质子调强放射治疗不确定性的相关技术研究
发布时间：2021-11-02 06:30
相比传统的光子放射治疗和被动散射质子放射治疗,质子调强放射治疗可以更好地发挥布拉格峰特性的优势,在靶区形成一个高度适形的剂量分布的同时,大幅度地减小周围正常组织的照射剂量。由于质子调强放疗的技术特性,质子调强放疗更加容易受到放疗过程中各种不确定性因素的影响,导致病人实际接受到的剂量分布与计划照射的剂量分布出现偏差。因此如何减小放疗过程中不确定性因素对质子调强放射治疗的影响是目前质子精准放疗的主要研究方向之一。本论文针对质子调强放射治疗过程中的射程不确定性、摆位不确定性以及剂量投放控制精度,以质子调强放射治疗计划系统和治疗装置中的剂量监测平板电离室为切入点,研究并提出了新的应对方案来解决不确定性因素对质子放射治疗的影响,主要研究内容包括:1.针对质子调强放射治疗中的射程不确定性和摆位不确定性,从质子调强放射治疗计划系统的剂量优化入手,提出了改进最差场景算法这一新的鲁棒性优化方法。在优化过程中以标称场景优化为主,在每次迭代时计算每个体素在n种场景下（在本研究采用的是9种场景）的剂量值,取其与标称场景下该体素剂量值的最大差值作为鲁棒性优化项添加入优化目标函数进行优化。同时引入权重因子P
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)上海市
【文章页数】：100 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
首台国产质子治疗示范装置（上海先进质子治疗装置）示意图
质子调强放射治疗不确定性的相关技术研究4繁地发生非弹性库伦散射而损失动能，因为质子的静止质量远远大于核外电子，所以在此过程中质子没有改变行进轨迹。相比而言，质子与原子核的库伦散射发生较少，但由于原子核的质量大于或接近质子，质子与原子核的弹性库伦散射时质子会偏离原来的行进轨迹。同时质子也会和原子核发生核反应，核反应会产生次级粒子，如次级质子、中子、氘等。相比前两种反应，核反应的发生几率最小，但其会减少质子束的初始质子数目，对在物质中形成的剂量分布产生影响。图1.2质子与吸收物质相互作用机理示意图（a）质子和核外电子的非弹性库伦散射（b）质子与原子核的弹性库伦散射（c）质子与原子核的核反应相互作用（p:质子，e:电子，n:中子，γ:γ射线）Figure1.2Schematicillustrationofprotoninteractionmechanisms:(a)energylossviainelasticCoulombicinteractions,(b)deflectionofprotontrajectorybyrepulsiveCoulombelasticscatteringwithnucleus,(c)removalofprimaryprotonandcreationofsecondaryparticlesvianon-elasticnuclearinteraction(p:proton,e:electron,n:neutron,γ:gammarays)[13]带电粒子与物质相互作用的能量损失可以Bethe-Bloch公式[14]表示
质子调强放射治疗不确定性的相关技术研究6图1.3160MeV质子束在水中的布拉格曲线和横向分布。上方图中的实线和点线分别代表初始质子数和总质子数随入射深度的变化，虚线表示质子束在水中的能量沉积Figure1.3Dashedlineandrightaxis:Braggcurve(dosedepositedafunctionofdepthfora160MeVprotonbeam).Thelowergraphshowsthedoseprofile,illustratingthebroadeningofthebeamduetomultipleCoulombscattering.[16]质子放射治疗最显著的优势就是其布拉格峰特性，图1.4是光子与质子束在水中的深度剂量曲线，相比于光子剂量分布，质子束在浅层处沉积的能量较小且上升缓慢，可以减小对肿瘤位置前部的正常组织的剂量照射；质子束的主要能量沉积都集中在布拉格峰位置，可以通过调制将质子束布拉格峰位置调整到肿瘤位置，将最大剂量沉积到肿瘤位置；质子束剂量曲线在布拉格峰后迅速下降，在曲线尾部的剂量几乎为零，对于肿瘤位置后部的正常组织剂量损伤较校因此，从物理特性上而言，质子更具有潜力实现放射治疗的基本原则，即最大可能杀伤肿瘤组织并且最大可能减少对正常组织的损伤。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于GPU加速的质子调强放疗鲁棒优化器[J]. 徐遥,裴曦,刘红东,霍万里,周解平,徐榭. 原子核物理评论. 2019(01)
[2]针对射程不确定性的质子调强放疗鲁棒优化方法[J]. 裴曦,徐遥,张练,皮一飞,刘红冬,徐榭. 中华放射肿瘤学杂志. 2019 (02)
[3]2015年中国恶性肿瘤流行情况分析[J]. 郑荣寿,孙可欣,张思维,曾红梅,邹小农,陈茹,顾秀瑛,魏文强,赫捷. 中华肿瘤杂志. 2019 (01)
[4]质子治疗中点扫描照射技术的仿真模拟[J]. 贾亚军,李永江,张潇,马晓颖,吴超,吕明,蒲越虎. 核技术. 2016(09)
[5]近物所重离子治疗计划系统的研发(英文)[J]. 李强,Liu Xinguo,Shen Guosheng,Ma Yuanyuan,Zhang Huajian,Dai Zhongying. IMP & HIRFL Annual Report. 2012(00)
博士论文
[1]质子治疗多极扫描磁铁的研究[D]. 贾波磊.中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) 2019
[2]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[D]. 霍万里.中国科学技术大学 2019
[3]分布鲁棒优化的模型与稳定性研究[D]. 刘强.大连理工大学 2018
[4]质子调强放射治疗计划的高稳定性和快速逆向优化算法研究及应用[D]. 张练.中国科学技术大学 2018
[5]点扫描束配系统的扫描算法研究[D]. 苗春晖.中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) 2018
[6]鲁棒优化及相关问题的研究[D]. 王峰.西安电子科技大学 2018
[7]质子治疗束配系统电离室电子学研究[D]. 赵斌清.中国科学院研究生院(上海应用物理研究所) 2017
硕士论文
