【摘要】：可計(jì)算人體模型是反映人體解剖結(jié)構(gòu)并包含了各器官和組織物理屬性的計(jì)算機(jī)模型,已被廣泛的用于電離輻射劑量計(jì)算。參考人模型作為常用的可計(jì)算人體模型,是代表具有某一人群的中位數(shù)體型參數(shù)的人體模型,多個(gè)國家都依據(jù)該國的體型統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)構(gòu)建了對應(yīng)的參考人模型。但是由于人體體型具有相當(dāng)大的個(gè)體化差異,相同輻射環(huán)境中不同體型的人體所受輻射劑量可能存在相當(dāng)大的區(qū)別。在實(shí)際的輻射劑量評估中,僅采用參考人模型可能會與真實(shí)人體所受輻射劑量存在較大的差異。因此研究不同體型的可計(jì)算人體模型,評估體型變化對各器官所受輻射劑量的影響,對減少輻射劑量計(jì)算誤差、制定更為全面的輻射防護(hù)方案具有重要的科學(xué)意義。本研究在已構(gòu)建的三套分別代表偏瘦、正常和偏胖體型的中國男性可計(jì)算人體模型的基礎(chǔ)上,修正了各模型體內(nèi)的脂肪含量,并對紅骨髓組織進(jìn)行精細(xì)分割,分別將這三套改進(jìn)后的人體模型應(yīng)用于光子和質(zhì)子的均勻輻射場以及醫(yī)療輻射場中,評估體型對于人體內(nèi)電離輻射劑量分布的影響。主要研究內(nèi)容如下:(1)在已有人體模型的基礎(chǔ)上,將對電離輻射敏感的紅骨髓進(jìn)行精細(xì)劃分,并且依據(jù)脂肪成分的預(yù)測模型修正了對輻射粒子有衰減和散射作用的脂肪組織的體積。優(yōu)化后的可計(jì)算人體模型內(nèi)的脂肪含量和紅骨髓成分符合目前中國文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)中提供的參考值,提高了電離輻射劑量計(jì)算的準(zhǔn)確性,并且為紅骨髓劑量評估提供了可行性。(2)將三套不同體型的中國男性人體模型應(yīng)用于不同能量、不同照射方向的光子和質(zhì)子均勻輻射場中,計(jì)算和對比了各模型體內(nèi)各器官、各部位骨骼中的紅骨髓以及有效劑量的劑量轉(zhuǎn)換系數(shù),詳細(xì)的分析了體型對于人體內(nèi)劑量分布的影響,并揭示了目前輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中提供的劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)可能會低估偏瘦人群所受輻射劑量,以及全身紅骨髓平均劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)可能會低估某些特定部位骨骼中紅骨髓所受輻射劑量。質(zhì)子輻射場中體型對于人體輻射劑量的影響相對于光子輻射場更為顯著,體型的差異可能會導(dǎo)致人體輻射劑量的差異達(dá)到100%以上。(3)質(zhì)子治療目前在我國處于大力發(fā)展的初級階段,本研究構(gòu)建了一套可用于可計(jì)算人體模型的質(zhì)子筆形束劑量算法和質(zhì)子治療放療規(guī)劃算法,并對三套不同體型的中國男性模型的前列腺癌質(zhì)子治療進(jìn)行仿真,計(jì)算和對比了質(zhì)子治療中體內(nèi)中子的產(chǎn)額以及劑量分布。本研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)子治療中體型偏瘦的人群體內(nèi)次級粒子的產(chǎn)額較低,對正常器官的輻射劑量也較低,因此本研究建議患者在接受前列腺癌質(zhì)子治療之前可以適當(dāng)?shù)臏p輕體重。(4)放療過程中器官的形變和位移會導(dǎo)致劑量分布的嚴(yán)重偏移,本研究采用有限元分析法構(gòu)建了一系列不同體積膀胱下的盆骨部位各器官的模型,驗(yàn)證了有限元分析法預(yù)測軟組織形變和位移的可行性。然后將這套具有不同體積膀胱的人體模型應(yīng)用于前列腺癌放療的模擬中,評估了膀胱體積發(fā)生變化時(shí)對于膀胱壁和腸所受輻射劑量的影響。劑量結(jié)果表明,排空膀胱配合較小的放療計(jì)劃靶區(qū)外擴(kuò)邊界,可以達(dá)到與充滿膀胱后對膀胱壁和腸的類似的保護(hù)效果,但是排空膀胱有助于保持靶區(qū)位置的穩(wěn)定性,因此本研究建議前列腺癌放療之前讓患者排空膀胱以同時(shí)兼顧腫瘤控制率和正常組織并發(fā)癥發(fā)病概率。本研究將符合中國統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的不同體型人體模型應(yīng)用于電離輻射劑量評估中,計(jì)算得到了大量的均勻輻射場中不同體型人體所受到的輻射劑量數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)了目前僅靠參考人模型建立起來的輻射防護(hù)體系的不足,為個(gè)性化的輻射防護(hù)方案提供了數(shù)據(jù)支持,也為紅骨髓的輻射防護(hù)提供了支持;另一方面,本研究為醫(yī)療輻射中輻射劑量的評估提供了前瞻性的模擬數(shù)據(jù),本研究中構(gòu)建的質(zhì)子治療計(jì)劃算法,更進(jìn)一步的結(jié)合質(zhì)子治療設(shè)備模型,有望為質(zhì)子治療技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展提供幫助。
【圖文】：

