【摘要】：質(zhì)子放療在物理方面和生物方面優(yōu)于傳統(tǒng)光子放療,但由于質(zhì)子的Bragg峰在末端的劑量梯度非常陡峭,因此對可能引入的誤差,尤其是劑量計(jì)算誤差,非常敏感。目前臨床治療計(jì)劃系統(tǒng)(TPS)中多采用解析筆形束算法來計(jì)算質(zhì)子的劑量分布,而解析算法在處理非均勻介質(zhì)時(shí)計(jì)算誤差很大,從而影響質(zhì)子放療的精確性。蒙特卡羅方法一直被認(rèn)為是輻射劑量計(jì)算中的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”,在準(zhǔn)確度方面優(yōu)于解析算法,但其準(zhǔn)確性很大程度上依賴于建模的準(zhǔn)確性以及調(diào)試過程,難以在臨床上廣泛使用。本博士課題的目的是探索和研究蒙特卡羅方法在臨床質(zhì)子放療劑量驗(yàn)證中的應(yīng)用,具體目標(biāo)是構(gòu)建一套準(zhǔn)確的質(zhì)子放療蒙特卡羅模型,作為第三方獨(dú)立劑量驗(yàn)證工具,并將其應(yīng)用于臨床病人質(zhì)量檢驗(yàn)(PSQA)以及治療計(jì)劃三維劑量驗(yàn)證。為實(shí)現(xiàn)該研究目標(biāo),本項(xiàng)目完成了以下四個(gè)任務(wù):(1)在TOPAS軟件中構(gòu)建佛羅里達(dá)大學(xué)質(zhì)子放療中心(UFHPTI)機(jī)器的蒙特卡羅模型,包括被動雙散射(DS)和筆形束掃描(PBS)模式。(2)驗(yàn)證和調(diào)試模型,獲得了準(zhǔn)確的模型參數(shù)庫。(3)將模型應(yīng)用于臨床PBS病例的病人質(zhì)量檢驗(yàn)(PSQA)、治療計(jì)劃三維劑量驗(yàn)證以及LET分布的計(jì)算。(4)開發(fā)與TPS的接口,自動生成對應(yīng)的TOPAS輸入文件。本文首先介紹UFHPTI中心的DS和PBS模型在TOPAS軟件中的建模過程,再調(diào)試該模型,驗(yàn)證了計(jì)算的質(zhì)子初始Bragg峰,積分深度劑量,空氣中單個(gè)束斑的橫向劑量,絕對劑量校準(zhǔn),展寬Bragg峰(SOBP)以及橫向劑量分布等。結(jié)果發(fā)現(xiàn):對于DS模式,蒙特卡羅計(jì)算的質(zhì)子深度以及橫向劑量分布都與測量結(jié)果符合較好,最大差別在5%以內(nèi),大部分區(qū)域差別在2%以內(nèi)。而TPS(Eclipse)解析算法在計(jì)算SOBP和橫向劑量分布時(shí)差別相對較大,可達(dá)10%以上。當(dāng)遇到極端非均勻介質(zhì)時(shí),最大差別高達(dá)25%以上。對于PBS模式,TOPAS計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量以及TPS(RayStation)簡化蒙特卡羅劑量引擎的結(jié)果符合得較好,相對差別在3%以內(nèi)。TPS解析算法在計(jì)算射程較短的SOBP和橫向劑量時(shí),最大差別可達(dá)8%以上。在TOPAS計(jì)算的8個(gè)PBS病例PSQA的21個(gè)照射野二維劑量驗(yàn)證中,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量以及TPS簡化蒙特卡羅算法引擎的結(jié)果都符合得很好,在3mm/3%的標(biāo)準(zhǔn)下,Gamma通過率大部分結(jié)果在98%以上。對PBS病例治療計(jì)劃的三維劑量驗(yàn)證中,TOPAS計(jì)算結(jié)果與TPS簡化蒙特卡羅算法引擎的結(jié)果符合較好,在3mm/3%的標(biāo)準(zhǔn)下的Gamma通過率為97.1%。TOPAS計(jì)算的高LET分布區(qū)域位于靶區(qū)外后端,最高可達(dá)14keV/μm以上。最后,該TOPAS蒙特卡羅模型已整合到與TPS(RayStation和DeepPlan)的接口,可以實(shí)現(xiàn)從TPS中調(diào)用并自動生成TOPAS的輸入文件。本項(xiàng)目基于UFHPTI的質(zhì)子放療系統(tǒng),構(gòu)建了一套準(zhǔn)確的TOPAS蒙特卡羅模型,用作第三方劑量驗(yàn)證工具,最后成功將該模型與TPS對接,實(shí)現(xiàn)自動生成TOPAS輸入文件,增強(qiáng)了蒙特卡羅模型在臨床上的實(shí)用性。
【圖文】：

