电子束在均匀水介质中平均能量计算方法的研究

目的：混合笔束模型可以有效地计算电子在类人体介质中的三维剂量分布。入射电子束在介质中不同深度上平均能量的计算精度影响混合笔束模型的计算精度。本文以Monte Carlo的模拟结果为参考,在均匀水介质中,对现有计算电子在不同入射深度上平均能量公式的精度进行评估。方法：将几种计算电子束平均能量公式的计算结果与Monte Carlo模拟结果进行比较。结果：比较了6 MeV、9 MeV、12 MeV、15 MeV和20 MeV电子束的计算结果与Monte Carlo模拟结果表明,对高能电子束现有公式可以有效地计算电子平均能量;对低能电子束,现有公式的计算结果存在较大误差,从而会影响混合笔束模型的计算精度。结论：为了提高混合笔束模型的计算精度,有必要对计算电子束平均能量的方法进行进一步的研究。     

后装放疗剂量验证软件研究

目的 报道一套独立后装放疗剂量验证软件的实现方法和结果。方法 后装放疗剂量验证软件采用模块化结构设计,以Visual C++为开发平台,剂量计算算法采用AAPM TG 43报告推荐的公式。回顾性选择已完成治疗的宫颈癌患者6例,每例患者都使用了不同的施源器,用剂量体积直方图参数和γ通过率(0.1cm,5%)评估验证软件和计划系统剂量计算结果的偏差。结果 与计划系统剂量计算结果相比,验证软件剂量计算结果的γ通过率均>98%。靶区D100%和D90%的偏差最大值分别为0.29%和0.53%,危及器官D0.1cm³、D1cm³、D2cm³的偏差均<0.5%。结论 仅需极少的人机交互,该剂量验证软件能验证后装临床治疗计划剂量计算的准确性。     

Geant4中不同物理列表对硼中子俘获治疗剂量分布的影响

Geant4是基于C++编写的开源蒙特卡洛模拟软件,提供多种包含中子与物质相互作用的物理列表。本研究采用Geant4提供的几种物理列表,对沿中子束方向的总吸收剂量、硼剂量和非硼剂量深度分布进行计算,并与FLUKA进行比较,模拟中子能量从0.025 3 eV到10 MeV。对于整个模拟中子能段,结果显示添加S（α, β）热模型的高精度中子物理列表（Geant4_HP_T）在总吸收剂量、硼剂量和非硼剂量深度分布上均与FLUKA符合很好,初步验证了Genat4能应用于硼中子俘获治疗（BNCT）相关研究。对于低能中子（<1 MeV）,S（α, β）热模型对BNCT剂量深度分布的影响较大,QBBC和QGSP_BERT不适用于BNCT剂量分布计算。     

调强计划对射野角度敏感性的研究

目的:通过改变调强计划中各射野的角度,探究调强计划对射野角度的敏感性,为调强计划设计角度的选择提供科学指导。方法:选择首治鼻咽癌患者三例做调强放疗计划。每例计划均由有多年经验的物理师来做。之后分别在做好的计划基础上,只对射野的角度作调整其他参数的设置保持不变,射野角度做10°大小的改变。经逆向优化、剂量计算后用等剂量曲线和剂量-体积直方图(DVH)评价治疗计划,并分别记录每次改变角度后靶区剂量和靶区周围重要器官的受量,评价参数包括:PTV靶区的D5%、D95%、平均剂量(mean dose)、适形度(TVR)、剂量不均匀性指数(HI)和靶区周围重要器官的受量等。结果:在这些评价参数中仅鼻咽癌病例3的PTV靶区的D95%(P=0.01)和鼻咽癌病例2脊髓最大受量(P=0.01)有显著性差异(P<0.05),即有统计学意义。其他评价参数均较接近,差异无统计学意义(P>0.05)。即在不同射野角度组合的调强计划中,评价数据大都无显著性差异。结论:改变射野角度,调强计划靶区剂量和危及器官受量总的来说变化不明显,即调强计划对射野角度小范围(10°以内)改变不敏感。     

调强放疗中剂量引导的自适应处方剂量优化方法

目的:根据处方剂量与实际剂量的差距自动优化目标函数中体元的处方剂量,达到优化治疗计划质量的目的。方法:根据常规的处方剂量设置方法和基于体元的自适应处方剂量优化方法,选取病例进行计划设计和优化,并对比两种计划的剂量-体积直方图和相关剂量学参数。结果:相对于常规计划,自适应计划中靶区的最大剂量降低,热点减少,剂量分布更加均匀,并且危及器官受到的剂量减小,经过优化的计划所有参数均满足剂量目标。结论:自适应处方剂量优化方法能够优化放疗计划,可以被集成到计划系统中用于临床。     

