基于微剂量学及纳剂量学的离子束相对生物学效应研究
发布时间：2022-01-05 07:46
离子束由于具有倒转的深度剂量分布和Bragg峰附近相对较高的生物效应,被国际肿瘤放射治疗界公认为是目前最先进,最有发展前景的放疗用射线。相对生物学效应（RBE）是离子束治疗中极为重要的参数,实现离子束RBE精确计算是实现离子束精准治疗的重要前提。由于离子束RBE的影响因素十分复杂,因此需要建立相应的生物物理模型才能实现临床治疗中的离子束RBE计算。然而,当前国内外的RBE模型均存在各种局限,因而严重地制约了离子束治疗的进一步发展。因此,本文将围绕离子束RBE这一核心问题展开研究,一方面以微剂量学量为基础对现有RBE计算模型进行改良并适当拓展,另一方面以纳剂量学量为基础建立全新的RBE计算模型。此外,还对具体临床应用中需要解决的RBE相关问题进行了研究。具体工作内容如下:（1）以微剂量动力学模型（MKM）的理论为基础,引入理想组织等效正比计数器和基于Gate软件包的微剂量学量蒙特卡罗（MC）模拟技术,改良MKM模型计算参数确定方法,建立了基于微剂量学量MC模拟的离子束生物有效剂量精确计算方法。该方法提高了以MKM模型为基础的离子束RBE计算的精确性和可靠性,并且可以方便的应用到不同的离子...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)甘肃省
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
X射线、光子与碳离子束的深度剂量分布
基于微剂量学及纳剂量学的离子束相对生物学效应研究8为非限定（unrestricted）的LET，此时：LET=LET∞=dEdx(1.4)在离子束治疗中，较为常用的还有剂量平均LET（dose-averagedLET），即LETD。在混合辐射场中，其定义为：LETD=∑Di(E,Z)×LETi(E,Z)i∑Di(E,Z)i(1.5)其中，Di(E,Z)为第i个能量为E原子序数为Z的离子的剂量贡献，(,)为第i个能量为E原子序数为Z的离子的LET。图1.2能量为21MeV光子，148MeV质子束，270MeV/u碳离子束的横向散射效应随贯穿深度的变化趋势（上）；能量为21MeV的光子，148MeV的质子束，270MeV/u的碳离子束的深度剂量分布（下）[42]Figure1.2Thescatteringeffectof21MeVphoton,148MeVprotonbeamand270MeV/ucarbon-ionbeamatvariespenetrationdepth(top).Depthdosedistributionof21MeVphoton,148MeVprotonbeam,270MeV/ucarbon-ionbeam(bottom)
第1章引言9侧向散射：离子束之所以产生侧向散射的原因是由于入射离子的原子核与介质中的原子核发生库伦相互作用的结果。此外，核反应产生的核碎片的发射角度也是离子束射程末端横侧向散射增大的原因。如图1.2所示，射程相同的离子束，原子核质量越大，横向散射效应越小；与光子相比，质子束的侧向散射效应在贯穿深度达到7cm后强于光子，碳离子束在整个射程内的横向散射均小于质子束和光子束。在离子束临床治疗中，考虑到离子束的射程不确定性，通常需要避免离子直接停留在危及器官前的情况。为此，通常需要设置束流的方向，使得离子束的径迹从危及器官旁边通过。因此，离子束的侧向散射在治疗计划设计中需要仔细考虑。从侧向散射的角度讲，重离子的侧向散射效应通常小于质子。在线射程监控：离子束治疗中，核反应产生的核碎片会在Bragg峰后产生一个长长的低剂量尾巴，这并不利于保护Bragg峰后的正常组织器官。但另一方面，这些核碎片的产生也为离子束射程原位监测提供了可能[43-50]。比如，入射离子为12C时，其在介质中发生核反应后产生的正电子发射核碎片及其半衰期分别为9C(127ms),10C(19.3s)和11C(20.3m);当入射离子为16O时，其在介质中发生核反应后产生的正电子发射核碎片及其半衰期分别为13O(8.9ms),14O(70.6s)和15O(122s)[51].这些正电子发射核碎片的衰变会释放正电子，这些正电子会与介质中的电子发生湮灭释放光子，从而能够通过PET技术确定正负电子湮灭的具体位置，从而通过该位置与入射碳离子束射程末端的对应关系，实现离子束射程的原位监测。该技术可以一定程度上缓解离子束射程不确定性对临床治疗的影响。图1.3被动式束流配送系统二维适形照射示意图[52]Figure1.32Dconformalpassivebeamdeliverysystem
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于微剂量学蒙特卡罗模拟的重离子生物有效剂量精确计算方法[J]. 戴天缘,李强,陈卫强,刘新国,戴中颖,贺鹏博,马圆圆,申国盛,张晖. 中国医学物理学杂志. 2019(10)
[2]TEPC壁对重离子束微剂量学测量及相对生物学效应计算的影响[J]. 戴天缘,刘新国,戴中颖,贺鹏博,马圆圆,申国盛,张晖,陈卫强,李强. 原子能科学技术. 2019(06)
[3]放射肿瘤学的进展与未来[J]. 李涛,郎锦义. 肿瘤预防与治疗. 2019(01)
[4]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)
[5]大分割碳离子放射治疗中相对生物学效应与剂量依赖关系的研究[J]. 戴天缘,李强,陈卫强,刘新国,戴中颖. 原子核物理评论. 2017(04)
[6]组织等效正比计数器测量系统的建立[J]. 张伟华,王志强,于伟翔. 原子能科学技术. 2010(11)
[7]组织等效正比计数器的测量原理和方法[J]. 张伟华,王志强. 核标准计量与质量. 2008(03)
