAS蒙特卡罗模型,用作第三方剂量验证工具,最后成功将该模型与TPS对接,实现自动生成TOPAS输入文件,增强了蒙特卡罗模型在临床上的实用性。
【图文】：

质子,光子,深度剂量分布,剂量

质子放疗的概念最初是由哈佛大学Ｒｏｂｅｒｔ邋Ｒ．邋Ｗｉｌｓｏｎ于１９４６年提出来的逡逑（Ｗｉｌｓｏｎ，邋１９４６）。质子放疗最显著的优势就来自于物理方面，即深度剂量分布的逡逑Ｂｒａｇｇ峰，这是常规放疗射线光子所无法拥有的。图１．１展示了邋６ＭＶ光子和逡逑１５８ＭｅＶ质子在水中的深度剂量分布，其中红色曲线代表光子在水中的深度剂逡逑量，蓝色曲线是质子在水中的深度剂量。图中坐标轴横轴为水中深度，纵轴表逡逑示最大剂量的百分比。从图中可以看出，常规６ＭＶ光子线在水中浅表位置逡逑（１５ｍｍ左右）即达到最大剂量，，随后近似呈指数衰减趋势，即使到远端３０ｃｍ逡逑处也有一定的剂量，在２０％左右。而１５８ＭｅＶ质子的剂量分布则不同，浅表的逡逑剂量在３５％附近，最大剂量对应的深度约为１７．１５ｃｍ，在１８ｃｍ深度处剂量就己逡逑降低到１％以下，随深度继续增加，质子剂量逐渐降低到零。逡逑１２０邋－１逦—＾逡逑逦１５８ＭｅＶ邋ｐｒｏｔｏｎ逡逑■邋６ＭＶ邋ｐｈｏｔｏｎ逡逑ｌ：Ｍ逡逑ｉ＇邋逦逡逑２０－逡逑０邋－｜逦ｉ逦ｉ逦１逦ｉ逦１逦ｉ逦■邋ｖ邋ｉ逦１逦ｉ逦１逡逑０逦５０逦１００逦１５０逦２００逦２５０逦３００逡逑Ｄｅｐｔｈ（ｍｍ）逡逑图１．１邋６ＭＶ光子与１５８ＭｅＶ质子在水中的深度剂量分布曲线逡逑究其原因

曲线,电子阻止本领,质子,能量变化

逦（１－３）逡逑根据美国国家标准局（Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ邋ｏｆ邋Ｓｔａｎｄａｒｄｓ邋ａｎｄ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＮＩＳＴ）提逡逑供的质子阻止本领数据，图１．２给出了在不同材料中，质子的碰撞电子阻止本领逡逑随质子能量变化的关系曲线（Ｂｅｒｇｅｒ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００５；邋Ａｎｄｅｒｓｅｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，１９７７；邋Ｂｉｃｈｓｅｌ邋ｅｔ逡逑ａｌ．，１９９１），横轴表示质子的能量，纵轴代表电子阻止本领，单位为ＭｅＶ＿Ｃｍ２／５。逡逑图中一共展示质子在７种不同材料（分别为水，脂肪，聚甲基丙烯酸甲酯ＰＭＭＡ，逡逑密质骨，皮质骨，空气以及肌肉）中的阻止本领。从图１．２中可以看出，对于治逡逑疗用能区的质子（一般７０－２５０ＭｅＶ），不同材料中质子的电子阻止本领差别并不逡逑大，最大值在ｌＯＭｅＶ＾ｍ２／＾左右，并且电子阻止本领随质子能量增加近似呈线逡逑性下降的趋势。逡逑１０２１逦逡逑＾逦逦Ｗａｔｅｒ逡逑＾逦逦Ａｄｉｐｏｓｅ逡逑＾逦＇逦ＰＭＭＡ逡逑０逦逦Ｃｏｍｐａｃｔ邋ｂｏｎｅ逡逑＞逦Ｃｏｒｔｉｃａｌ邋ｂｏｎｅ逡逑｜邋—Ａｉｒ逡逑各逦？逦逦Ｍｕｓｃｌｅ逡逑１逦：逡逑Ｉ邋：逡逑ＣＤ逡逑ＬＤ逡逑ｉｎ０逦逦逦逦逦，逦逦逦逦逦逦
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R730.55

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