【摘要】：重離子束具有倒轉(zhuǎn)的深度劑量分布(Bragg曲線)和Bragg峰區(qū)高的相對(duì)生物學(xué)效應(yīng),在有效殺死腫瘤細(xì)胞的同時(shí)途經(jīng)的正常組織接受的輻射劑量較小,因此被認(rèn)為是理想的放療用射線。在實(shí)施放療之前,需要利用治療計(jì)劃系統(tǒng)模擬重離子在腫瘤靶區(qū)(GTV)的劑量分布情況,輔助醫(yī)生制定準(zhǔn)確的治療方案,使得射線在最大程度上殺死腫瘤細(xì)胞,同時(shí)盡量避免對(duì)正常組織的損害。本論文基于蒙特卡羅粒子輸運(yùn)軟件MCNPX強(qiáng)大的幾何處理能力,反應(yīng)截面數(shù)據(jù)庫(kù)豐富等優(yōu)勢(shì),針對(duì)由中國(guó)科學(xué)院近代物理所研發(fā)的、我國(guó)首臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重離子(特指碳離子)治癌裝置—醫(yī)用重離子加速器(HIMM),開(kāi)展了一系列劑量學(xué)研究工作,主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:1.通過(guò)搭建SIMD并行計(jì)算機(jī)集群,采用MPI技術(shù)實(shí)現(xiàn)了MCNPX程序的并行計(jì)算,并用德國(guó)重離子研究中心(GSI)發(fā)布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)題驗(yàn)證了MCNPX程序用于模擬碳離子治療中劑量分布的可行性。結(jié)果顯示,MCNPX程序的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性較好,坪區(qū)的偏差在±1.3%-3.3%之間,Bragg峰區(qū)的平均偏差不超過(guò)±3.8%。2.開(kāi)發(fā)了解析傳輸接口軟件RTIM,采用交替和差分解法,通過(guò)凸實(shí)體的布爾運(yùn)算將邊界表示法(B-Rep)文件轉(zhuǎn)換,獲得了MCNPX可識(shí)別的構(gòu)造實(shí)體表示法(CSG)文件。建立了材料數(shù)據(jù)庫(kù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)與相應(yīng)實(shí)體間的邏輯映射關(guān)系。構(gòu)建了用于MCNPX模擬計(jì)算的HIMM治療終端的體表補(bǔ)償器、多葉準(zhǔn)直器、脊形過(guò)濾器、射程移位器模型。轉(zhuǎn)換前后模型的體積偏差較小,證明了模型的正確性。3.通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了HIMM裝置不同能量的單能碳離子束在水模中的深度劑量分布;經(jīng)過(guò)不同型號(hào)脊形過(guò)濾器展寬后的SOBP在水模中的深度劑量分布以及經(jīng)過(guò)不同水等效厚度的射程移位器降能后的碳離子束在水模中的深度劑量分布。利用建立的HIMM終端模型,在MCNPX中對(duì)上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬,模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好,平均偏差不超過(guò)±4.6%。4.將人體組織進(jìn)行矩陣網(wǎng)格化,為了確保所建立人體模型的精確性,采用了107量級(jí)柵元對(duì)人體組織進(jìn)行模擬。通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的DCVM軟件,將CT文件集中的參數(shù)信息提取出來(lái),賦予每個(gè)柵元相對(duì)應(yīng)的密度、組織元素等物理和幾何結(jié)構(gòu)信息,建立了基于CT圖像的精確人體模型,并利用VTK和Matplotlib兩款軟件實(shí)現(xiàn)了人體模型的三維和二維可視化。5.通過(guò)DCVM軟件提取某結(jié)腸癌患者的CT信息,解析與該患者的治療計(jì)劃,包括入射束流能量、脊形過(guò)濾器型號(hào)、多葉準(zhǔn)直器以及體表補(bǔ)償器形狀。建立相應(yīng)的HIMM終端模型,采用MCNPX模擬了碳離子束在該患者體內(nèi)的劑量沉積情況。結(jié)果顯示碳離子束在排空的腸管中沒(méi)有能量沉積,能量均沉積在灰色和灰白色的人體病變組織區(qū)域,并且病變組織體與排空腸管間能量沉積的界面清晰,模擬結(jié)果與治療計(jì)劃系統(tǒng)的預(yù)期較好的符合,進(jìn)一步驗(yàn)證了運(yùn)用蒙特卡羅程序MCNPX在HIMM劑量分布計(jì)算中的有效性和準(zhǔn)確性。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：R730.55;TL56
【圖文】：