[8]肿瘤放射治疗的历史与发展[J]. 李晔雄,汪华. 中国肿瘤. 2008(09)
[9]中国科学院近代物理研究所重离子束治癌进展[J]. 肖国青,张红,李强,宋明涛,詹文龙. 原子核物理评论. 2007(02)
[10]用于微剂量测量的圆柱型无壁组织等效正比计数器[J]. 郑文忠,唐明华,李从裕,叶常青,吴德昌. 辐射防护. 1986(03)
硕士论文
[1]DNA纳剂量学模型影响因素研究[D]. 孔栋.苏州大学 2014
本文编号：3570041
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)甘肃省
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
X射线、光子与碳离子束的深度剂量分布
基于微剂量学及纳剂量学的离子束相对生物学效应研究8为非限定（unrestricted）的LET，此时：LET=LET∞=dEdx(1.4)在离子束治疗中，较为常用的还有剂量平均LET（dose-averagedLET），即LETD。在混合辐射场中，其定义为：LETD=∑Di(E,Z)×LETi(E,Z)i∑Di(E,Z)i(1.5)其中，Di(E,Z)为第i个能量为E原子序数为Z的离子的剂量贡献，(,)为第i个能量为E原子序数为Z的离子的LET。图1.2能量为21MeV光子，148MeV质子束，270MeV/u碳离子束的横向散射效应随贯穿深度的变化趋势（上）；能量为21MeV的光子，148MeV的质子束，270MeV/u的碳离子束的深度剂量分布（下）[42]Figure1.2Thescatteringeffectof21MeVphoton,148MeVprotonbeamand270MeV/ucarbon-ionbeamatvariespenetrationdepth(top).Depthdosedistributionof21MeVphoton,148MeVprotonbeam,270MeV/ucarbon-ionbeam(bottom)
第1章引言9侧向散射：离子束之所以产生侧向散射的原因是由于入射离子的原子核与介质中的原子核发生库伦相互作用的结果。此外，核反应产生的核碎片的发射角度也是离子束射程末端横侧向散射增大的原因。如图1.2所示，射程相同的离子束，原子核质量越大，横向散射效应越小；与光子相比，质子束的侧向散射效应在贯穿深度达到7cm后强于光子，碳离子束在整个射程内的横向散射均小于质子束和光子束。在离子束临床治疗中，考虑到离子束的射程不确定性，通常需要避免离子直接停留在危及器官前的情况。为此，通常需要设置束流的方向，使得离子束的径迹从危及器官旁边通过。因此，离子束的侧向散射在治疗计划设计中需要仔细考虑。从侧向散射的角度讲，重离子的侧向散射效应通常小于质子。在线射程监控：离子束治疗中，核反应产生的核碎片会在Bragg峰后产生一个长长的低剂量尾巴，这并不利于保护Bragg峰后的正常组织器官。但另一方面，这些核碎片的产生也为离子束射程原位监测提供了可能[43-50]。比如，入射离子为12C时，其在介质中发生核反应后产生的正电子发射核碎片及其半衰期分别为9C(127ms),10C(19.3s)和11C(20.3m);当入射离子为16O时，其在介质中发生核反应后产生的正电子发射核碎片及其半衰期分别为13O(8.9ms),14O(70.6s)和15O(122s)[51].这些正电子发射核碎片的衰变会释放正电子，这些正电子会与介质中的电子发生湮灭释放光子，从而能够通过PET技术确定正负电子湮灭的具体位置，从而通过该位置与入射碳离子束射程末端的对应关系，实现离子束射程的原位监测。该技术可以一定程度上缓解离子束射程不确定性对临床治疗的影响。图1.3被动式束流配送系统二维适形照射示意图[52]Figure1.32Dconformalpassivebeamdeliverysystem
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于微剂量学蒙特卡罗模拟的重离子生物有效剂量精确计算方法[J]. 戴天缘,李强,陈卫强,刘新国,戴中颖,贺鹏博,马圆圆,申国盛,张晖. 中国医学物理学杂志. 2019(10)
[2]TEPC壁对重离子束微剂量学测量及相对生物学效应计算的影响[J]. 戴天缘,刘新国,戴中颖,贺鹏博,马圆圆,申国盛,张晖,陈卫强,李强. 原子能科学技术. 2019(06)
[3]放射肿瘤学的进展与未来[J]. 李涛,郎锦义. 肿瘤预防与治疗. 2019(01)
[4]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)
[5]大分割碳离子放射治疗中相对生物学效应与剂量依赖关系的研究[J]. 戴天缘,李强,陈卫强,刘新国,戴中颖. 原子核物理评论. 2017(04)
[6]组织等效正比计数器测量系统的建立[J]. 张伟华,王志强,于伟翔. 原子能科学技术. 2010(11)
[7]组织等效正比计数器的测量原理和方法[J]. 张伟华,王志强. 核标准计量与质量. 2008(03)
[8]肿瘤放射治疗的历史与发展[J]. 李晔雄,汪华. 中国肿瘤. 2008(09)
[9]中国科学院近代物理研究所重离子束治癌进展[J]. 肖国青,张红,李强,宋明涛,詹文龙. 原子核物理评论. 2007(02)
[10]用于微剂量测量的圆柱型无壁组织等效正比计数器[J]. 郑文忠,唐明华,李从裕,叶常青,吴德昌. 辐射防护. 1986(03)
硕士论文
[1]DNA纳剂量学模型影响因素研究[D]. 孔栋.苏州大学 2014
本文编号：3570041
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