基于笔形束算法的质子剂量计算方法研究及其在放疗计划系统DeepPlan中的应用

发布时间：2020-12-31 05:50

　　相比较光子放疗,质子深度剂量曲线的布拉格峰特性使质子放疗能提供更加适形的靶区剂量分布,同时也可以显著降低肿瘤周围正常组织所受到的辐射剂量。而主动扫描则比被动散射方案能够提供更好的靶区适形剂量分布,但对于剂量计算的精准度也提出了更多的要求。虽然目前我国的质子放疗事业发展得如火如荼,但是在开发具有自主知识产权的质子放疗计划系统（Treatment Planning System,TPS）软件这方面还存在明显的欠缺。本论文的研究目的是开发一款使用笔形束算法的主动扫描质子治疗剂量计算程序。具体研究任务包括:（1）对已有的质子剂量计算算法进行调研和分析;（2）基于质子笔形束（Pencil-Beam Algorithm,PBA）剂量算法,编写质子剂量计算程序;（3）对PBA算法进行修正,提高其在临床质子剂量计算上的精度;（4）将PBA质子剂量计算程序集成到DeepPlan TPS中,并验证DeepPlan的计算精度。本论文分别采用了 Gottschalk和Soukup提出的公式计算多次库伦散射和大角度核散射造成的质子侧向剂量分布,并基于蒙特卡洛模拟的深度剂量曲线数据库,使用C#编程语言编写一个用于... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：143 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１．２不同能量质子叠加出ＳＯＢＰ示意图??不同种类射线传递给人体组织相同的剂量时，人体组织所受到的伤害也不??

１．４质子放疗物理??这一节主要介绍在质子放疗中，占主导作用的质子与物质相互作用的反应??类型以及它们在质子放疗剂量计算中的重要性。图１．３中展示了质子与原子核和??核外电子的几种主要反应机制。它们分别是质子与核外电子的库伦散射（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ??Ｃｏｕｌｏｍｂ?Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，ＭＣＳ），质子与原子核的库伦散射，质子与原子核的核反应??（以下简称核反应）以及韧致辐射。当质子射入人体以后，首先会在行进路线上与??核外电子发生大量的非弹性库伦散射。由于质子的静止质量是电子的１８３６倍，??所以这一系列非弹性库伦散射并不会让质子偏离运动轨迹太远，也不会让质子损??失太多的能量，因此大部分质子都几乎是在沿直线运动，并且在浅层质子并不会??在人体沉积太多的能量。当质子运动到原子核附近的时候，便会和原子核发生弹??性库伦散射。由于原子核的质量与质子接近或者远大于质子，会让质子偏离原来??的运行方向。因为原子核在整个原子中所占的体积非常小

１．５．?２主动扫描??单个质子束在垂直于照射方向上的横向剂量分布是一个二维高斯分布，如??图１．４所示。临床上用高斯分布的标准差Ｓｉｇｍａ来表示质子束的束斑大小。两个??质子束在相隔小于一个Ｓｉｇｍａ的情况下，可以在两点间叠加出一个平坦的剂量??分布。主动扫描式治疗的过程是利用质子束像铅笔画画一样对肿瘤进行扫描。首??先根据不同能量质子布拉格峰的位置和宽度，把肿瘤按照等效水深度划分成若干??层，每一层又可以根据质子的束斑大小划分成若干个点。每一层使用一个对应能??量的质子束对这一层上的每个点进行扫描。这样一个肿瘤就被质子笔形束逐层逐??点地扫描完。这种扫描方式又称为笔形束扫描。图１．５为主动扫描的示意图。??２００?ＭｅＶ质ｆ－笔形央剂Ｖ（分布阁?相对剂＿〇〇／〇??：丨：六：；：讓?－?９〇??？２０?■??：■建圓｜誦＿＿＿：國－?８〇??１°??０?５０?１００?１５０?２００?２５０??水深度（ｍｍ）??图１．４使用ＴＯＰＡＳ模拟的一个束斑大小为５?ｍｍ的２００?ＭｅＶ质子笔形束在水中??的剂量分布??主动扫描式治疗头的主要部件与磁铁摆动扩展法类似，就是在质子束流方??向上前后放置两个二级磁铁。这两个二级磁铁的磁场垂直于束流方向并且相互正??Ｕ??

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：2949088