高能粒子在人体组织中三维能量沉积分布的模拟研究

发布时间：2020-08-25 14:18

【摘要】：我们所处的环境中存在着各种辐射粒子,这些辐射粒子无时无刻不在人体中沉积辐射剂量。精确了解不同辐射粒子的能量沉积特性,尤其是在射线应用于癌症放射治疗越来越广泛的当下,精确了解高能辐射粒子在人体组织中能量沉积分布的特点对于放射性治疗方式的选择、更好地应用辐射粒子具有重要意义。近年来癌症发病率越来越高,而放射性治疗作为一种先进的治疗方式其重要性日益显现。在放射治疗中主要用到的是电子、光子以及质子等辐射粒子,其中电子线放疗和光子放疗发展得较早,质子等重离子放疗发展相对缓慢。利用不同辐射粒子的放疗方式,本质上都是应用电离辐射粒子在癌变部位沉积过量剂量,杀死癌变细胞从而达到治疗的目的。随着三维适形放疗及调强放疗技术的发展,更加精确地制定放疗计划,减少对患者的额外剂量成为放疗技术的发展目标。近年来,窄束流质子扫描放射方式以及点对点式质子放疗方式的提出,使得质子放疗能够更容易的对癌变组织进行适形放疗,治疗效果更佳。但窄粒子束流受物质散射作用的影响较大,当下对于窄束流的粒子能量沉积研究还不充分;另一方面能量沉积放疗计划的制定主要基于CT断层扫描技术,CT扫描技术是通过扫描人体的横断面来获取人体的信息,但在放射性治疗的过程中放射束流一般是平行于人体横断面或是呈一定夹角照射人体组织,而目前对于垂直于粒子入射方向上的能量沉积的研究较缺乏。为此本文通过Geant4对几种医用辐射粒子窄束(电子、光子、质子)与人体组织相互作用时的能量沉积特性进行了模拟研究,多维度对比了不同粒子能量沉积的特性,为以后充分利用不同放疗方式的优点,开发复合式三维适形放疗计划系统提供借鉴,也为医院进行放射性治疗时选择哪种放疗方式提供有意义的参考。
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R730.55;O572.2
【图文】：

量守恒与动量守恒更易被满足，因此光电效应发生的几率就相应变大。逡逑光电子的发射角度与光子的入射方向以及光子能量有关，相对于同一邋Ｙ入逡逑射方向而言，光电子的产额是随光电子发射方向的变化而变化的。如图２－２左逡逑图所示为在不同能量Ｙ光子作用下，光电子发射微分截面随角度的变化分布。逡逑微分截面表示为办／ｉ／Ｑ，描述的是进入平均角度为６？方向的单位立体角的光电逡逑子数目。在低能量的光子入射时，光电子在垂直于ｙ入射方向上发射的占比最逡逑大，当入射光子能量增加时，光电子的发射角度开始减小，有前冲现象。右图逡逑是在用极坐标系光电子的发射角度随入射光子能量变化的分布图。逡逑１１逡逑

２．２．１．２康普顿效应逡逑入射光子与入射物质原子的核外电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给核逡逑外的壳层电子，使核外壳层电子脱离原子核的束缚成为反冲电子发射出来，同逡逑时入射光子本身的运动方向和动能发生变化成为散射光子的过程称为康普顿效逡逑应或康普顿散射，该过程如图２－３所示。与发生一次光电效应就损失掉所有入逡逑射动能不同，入射光子在发生康普顿散射后，初始能量只是损失了一部分。另逡逑一方面光电效应多发生在入射光子与原子的近壳层电子相互作用之间，康普顿逡逑效应一般发生在入射光子与原子核作用较弱的外壳层电子之间。由于外壳层的逡逑电子的结合较不紧密，结合能一般在ｅｖ量级，因此对于高能的入射光子，发生逡逑康普顿效应时可以把外壳层电子近似看成是静止的自由电子。逡逑

逦１２＜ｎｉ０Ｍ０＜Ｔ９（ｒ邋８０＊逦６０＊邋ｓｏ＊邋４０－逡逑（１逡逑图２－２不同Ｙ能量光电子发射角分布逡逑２．２．１．２康普顿效应逡逑入射光子与入射物质原子的核外电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给核逡逑外的壳层电子，使核外壳层电子脱离原子核的束缚成为反冲电子发射出来，同逡逑时入射光子本身的运动方向和动能发生变化成为散射光子的过程称为康普顿效逡逑应或康普顿散射，该过程如图２－３所示。与发生一次光电效应就损失掉所有入逡逑射动能不同，入射光子在发生康普顿散射后，初始能量只是损失了一部分。另逡逑一方面光电效应多发生在入射光子与原子的近壳层电子相互作用之间，康普顿逡逑效应一般发生在入射光子与原子核作用较弱的外壳层电子之间。由于外壳层的逡逑电子的结合较不紧密，结合能一般在ｅｖ量级，因此对于高能的入射光子，发生逡逑康普顿效应时可以把外壳层电子近似看成是静止的自由电子。逡逑（？Ｖ＞逡逑入射先子逦—－逡逑一、Ａｔ／逡逑散射光＾逡逑图２－３康普顿效应示意图逡逑１２逡逑

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本文编号：2803801