质子治疗中扫描照射的模拟计算及并行加速

发布时间：2018-03-18 08:13

本文选题：质子治疗　切入点：扫描照射　出处：《中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：癌症在当今日常生活中已经成为日益威胁人类的健康主要因素。放射治疗是控制和治疗癌症的有效手段之一,通常分为常规X射线放疗、近距离放疗、伽马刀放疗、粒子治疗等。相比常规的放疗(X射线,60Coγ射线),质子治疗因其内在物理特性,最大能量损失在射程末端,射程以外的尾部几乎没有剂量沉积,形成称为布拉格峰(Bragg Peak)的剂量集中区。布拉格峰的深度和位置可以分别通过调节质子束的能量和照射位置任意改变,使得高剂量区集中在需要照射的3维靶区体积内,从而在给予肿瘤靶区剂量的同时,能最大限度的保护质子束照射路径上和位于肿瘤后面的正常组织和危及器官。因此,质子治疗在临床上的应用正受到越来越多的关注。用于质子治疗的束流能量在70-250 MeV之间,需要通过粒子加速器加速,而加速器加速后的质子束尺寸只有几个毫米大小,一般利用治疗装置里的束流配送手段将它横向和纵向扩展,来覆盖可达十几公分的肿瘤靶区。目前已广泛应用于质子临床治疗的束流配送方式主要有两种:即被动散射和扫描照射。中国科学院上海应用物理研究所(SINAP)研制的首台国产质子治疗示范装置,将在治疗室中采用扫描照射的束流配送方式。此装置基于同步加速器将质子加速至特定能量引出,同步加速器引出的束流是脉冲式的。为了能够便捷地评价实际照射所形成的剂量分布情况和估算在不同束流和照射条件下的扫描照射剂量率,以及研究点扫描照射束流关断延迟对剂量分布的影响,本文针对扫描照射进行模拟研究。本论文所涉及的主要工作如下:⑴开发质子治疗扫描照射模拟计算程序,利用此程序模拟静止和运动靶区的扫描照射过程。程序主要包括输入数据获取、照射模拟、剂量叠加、剂量率计算和结果输出等部分组成。输入数据包括靶区形状和位置设置,处方剂量,加速器束流条件,扫描照射参数,另外程序还读入预先用独立程序计算好的实现各种宽度的展宽布拉格峰所需的各个照射点的权重因子等。⑵利用开发的扫描照射仿真程序模拟尺寸为100 mm×100 mm×60mm的0.6L长方体靶和半径为30 mm的球形靶的照射。在目标剂量2Gy时,加速器束流周期为3.5 s,可供引出束流为1.5 s,束流流强为3 nA,引出时束流无波动,束流关断无延迟条件下,靶区内剂量分布均匀,照射长方体靶和球形靶总时间分别为74 s,65 s,剂量率分别为1.66 Gy/min和1.85 Gy/min。当加速器关断延迟200?s时,在照射长方体靶时,靶区深度方向上,计算剂量均超过计划值。额外剂量随深度变浅对剂量影响越大,因深度剂量曲线权重最深处权重最大,随深度变浅成下降趋势,即各层照射点照射剂量有同样趋势,束流关断延迟内的照射剂量一定,相对浅层比值,额外剂量与计划剂量比值变大。实际照射时,可以采用较小流强,或把额外剂量反馈到每个照射点照射中,以及使用栅扫描应对这一问题。⑶针对运动靶区,采用呼吸门控技术照射。模拟针对长方体靶仅在横向X方向运动和横向XY方向同时运动时的情况,剂量分布得到很好的改善。⑷针对模拟计算程序剂量叠加过程耗时较长问题,本文采用OpenMP并行加速技术,相比串行执行,4线程并行和8线程并行分别节约67%,78%的计算时间,显著缩短了程序计算时间。本研究工作为质子治疗扫描照射提供便捷的模拟工具,利用该工具开展照射静止靶区和呼吸运动靶区的研究。研究结果为质子扫描照射系统研究和设计工作提供参考。
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【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R730.55

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