碳离子治疗脑部肿瘤中次级中子产生的有害辐射剂量的蒙特卡洛和体模计算

发布时间：2020-05-20 18:47

【摘要】：随着放射治疗技术的进步,使用重离子进行放射治疗已经成为放射治疗领域研究的一个热点。传统的放射治疗利用X射线或γ射线杀死肿瘤细胞,随着新技术的发展,如三维适形放射治疗、调强放疗、图像引导下的放射治疗以及动态适应放疗等技术出现,肿瘤的控制率得到提高。但是传统的放射治疗在治疗一些深部肿瘤时,肿瘤前后的正常细胞组织损伤率不容易控制。相对而言,重离子由于物理剂量分布较好,而且拥有良好的生物效应,能够有效治疗一些抗阻型、乏氧型肿瘤,于是越来越多的学者开展重离子的研究工作。但是,在重离子放射治疗中,高能的初级粒子(碳)同治疗设备和人体相互作用过程中会产生次级中子,而这些次级中子对患者带来附加辐射剂量。这个问题,目前的文献报道较少。本课题的研究目的是用蒙特卡洛方法与课题组自主研发的具有代表性的不同性别、不同年龄和不同妊娠期的数字人体模型相结合,计算碳离子放疗过程中由于次级中子产生的有害辐射剂量。任务和方法包括:首先,使用蒙特卡洛程序MCNPX建立重离子束流配送系统,使照射野与肿瘤靶区的形状相适形。然后,分别使用RPI-AM/AF(成年男女)、USTC-5M/F(5岁男女)、USTC-10M/F(10岁男女)、USTC-15M/F(15岁男女)以及Pregnan-3/6/9(孕妇3月、6月、9月)共计11组计算机人体模型进行治疗模拟,使用MCNPX不同类型的计数卡记录主要器官内的次级中子的能谱以及能量沉积,并换算成吸收剂量和当量剂量。研究结果发现:当使用碳离子治疗脑部肿瘤时,相对于入射角度较小的器官次级中子能谱中,会出现一个高原峰,能量在入射离子能量附近;RPI-AM和RPI-AF模型以及USTC-5M/F、USTC-10M/F、USTC-15M/F计算结果显示:性别对于次级中子引起的当量剂量差异不是很明显,例如USTC-5M/F、USTC-10M/F、USTC-15M/F模型中肺的当量剂量分别为0.83mSv/0.83mSv,0.54mSv/0.51mSv,0.34mSv/0.39mSv;但是年龄(身高)的影响比较显著,随着年龄(身高)的减小,胸腹部及以下的器官中次级中子当量剂量逐渐增大,例如USTC-5/10/15F模型中甲状腺的当量剂量分别为1.24mSv,0.98mSv,0.83mSv;Pregnan-3/6/9模型计算结果显示:不同妊娠期胎儿器官中次级中子产生的当量剂量在0.01mSv附近,但是考虑胎儿对于辐射极其敏感,也需要谨慎考虑。数据表明本课题的研究成果可以为临床上研究碳离子放疗的远期效应提供参考。
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第１章绪论逡逑１．１重离子治疗的发展逡逑２０１７年国家癌症中心发布了中国城市癌症数据最新报告：我国每天约有逡逑１００００人确诊癌症，相当于平均每７邋ｍｉｎ就会确诊一个癌症患者（Ｃｈｅｎ邋ｅ／ｏ／２０１６）。逡逑根据联合国疾病死亡人数统计：其中癌症的死亡人数是疾病总死亡人数的］２．５％，逡逑即平均每８个死亡人中就有一个是因为癌症而死的。手术治疗、化学治疗和放射逡逑治疗是目前全世界公认的主要三大放射治疗技术（Ｇｒｅｅｎ邋ｅ／邋ａ／邋２００１，，Ｓｔｕｐｐ邋ａＺ逡逑２００５，邋Ｓｌｏｔｍａｎ邋ａｎｄ邋Ｒａｏ邋１９８８，邋Ｗｏｌｍａｒｋ邋ｅ／邋0／邋２０００，邋Ｂｅｎｅｄｅｔｔｉ－Ｐａｎｉｃｉ邋ｄ邋ａ／邋２００２）。在整逡逑个接受放射治疗的癌症患者中大约２／３的人会采用放射治疗，并且超过８０％的患者逡逑会接受Ｘ射线治疗。大约有８％的患者使用高能带电粒子治疗（Ｄｕｒａｎｔｅ邋ａｎｄ逡逑Ｐａｇａｎｅｔｔｉ邋２０１６）。但是随着质子和重离子的技术进步，这一数据正在迅速增长。逡逑如图１．１所示。逡逑

Ｄｅｐｔｈ邋ｉｎ邋ｗａｔｅｒ邋／邋ｃｍ逡逑图１．２不同射线粒子在水箱中的能量损失和剂量分布逡逑此外，从图１．２中我们还可以看到在碳离子的布拉格曲线尾部还有一个“小尾逡逑巴”。这也是使用碳离子放疗治疗的一个优势。“小尾巴”实际上是碳离子治疗中逡逑发生的核分裂反应：１２Ｃ原子核通过放出一个或者两个中子形成半衰期大约为逡逑２０ｍｉｎ的放射性同位素ｎＣ或者半衰期只有１９ｓ的放射线同位素ＩＧＣ，这些小尾巴就逡逑是质量更轻、射程更大的ＵＣ或者ＩＧＣ。ＵＣ和ＩＧＣ在衰变时候都可以发射正电子，逡逑所以使用正电子断层计算机扫描（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ邋Ｅｍｉｓｓｉｏｎ邋Ｃｏｍｐｕｔｅｄ邋Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，ＰＥＴ）逡逑便可以监测碳离子的轨迹以及治疗的终点位置，这样便可以实现实时监测诊断和逡逑精确治疗（Ｋｒａｆｔ邋Ｃ邋以／邋１９９８，邋Ｋｉｔａｇａｗａ邋Ｃ邋Ｗ邋２００６，邋Ｐａｒｏｄｉ邋ａｎｄ邋Ｅｎｇｈａｒｄｔ邋２０００，邋Ｐａｒｏｄｉ邋ｄ逡逑ａｌ邋２００８，邋Ｋｉｔａｇａｗａ邋ｅｔ邋ａｌ邋２００１）0逡逑１．２．２重离子束的生物性能逡逑使用相同能量的重离子和Ｘ射线分别照射相同的细胞，产生的生物效应差距逡逑很大。因为重离子的生物效应要好于Ｘ射线
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R730.55;R739.41

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 刘新国;李强;戴中颖;;IMP重离子治癌中的剂量计算方法[J];原子核物理评论;2009年01期

2 肖国青;张红;李强;宋明涛;詹文龙;;中国科学院近代物理研究所重离子束治癌进展[J];原子核物理评论;2007年02期

本文编号：2673040