第一章 緒論目前全球發(fā)病和死亡的主要原因之一是惡性腫瘤，2012 年全球約有 1400 萬(wàn)新發(fā)癌癥病例和 820 萬(wàn)例癌癥相關(guān)死亡[1]，預(yù)計(jì)今后二十年新發(fā)病例數(shù)將增加約70%。全世界每年逾 60％的癌癥新病例發(fā)生在亞洲、非洲和南美洲及中美洲，這些地區(qū)約占全世界癌癥死亡數(shù)的 70％[1]。在 2012 年由于癌癥死亡的 820 萬(wàn)人中癌癥的主要種類(lèi)為：肺癌（159 萬(wàn)例死亡）；肝癌（74.5 萬(wàn)例死亡）；胃癌（72.3萬(wàn)例死亡）；結(jié)腸直腸癌（69.4 萬(wàn)例死亡）；乳腺癌（52.1 萬(wàn)例死亡）；食道癌（40萬(wàn)例死亡）[2]。我國(guó) 2014 年因癌癥死亡 220.52 萬(wàn)人，其中男性死亡人數(shù) 142.57萬(wàn)，女性死亡人數(shù) 77.95 萬(wàn)。圖 1-1 和圖 1-2 分別列舉了 2014 年我國(guó)因癌癥死亡人口數(shù)量和患不同癌癥的人口數(shù)量。圖中顯示，男性患者中肺癌的數(shù)量最多，達(dá)到 45.9495 萬(wàn)人，致死率也是最高的。女性患者中肺癌和乳腺癌發(fā)病率最高，達(dá)到 38.056 萬(wàn)人[3]。

人口數(shù)量和患不同癌癥的人口數(shù)量。圖中顯示，男性患者中肺癌的數(shù)量最多，達(dá)到 45.9495 萬(wàn)人，致死率也是最高的。女性患者中肺癌和乳腺癌發(fā)病率最高，達(dá)到 38.056 萬(wàn)人[3]。圖 1-1 2014 年中國(guó)因不同癌癥死亡人數(shù)比例圖[3]

底腫瘤、眼部黑色素瘤、括顱底脊索瘤和軟骨肉瘤等惡性腫瘤，均得到了較好的治療效果。圖1-3 國(guó)際上重離子治療裝置布局美國(guó)：重離子治療癌癥的技術(shù)起源于美國(guó)。1947年E. Lawrence在美國(guó) University ofCalifornia (UC) Berkele大學(xué)成功建成184T同步回旋加速器。1954年E. Lawrence、Cornelius A. Tobias、John H. Lawrence 在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物取得一定效果后[6]進(jìn)行了首例高能質(zhì)子束人體癌癥治療試驗(yàn)[7]。1975 年美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

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6 佘乾順;蘇弘;徐治國(guó);馬曉莉;胡正國(guó);毛瑞士;徐瑚珊;;束流均勻性測(cè)量前端讀出電子學(xué)電路的設(shè)計(jì)[J];核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù);2011年06期

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6 記者 孫理;重離子治癌項(xiàng)目成為今年工作重點(diǎn)[N];蘭州日?qǐng)?bào);2011年

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2 劉志強(qiáng);使用輻射自顯影膠片對(duì)重離子治癌的劑量學(xué)驗(yàn)證研究[D];清華大學(xué);2013年

3 荀明珠;不同材料對(duì)空間輻射屏蔽特性的蒙特卡羅模擬研究[D];新疆大學(xué);2016年

本文編號(hào)：2756315