質(zhì)子放療的概念最初是由哈佛大學(xué)Ｒｏｂｅｒｔ邋Ｒ．邋Ｗｉｌｓｏｎ于１９４６年提出來的逡逑（Ｗｉｌｓｏｎ，邋１９４６）。質(zhì)子放療最顯著的優(yōu)勢就來自于物理方面，即深度劑量分布的逡逑Ｂｒａｇｇ峰，這是常規(guī)放療射線光子所無法擁有的。圖１．１展示了邋６ＭＶ光子和逡逑１５８ＭｅＶ質(zhì)子在水中的深度劑量分布，其中紅色曲線代表光子在水中的深度劑逡逑量，藍(lán)色曲線是質(zhì)子在水中的深度劑量。圖中坐標(biāo)軸橫軸為水中深度，縱軸表逡逑示最大劑量的百分比。從圖中可以看出，常規(guī)６ＭＶ光子線在水中淺表位置逡逑（１５ｍｍ左右）即達(dá)到最大劑量，，隨后近似呈指數(shù)衰減趨勢，即使到遠(yuǎn)端３０ｃｍ逡逑處也有一定的劑量，在２０％左右。而１５８ＭｅＶ質(zhì)子的劑量分布則不同，淺表的逡逑劑量在３５％附近，最大劑量對應(yīng)的深度約為１７．１５ｃｍ，在１８ｃｍ深度處劑量就己逡逑降低到１％以下，隨深度繼續(xù)增加，質(zhì)子劑量逐漸降低到零。逡逑１２０邋－１邐—＾逡逑邐１５８ＭｅＶ邋ｐｒｏｔｏｎ逡逑■邋６ＭＶ邋ｐｈｏｔｏｎ逡逑ｌ：Ｍ逡逑ｉ＇邋邐逡逑２０－逡逑０邋－｜邐ｉ邐ｉ邐１邐ｉ邐１邐ｉ邐■邋ｖ邋ｉ邐１邐ｉ邐１逡逑０邐５０邐１００邐１５０邐２００邐２５０邐３００逡逑Ｄｅｐｔｈ（ｍｍ）逡逑圖１．１邋６ＭＶ光子與１５８ＭｅＶ質(zhì)子在水中的深度劑量分布曲線逡逑究其原因

邐（１－３）逡逑根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ邋ｏｆ邋Ｓｔａｎｄａｒｄｓ邋ａｎｄ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＮＩＳＴ）提逡逑供的質(zhì)子阻止本領(lǐng)數(shù)據(jù)，圖１．２給出了在不同材料中，質(zhì)子的碰撞電子阻止本領(lǐng)逡逑隨質(zhì)子能量變化的關(guān)系曲線（Ｂｅｒｇｅｒ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００５；邋Ａｎｄｅｒｓｅｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，１９７７；邋Ｂｉｃｈｓｅｌ邋ｅｔ逡逑ａｌ．，１９９１），橫軸表示質(zhì)子的能量，縱軸代表電子阻止本領(lǐng)，單位為ＭｅＶ＿Ｃｍ２／５。逡逑圖中一共展示質(zhì)子在７種不同材料（分別為水，脂肪，聚甲基丙烯酸甲酯ＰＭＭＡ，逡逑密質(zhì)骨，皮質(zhì)骨，空氣以及肌肉）中的阻止本領(lǐng)。從圖１．２中可以看出，對于治逡逑療用能區(qū)的質(zhì)子（一般７０－２５０ＭｅＶ），不同材料中質(zhì)子的電子阻止本領(lǐng)差別并不逡逑大，最大值在ｌＯＭｅＶ＾ｍ２／＾左右，并且電子阻止本領(lǐng)隨質(zhì)子能量增加近似呈線逡逑性下降的趨勢。逡逑１０２１邐逡逑＾邐邐Ｗａｔｅｒ逡逑＾邐邐Ａｄｉｐｏｓｅ逡逑＾邐＇邐ＰＭＭＡ逡逑０邐邐Ｃｏｍｐａｃｔ邋ｂｏｎｅ逡逑＞邐Ｃｏｒｔｉｃａｌ邋ｂｏｎｅ逡逑｜邋—Ａｉｒ逡逑各邐？邐邐Ｍｕｓｃｌｅ逡逑１邐：逡逑Ｉ邋：逡逑ＣＤ逡逑ＬＤ逡逑ｉｎ０邐邐邐邐邐，邐邐邐邐邐邐
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：R730.55

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本文編號：2646530