医用直线加速器不同辐射野光子线水吸收剂量的蒙特卡罗模拟

发布时间：2017-10-10 12:12

  本文关键词：医用直线加速器不同辐射野光子线水吸收剂量的蒙特卡罗模拟

  更多相关文章： 非均整模式 小尺寸射野 蒙特卡罗模拟 百分深度剂量 离轴比 总散射因子 水吸收剂量

【摘要】：癌症是导致人类发病和死亡的最主要原因之一。放射治疗可以有效治疗原发性和转移性肿瘤。单纯放疗或放疗与手术、化疗相结合可以使60%-70%的恶性肿瘤患者受益。目前,调强放射治疗(IMRT)、立体定向放射外科(SRS)、立体定向放射治疗(SRT)和容积调强放疗(VMAT)以及高剂量率非均整模式等放疗新技术广泛应用于放疗临床。这些放疗新技术多采用多叶准直器和主铅门形成小尺寸、非标准射野来实施治疗计划。采用小尺寸、非标准射野可以进一步提高肿瘤患者的靶区适形度,进而缩小靶区外放边界,提高肿瘤的治愈率,减少正常器官的毒性；但是,也给临床辐射剂量学测量带来了巨大的挑战。参考剂量和相对剂量的准确测量对放疗新技术的开展至关重要。目前,水吸收剂量的测量是在标准参考射野(10 cm × 10 cm射野)下进行,射野中心轴及其附近区域内处于带电粒子平衡状态。由于小尺寸、非标准射野受侧向带电粒子失衡以及部分源遮挡效应等因素影响,不能用美国医学物理师协会51号报告(AAPM TG-51)和国际原子能机构398号报告(IAEA TRS-398)准确描述放疗新技术下小尺寸照射野的水吸收剂量。针对这一问题IAEA和AAPM在2008年给出了新的指导建议,其中对小尺寸、非标准射野高能光子水吸收剂量的测定给出了新的推荐公式。该推荐公式要求加入射线质修正因子,用来修正射野大小改变对射线质造成的影响。射线质修正因子可以借助蒙卡程序对所用电离室的结构建模、模拟计算得到。但是必须确切知道所用电离室的几何结构和材料密度。TrueBeam加速器是Varian公司生产的新一代加速器,可以产生6 MV非均整模式(FFF)和10 MV FFF两档光子能量,最大剂量率分别达到1400 MU/min和2400 MU/min。目前,FFF模式主要应用于立体定向放疗(SRT)和立体定向放射外科(SRS)。由于SRT和SRS的单次剂量很高,其剂量测量精度对靶区的治疗和周围正常器官的损伤至关重要。蒙特卡罗方法能精确地模拟加速器的机头结构以及射线与物质的相互作用,可以用来研究FFF射束的小尺寸射野的剂量学。由于没有确切的TrueBeam机头模型参数,本研究借助Varian公司生产的高能加速器iX机头模型,将均整器移除后在原来均整器的位置放置一定厚度的铜箔后利用BEAMnrc程序来构建TrueBeam机头模型。通过调整入射电子能量、径向强度分布以及展宽角度等相关参数,用DOSXYZnrc程序对TrueBeam加速器6 MV FFF和10 MV FFF两档能量4 cm × 4 cm到40 cm × 40 cm射野的百分深度剂量(PDD)曲线、离轴比(OAR)曲线以及总散射因子Sc,p进行了模拟。通过与相应射野的测量数据进行比较,得到最佳的入射电子模型参数。进而,将得到的最佳模型参数用于4 cm × 4 cm以下小尺寸射野的剂量学计算,研究分析小尺寸射野的特性。同时,计算得到不同能量下小尺寸辐射野的大小以及小尺寸辐射野的水吸收剂量,并与实际测量结果进行比较、分析,得到小尺寸射野的水吸收剂量的定标方法。对6 MV FFF的射束,蒙特卡罗模拟中最终选定的入射电子能量为6.1 MeV,半高宽(FWHM)为0.75 mm,角度展宽为0.90;对10 MV FFF的射束,入射电子能量为10.8 MeV,半高宽(FWHM)为0.7 mm,角度展宽为0.3°。对这两档能量的射线质,蒙卡模拟结果与测量结果的差异均小于0.5%。对这两档能量的PDD曲线,在0.1 cm到30 cm深度处,除1 cm × 1 cm射野满足Local Dose限制条件2%/1 mm外；其它射野的PDD模拟结果和测量结果均满足Local Dose限制条件1%/1 mm。对这两档能量的OAR曲线,20 cm × 20 cm及以下射野模拟得到的OAR曲线与测量结果相比满足Local Dose限制条件1%/1 mm；其它射野满足Local Dose限制条件2%/1 mm。对总散射因子和水吸收剂量,除了1 cm ×1 cm射野外,其它射野的总散射因子和水吸收剂量计算结果和测量结果得到的差异均小于1%,满足临床剂量学要求。对6 MV FFF和10 MV FFF两档能量下1cm × 1 cm射野的总散射因子,测量结果与模拟结果相差分别为4.82%和3.40%,测量结果小于模拟结果。综上所述,本研究得到的6 MV FFF和10 MV FFF X射线的机头模型参数可以用于小尺寸射野临床剂量学研究。同时,本研究为建立以电离室剂量计为基础的小尺寸辐射野水吸收剂量的定标流程和测量装置提供理论依据和参考数据。该模型的精确性还需准确的机头结构参数进行验证。另外,还需要对1 cm ×1 cm射野的剂量学测量进行进一步深入研究。
【关键词】：非均整模式 小尺寸射野 蒙特卡罗模拟 百分深度剂量 离轴比 总散射因子 水吸收剂量
【学位授予单位】：中国疾病预防控制中心
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R730.55
【目录】：

