基于TOPAS质子放疗剂量的蒙特卡罗模拟研究
发布时间：2017-08-16 15:22
本文关键词：基于TOPAS质子放疗剂量的蒙特卡罗模拟研究
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【摘要】：放射治疗是指利用电离辐射产生的射线照射肿瘤细胞,在受照射区中达到一定的能量沉积从而破坏“靶区”的肿瘤细胞,达到治疗目的的一种肿瘤治疗手段。与常规射线(电子、光子)治疗不同,质子所固有的倒转深度剂量分布物理特性,使得在使用质子治疗时,使肿瘤区域得到很大的辐射剂量而附近正常组织受到很少辐射剂量,可以在杀死肿瘤细胞的同时,最大程度的保护肿瘤周围的正常组织,使其少受甚至不受伤害。其中,剂量计算是质子放射治疗中最为核心的部分,蒙特卡罗剂量算法在剂量计算方面有较大优势,它通过粒子输运软件模拟实际粒子的治疗条件来进行剂量计算,常用的质子放射治疗蒙特卡罗软件主要包括FLUKA、GEANT4. MCNP等,但是由于这些软件对于临床物理学家来说过度复杂。TOPAS (TOol for PArticle Simulation)是基于蒙特卡罗工具包Geant4的扩展,这是一个简单并易于用户使用的软件,专门用于质子治疗模拟。本文利用TOPAS粒子输运模拟软件,通过对模拟环境、粒子源和几何体的实现,进行了大量的模拟实验。首先,模拟了不同能量的质子束在空气中的传播情况,展示了TOPAS模拟软件强大的可视化和几何编辑能力；模拟了不同能量的质子束在水中的深度剂量分布,并将其模拟的射程与测量数据的拟合公式进行了比对,验证了TOAPS模拟程序的精确性；其次,通过对不同能量及步长的质子束的模拟,进行了SOBP合成方法研究；并模拟了质子束在不同射野以及在均匀和非均匀组织中的剂量分布特点,指出了在实际临床治疗中需要注意的问题；本文还就常用于剂量计算解析算法中对于非均匀介质修正的等效路径法进行了验证,验证了等效路径法对不同厚度和位置的非均匀介质的修正效果;最后利用TOPAS对一典型被动散射式治疗头进行模拟,实现了通过调节调制轮对不同能量质子束Bragg峰展宽技术,分析了不同能量质子束不同宽度的SOBP的剂量分布特点。本文的模拟研究工作对质子放射治疗做了一些基础性研究工作,取得了很多有意义的研究结果,对TOPAS粒子输运软件在质子治疗方面有了进一步的理解,为后续的质子放疗研究提供了一定帮助。
【关键词】：质子放疗 蒙特卡罗方法 TOPAS 剂量计算 被动散射式治疗头
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R730.55
【目录】：
- 致谢7-8
- 摘要8-9
- ABSTRACT9-16
- 第一章 绪论16-24
- 1.1 概述16-21
- 1.1.1 肿瘤的放射治疗16-17
- 1.1.2 质子肿瘤放射治疗17-19
- 1.1.3 质子精确放疗计划系统ARIS-IMPT19-20
- 1.1.4 剂量计算20-21
- 1.2 蒙特卡罗算法在质子剂量计算中的应用21-22
- 1.3 本论文工作意义22-23
- 1.4 本论文的内容安排23-24
- 第二章 研究方法24-35
- 2.1 蒙特卡罗方法概述24-27
- 2.1.1 MC基本思想24
- 2.1.2 解题的一般步骤24-25
- 2.1.3 MC方法的优势和不足25
- 2.1.4 蒙特卡罗程序25-26
- 2.1.5 适用于质子输运的蒙特卡罗程序26-27
- 2.2 TOPAS软件概述27-34
- 2.2.1 TOPAS/GEANT4软件构成27-30
- 2.2.2 TOPAS几何组件30-32
- 2.2.3 TOPAS的粒子径迹可视化32-34
- 2.3 本章小结34-35
- 第三章 质子放疗剂量的蒙特卡罗模拟研究35-58
- 3.1 质子的深度剂量35-42
- 3.1.1 质子深度剂量特点35-37
- 3.1.2 质子深度剂量的SOBP合成37-42
- 3.2 射野大小的影响研究42-48
- 3.2.1 2cm×2cm野42-44
- 3.2.2 5cm×5cm野44-46
- 3.2.3 10cm×10cm野46-48
- 3.3 一维非均匀模体研究48-57
- 3.3.1 水/骨/水模型49-52
- 3.3.2 水/肺/水模型52-55
- 3.3.3 等效路径法校验55-57
- 3.4 本章小结57-58
- 第四章 被动散射式加速器治疗头解析研究58-65
- 4.1 束流配送系统58-59
- 4.1.1 被动散射束流配送系统58-59
- 4.1.2 主动扫描式束流配送系统59
- 4.2 被动散射式束流配送系统的TOPAS模拟研究59-64
- 4.2.1 模拟条件59-60
- 4.2.2 模拟粒子源的实现60
- 4.2.3 模拟几何体的实现60-61
- 4.2.4 结果与分析61-63
- 4.2.5 结论63-64
- 4.3 本章小结64-65
- 第五章 总结与展望65-67
- 5.1 论文总结65
- 5.2 工作展望65-67
- 参考文献67-71
- 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况71
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本文编号：684018
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