可以輸出各個(gè)體素中的能量沉積和不確定度。逡逑１．３可計(jì)算人體模型的研究進(jìn)展逡逑可計(jì)算人體模型（圖１．１）可分為程式化模型（Ｓｔｙｌｉｚｅｄ邋Ｐｈａｎｔｏｍ）、體素模型逡逑（Ｖｏｘｅｌｉｚｅｄ邋Ｐｈａｎｔｏｍ）和網(wǎng)格模型（Ｍｅｓｈ邋Ｐｈａｎｔｏｍ）等三種。逡逑ＩｔｆｉＭ逡逑ｐ邐１邐Ｉ邋ｆ邐Ｉｆ逡逑ｌｉ邐ｂ邐ｌ邋１邐＾邋１逡逑（ａ）邐（ｂ）邐（ｃ）逡逑圖１．１可計(jì)算人體模型的種類：（ａ）程式化模型》３］、（ｂ）體素模型Ｍ和（ｃ）網(wǎng)格模型逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ邋ｏｆ邋ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ邋ｐｈａｎｔｏｍｓ：邋（ａ）邋ｓｔｙｌｉｚｅｄ邋ｐｈａｎｔｏｍ１１３＾，邋（ｂ）邋ｖｏｘｅｌｉｚｅｄ邋ｐｈａｎｔｏｍ［１４］逡逑ａｎｄ邋（ｃ）邋ｍｅｓｈ邋ｐｈａｎｔｏｍ［１５］逡逑程式化模型采用簡單幾何體的切割和組合來代表人體的組織和器官，使用一系逡逑６逡逑

對三套人體模型制定個(gè)性化的前列腺癌放療計(jì)劃，利用蒙特卡羅方法模擬質(zhì)子治療逡逑過程，，對質(zhì)子治療中體型對于次級粒子的產(chǎn)額和劑量分布進(jìn)行深入的研究。逡逑本文主要的技術(shù)路線如圖１．４所示。逡逑／邐ＶＣＨ精細(xì)骨骨各邋／邋／邋ＤＣＲＭ可變形邐／逡逑／邐模型邐ＩＩ邋ｍｍｍ邋／逡逑Ｌ邐Ｉ邋Ｉ逡逑Ｉ邋￣逡逑配準(zhǔn)逡逑Ｉ逡逑士邐？逡逑脂肪含量調(diào)整邐骨髓細(xì)胞性調(diào)整逡逑Ｉ邐Ｉ逡逑Ｉ逡逑／￣不同體型的體素邋７逡逑２邐模型邐／逡逑邐Ｊｒ邐邋邋ｉ邐逡逑有限元變形邐筆形束劑量算法逡逑邐ｊｒ邐邋邐Ｊｒ邐邋邐ｊｒ邐逡逑均勻輻射場邐３Ｄ適形放療邐質(zhì)子治療逡逑邐ｊｒ邐逡逑邐？蒙特卡羅模擬邋＜邐逡逑士邐Ｉ邐★邐逡逑／~|＿}丨，劑量丨ｚ次級Ｉ：劑量丨逡逑圖１．４本課題的研究內(nèi)容和技術(shù)路線逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４邋Ｒｏａｄｍａｐ邋ｏｆ邋ｔｈｉｓ邋ｒｅｓｅａｒｃｈ逡逑１４逡逑
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：R14

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本文編號：2626056