• 摘要7-10
• Abstract10-13
• 缩略词中英文对照13-15
• 第一章 绪论15-28
• 1.1 研究背景15-22
• 1.1.1 放射治疗技术概述15-19
• 1.1.2 非均整(FFF)治疗模式的发展19-22
• 1.2 研究现状22-27
• 1.2.1 放射治疗光子线水吸收剂量研究现状22-24
• 1.2.2 TrueBeam FFF模式蒙卡研究现状24-27
• 1.3 研究目的及意义27
• 1.4 研究内容27-28
• 第二章 光子线吸收剂量校准规程及本研究理论基础28-46
• 2.1 基于照射量或空气比释动能校准因子的规程29-33
• 2.1.1 AAPM TG-21规程(报告)29-30
• 2.1.2 IAEA TRS-277规程(报告)30-32
• 2.1.3 国家计量检定规程JJG589-200132
• 2.1.4 基于照射量或空气比释动能校准因子遇到的问题32-33
• 2.2 基于水吸收剂量校准因子的规程33-39
• 2.2.1 AAPM TG-51报告33-36
• 2.2.2 IAEA TRS-398报告36-39
• 2.3 小尺寸、非标准野中水吸收剂量的确定39-46
• 2.3.1 测量小尺寸、非标准射野吸收剂量遇到的问题40-42
• 2.3.2 小尺寸、非标准射野高能量光子参考剂量测定的建议42-44
• 2.3.3 基于当前剂量规范外推得到小尺寸射野剂量的方法44-46
• 第三章 放疗中常用探测器特性分析及蒙卡建模数据测量46-60
• 3.1 常用探测器及其特性分析46-52
• 3.1.1 指形电离室46-48
• 3.1.2 平行板电离室48-49
• 3.1.3 胶片剂量计49-50
• 3.1.4 硅半导体探测器50-51
• 3.1.5 金刚石探测器51
• 3.1.6 热释光探测器51-52
• 3.2 影响测量结果的主要因素52-56
• 3.2.1 探测器的空间分辨率52-53
• 3.2.2 探测器与射束中心轴对齐53-54
• 3.2.3 探测器的放置方向选择54-55
• 3.2.4 测量速度、步长55
• 3.2.5 参考探测器的放置55-56
• 3.3 蒙特卡罗建模所需数据测量56-60
• 3.3.1 PDD测量56-57
• 3.3.2 OAR和半影测量57
• 3.3.3 TPR和TPR_(20,10)测量57-58
• 3.3.4 总散射因子测量58-60
• 第四章 TrueBeam加速器FFF蒙特卡罗模型的建立及模拟60-80
• 4.1 蒙卡方法及常用蒙卡程序概述60-62
• 4.1.1 蒙特卡罗方法概述60
• 4.1.2 目前放疗中常用的蒙卡模拟程序60-62
• 4.2 BEAMnrc程序模拟过程概述及相关参数设置62-70
• 4.2.1 BEAMnrc程序概述62
• 4.2.2 BEAMnrc程序模拟过程主要步骤62-64
• 4.2.3 BEAMnrc程序主要参数设置及对结果的影响64-70
• 4.3 DOSXYZnrc程序模拟过程概述及相关参数设置70-74
• 4.3.1 DOSXYZnrc程序模拟过程需要设置的参数70-73
• 4.3.2 DOSXYZnrc程序中主要参数设置及对结果的影响73-74
• 4.4 TrueBeam加速器FFF蒙特卡罗模型建立及模拟74-80
• 4.4.1 TrueBeam加速器FFF机头模型建立75-77
• 4.4.2 TrueBeam加速器FFF蒙卡模拟程序参数设置77
• 4.4.3 TrueBeam加速器FFF蒙卡模拟77-78
• 4.4.4 数据处理及比较、分析78-80
• 第五章 结果与讨论80-97
• 5.1 入射电子束参数选择80
• 5.2 射线质80-81
• 5.3 小尺寸射野的定值81-82
• 5.4 PDD曲线82-83
• 5.5 离轴比曲线和半影83-84
• 5.6 总散射因子及其对水吸收剂量的影响84-97
• 第六章 总结与展望97-100
• 6.1 总结97
• 6.2 课题创新点97-98
• 6.3 本研究的局限性98
• 6.4 展望98-100
• 致谢100-102
• 参考文献102-114
• 个人简历、博士期间发表的文章及参加的学术会议交流114-115

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本文编号：1006305