作為一種經(jīng)典的腫瘤物理治療手段,放射治療已有100多年的歷史。放射治療通常采用光子或者電子射線,其劑量分布在進(jìn)入人體后呈指數(shù)趨勢(shì)迅速衰減,針對(duì)深層腫瘤治療存在一定局限性。質(zhì)子束在剛進(jìn)入人體的過(guò)程中劑量釋放很少,但到達(dá)射程終點(diǎn)時(shí)能量全部釋放,形成所謂的Bragg峰,可將病灶周邊組織的損傷降到最低,因此在劑量分布上具有突出的精準(zhǔn)治療優(yōu)勢(shì)。質(zhì)子治療系統(tǒng)集成了粒子加速器、醫(yī)學(xué)物理、電氣工程、機(jī)械工程、自動(dòng)控制、醫(yī)學(xué)影像等多學(xué)科領(lǐng)域前沿技術(shù)�；诨匦铀倨鞯馁|(zhì)子治療裝置具有占地面積小、可輸出連續(xù)束流等優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)前國(guó)際上一種主流方案。但由于回旋加速器輸出能量固定,需要在束流輸運(yùn)系統(tǒng)中配置一套能量選擇系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量調(diào)節(jié)功能,以治療不同深度的腫瘤。在基于超導(dǎo)回旋加速器的質(zhì)子治療束流輸運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,關(guān)鍵問題有:1)能量選擇系統(tǒng)設(shè)計(jì)需同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量調(diào)節(jié)、束流發(fā)射度調(diào)節(jié)和能散度控制等功能,束流參數(shù)滿足臨床需求;2)束流光路設(shè)計(jì)需考慮束損控制、校準(zhǔn)磁鐵與束測(cè)元件布局等問題;3)需進(jìn)行完備的束流傳輸效率計(jì)算,并通過(guò)流強(qiáng)調(diào)制使得等中心點(diǎn)束流滿足臨床要求;4)通過(guò)束流光路設(shè)計(jì),優(yōu)化束線磁鐵種類和數(shù)量,降低成本。針對(duì)以上幾個(gè)問題,本文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)包括:(1)基于回旋加速器固定能量的輸出特性,結(jié)合治療端的束流參數(shù)需求,對(duì)整體束線布局和光路設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。主要研究了旋轉(zhuǎn)機(jī)架段和周期傳輸段所采用的1:1鏡像光學(xué)和完全鏡像光路設(shè)計(jì)方案。配合機(jī)架束線入口段的準(zhǔn)直器,1:1鏡像光學(xué)設(shè)計(jì)可顯著提高機(jī)架等中心點(diǎn)處束斑尺寸的穩(wěn)定性。(2)能量選擇系統(tǒng)的核心功能是完成大范圍能量調(diào)制,并且控制降能后束流的發(fā)射度和能散度。本文對(duì)能量選擇系統(tǒng)中的發(fā)射度選擇部件和能散度選擇部件進(jìn)行了詳細(xì)的物理設(shè)計(jì)和束流跟蹤計(jì)算。最終能量選擇系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)能量70-240 MeV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),束流發(fā)射度5πmm-mrad、7πmm-mrad、10πmm-mrad可調(diào),束流動(dòng)量分散度0.3%、0.5%可調(diào)。(3)針對(duì)不同能量下能量選擇系統(tǒng)傳輸效率差別大的問題,提出了輸運(yùn)線上流強(qiáng)調(diào)制的方案。通過(guò)擴(kuò)束加準(zhǔn)直的方式減小高能段的傳輸效率,從而降低流強(qiáng)動(dòng)態(tài)比。本文以7πmm-mrad為例,給出了一套完備的流強(qiáng)調(diào)制設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果,其中包括擴(kuò)束方案設(shè)計(jì)、傳輸效率計(jì)算和下游束流光學(xué)匹配。最終流強(qiáng)動(dòng)態(tài)比可控制在10以內(nèi),滿足臨床治療要求。(4)本文對(duì)束線上所需的四極磁鐵樣機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的物理設(shè)計(jì)、磁場(chǎng)計(jì)算與端部?jī)?yōu)化,最終磁場(chǎng)分布滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。針對(duì)物理設(shè)計(jì),開展了初步的工程設(shè)計(jì)。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH77
【部分圖文】：

圖 1.1 帶電粒子的 Bragg 峰劑量分布特性使射線粒子能夠運(yùn)用于臨床治療，物理師還必須對(duì)帶電粒子的能量分布其 Bragg 峰深度曲線上高劑量區(qū)的平坦部分剛好覆蓋腫瘤的縱向長(zhǎng)度。布曲線就是常提到的擴(kuò)展 Bragg 峰（spread-out Bragg peak），簡(jiǎn)稱 SO所示將具有 SOBP 特性的質(zhì)子束同光子劑量分布進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于質(zhì)子束的細(xì)胞只受到可控的劑量，并且可通過(guò)多照射野的方法進(jìn)行優(yōu)化。腫瘤胞幾乎沒有劑量，可以得到很好的保護(hù)[13-14]。

圖 1.1 帶電粒子的 Bragg 峰劑量分布特性線粒子能夠運(yùn)用于臨床治療，物理師還必須對(duì)帶電粒子的能量ragg 峰深度曲線上高劑量區(qū)的平坦部分剛好覆蓋腫瘤的縱向長(zhǎng)線就是常提到的擴(kuò)展 Bragg 峰（spread-out Bragg peak），簡(jiǎn)稱將具有 SOBP 特性的質(zhì)子束同光子劑量分布進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于質(zhì)胞只受到可控的劑量，并且可通過(guò)多照射野的方法進(jìn)行優(yōu)化。乎沒有劑量，可以得到很好的保護(hù)[13-14]。

圖 1.3 粒子治療分類統(tǒng)計(jì)圖表 1.1 質(zhì)子治療與碳離子治療的比較[4-5]治療 碳離子治療 備注右 優(yōu)于質(zhì)子，接近 2.0 質(zhì)子治療：間接殺死DNA 單鍵功能；碳離子：直接殺死腫瘤雙鍵功能，效果更好。Bragg 峰略優(yōu)于質(zhì)子 理論上碳離子后沿略效果二者基本相似。有，C12 可能轉(zhuǎn)變?yōu)?C11 或C10，衰變發(fā)出正電子碳離子核分裂現(xiàn)象產(chǎn)Bragg 峰拖尾，增加少影，帶來(lái)負(fù)面影響。 億（取治療臺(tái)能和數(shù)約為質(zhì)子治療系統(tǒng)的 2-3 倍給出幾個(gè)典型例子：碳離子要達(dá)到 25cm400MeV/u 能量，磁剛子束，因此碳離子治
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2862514