[1]质子点扫描系统调试测量与分析[D]. 陈涛.中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) 2018
[2]基于DAO算法的重离子放射治疗技术的相关研究[D]. 姬腾飞.中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) 2017
[3]质子治疗中扫描照射的模拟计算及并行加速[D]. 贾亚军.中国科学院研究生院(上海应用物理研究所) 2017
本文编号：3471515
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)上海市
【文章页数】：100 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
首台国产质子治疗示范装置（上海先进质子治疗装置）示意图
质子调强放射治疗不确定性的相关技术研究4繁地发生非弹性库伦散射而损失动能，因为质子的静止质量远远大于核外电子，所以在此过程中质子没有改变行进轨迹。相比而言，质子与原子核的库伦散射发生较少，但由于原子核的质量大于或接近质子，质子与原子核的弹性库伦散射时质子会偏离原来的行进轨迹。同时质子也会和原子核发生核反应，核反应会产生次级粒子，如次级质子、中子、氘等。相比前两种反应，核反应的发生几率最小，但其会减少质子束的初始质子数目，对在物质中形成的剂量分布产生影响。图1.2质子与吸收物质相互作用机理示意图（a）质子和核外电子的非弹性库伦散射（b）质子与原子核的弹性库伦散射（c）质子与原子核的核反应相互作用（p:质子，e:电子，n:中子，γ:γ射线）Figure1.2Schematicillustrationofprotoninteractionmechanisms:(a)energylossviainelasticCoulombicinteractions,(b)deflectionofprotontrajectorybyrepulsiveCoulombelasticscatteringwithnucleus,(c)removalofprimaryprotonandcreationofsecondaryparticlesvianon-elasticnuclearinteraction(p:proton,e:electron,n:neutron,γ:gammarays)[13]带电粒子与物质相互作用的能量损失可以Bethe-Bloch公式[14]表示
质子调强放射治疗不确定性的相关技术研究6图1.3160MeV质子束在水中的布拉格曲线和横向分布。上方图中的实线和点线分别代表初始质子数和总质子数随入射深度的变化，虚线表示质子束在水中的能量沉积Figure1.3Dashedlineandrightaxis:Braggcurve(dosedepositedafunctionofdepthfora160MeVprotonbeam).Thelowergraphshowsthedoseprofile,illustratingthebroadeningofthebeamduetomultipleCoulombscattering.[16]质子放射治疗最显著的优势就是其布拉格峰特性，图1.4是光子与质子束在水中的深度剂量曲线，相比于光子剂量分布，质子束在浅层处沉积的能量较小且上升缓慢，可以减小对肿瘤位置前部的正常组织的剂量照射；质子束的主要能量沉积都集中在布拉格峰位置，可以通过调制将质子束布拉格峰位置调整到肿瘤位置，将最大剂量沉积到肿瘤位置；质子束剂量曲线在布拉格峰后迅速下降，在曲线尾部的剂量几乎为零，对于肿瘤位置后部的正常组织剂量损伤较校因此，从物理特性上而言，质子更具有潜力实现放射治疗的基本原则，即最大可能杀伤肿瘤组织并且最大可能减少对正常组织的损伤。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于GPU加速的质子调强放疗鲁棒优化器[J]. 徐遥,裴曦,刘红东,霍万里,周解平,徐榭. 原子核物理评论. 2019(01)
[2]针对射程不确定性的质子调强放疗鲁棒优化方法[J]. 裴曦,徐遥,张练,皮一飞,刘红冬,徐榭. 中华放射肿瘤学杂志. 2019 (02)
[3]2015年中国恶性肿瘤流行情况分析[J]. 郑荣寿,孙可欣,张思维,曾红梅,邹小农,陈茹,顾秀瑛,魏文强,赫捷. 中华肿瘤杂志. 2019 (01)
[4]质子治疗中点扫描照射技术的仿真模拟[J]. 贾亚军,李永江,张潇,马晓颖,吴超,吕明,蒲越虎. 核技术. 2016(09)
[5]近物所重离子治疗计划系统的研发(英文)[J]. 李强,Liu Xinguo,Shen Guosheng,Ma Yuanyuan,Zhang Huajian,Dai Zhongying. IMP & HIRFL Annual Report. 2012(00)
博士论文
[1]质子治疗多极扫描磁铁的研究[D]. 贾波磊.中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) 2019
[2]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[D]. 霍万里.中国科学技术大学 2019
[3]分布鲁棒优化的模型与稳定性研究[D]. 刘强.大连理工大学 2018
[4]质子调强放射治疗计划的高稳定性和快速逆向优化算法研究及应用[D]. 张练.中国科学技术大学 2018
[5]点扫描束配系统的扫描算法研究[D]. 苗春晖.中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) 2018
[6]鲁棒优化及相关问题的研究[D]. 王峰.西安电子科技大学 2018
[7]质子治疗束配系统电离室电子学研究[D]. 赵斌清.中国科学院研究生院(上海应用物理研究所) 2017
硕士论文
[1]质子点扫描系统调试测量与分析[D]. 陈涛.中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) 2018
[2]基于DAO算法的重离子放射治疗技术的相关研究[D]. 姬腾飞.中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) 2017
[3]质子治疗中扫描照射的模拟计算及并行加速[D]. 贾亚军.中国科学院研究生院(上海应用物理研究所) 2017
本文编号：3471515
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