基于蒙特卡洛的医学图像重建体积计算算法GPU加速研究

目的:确定基于蒙特卡洛算法计算体积的精度及提高其速度,为医学图像的应用领域快速提供可靠的数据。 方法:在FonicsPlan计划系统平台上,实现基于蒙特卡洛方法的体积计算,并使用C++AMP对算法做GPU并行加速,然后对体积计算结果在精度和速度上进行比较分析。 结果:与像素累加法、体元累加法相比,蒙特卡洛算法的准确性最高但其算法用时也最长。通过充分利用计算机的显卡计算性能,可将计算速度平均提高50倍。 结论:经GPU加速后的蒙特卡洛算法在计算体积的速度和精度两方面都能满足临床要求,在医学图像处理及临床诊疗具有较高的应用价值。     

体元大小对基于MonteCarlo的剂量计算的影响

目的：在放射治疗计划系统中,剂量计算之前需要对人体密度数据体元化。对于蒙特卡罗方法的模拟过程,当一个自由程跨过体元界面时,会应用自由程近似。选取的体元越小,将导致越多的自由程近似。本文采用蒙特卡罗方法模拟一个虚拟射线源入射到水箱中的反应,计算水箱中的剂量分布,通过比较水箱分层和不分层两种情况下中心轴百分深度剂量分布和离轴比分布,来探讨选用不同大小的体元对剂量分布的影响。方法：本文以6MeV的方形电子射线源为外照射源、以三维水箱为介质模型。使用PENELOPE程序包模拟电子束垂直入射到水箱中引起的电子与物质的相互作用。比较水箱在分层和不分层情况下中心轴百分深度剂量和离轴比分布。结果：通过比较水箱在分层和不分层情况下中心轴百分深度剂量和离轴比分布,发现差异很小。结论：选用不同大小的体元,蒙特卡罗近似处理自由程对剂量计算精度的影响很小。研究结果对蒙特卡罗方法在放射治疗中的临床应用具有指导意义。     

后装放疗剂量验证软件研究

目的 报道一套独立后装放疗剂量验证软件的实现方法和结果。方法 后装放疗剂量验证软件采用模块化结构设计,以Visual C++为开发平台,剂量计算算法采用AAPM TG 43报告推荐的公式。回顾性选择已完成治疗的宫颈癌患者6例,每例患者都使用了不同的施源器,用剂量体积直方图参数和γ通过率(0.1cm,5%)评估验证软件和计划系统剂量计算结果的偏差。结果 与计划系统剂量计算结果相比,验证软件剂量计算结果的γ通过率均>98%。靶区D100%和D90%的偏差最大值分别为0.29%和0.53%,危及器官D0.1cm³、D1cm³、D2cm³的偏差均<0.5%。结论 仅需极少的人机交互,该剂量验证软件能验证后装临床治疗计划剂量计算的准确性。     

Geant4中不同细胞模型和物理过程在硼中子俘获治疗中的研究

目的:在硼中子俘获治疗(NBCT)中,细胞内的剂量分布常常利用蒙特卡罗模拟进行评估。在这个过程中,细胞模型的建立及带电粒子与物质相互作用的物理过程的选用会对结果产生影响。通过对比不同细胞模型以及物理过程之间的差异来提高Geant4在BNCT中模拟的正确性。方法:利用Geant4模拟了BNCT中产生的α粒子和7Li粒子在真实细胞模型和简单细胞模型中选用Penelope Physics和Livermore Physics物理过程时的射程、细胞核中的平均比能和单事件谱。结果:比较了射程、细胞核中的平均比能和单事件谱在不同细胞模型和物理过程中的模拟结果,结果表明两种物理过程的模拟结果一致;而在不同的细胞模型中的射程、平均比能的最大差异分别为8.3%和26%,单事件谱最高峰位的最大差异为25%。结论:Geant4在BNCT中的模拟可以使用任意两个物理过程,而细胞模型的选用则需仔细考虑。研究结果为Geant4在BNCT模拟时选用哪种细胞模型与物理过程提供参考,提高了模拟的正确性。     

构建混合多尺度神经网络自动分割Graves眼病的放疗临床靶区

目的：构建混合多尺度神经网络（HMnet）实现放疗临床靶区的自动勾画,提供一个高精度的CT影像自动分割模型。方法：HMnet是一种端到端的卷积神经网络,使用深度残差网络提取特征,由4个不同内核的卷积层组成的多尺度特征融合模块进行处理,以适应不同尺度大小的临床靶区;再引入注意力残差模块对多尺度特征融合模块输出的有效特征进行强化。共采用117例Graves眼病病例的CT影像数据和临床靶区轮廓训练和评估HMnet,选择骰子相似系数（DSC）、95%豪斯多夫距离（95HD）作为评估指标。结果：采用HMnet进行Graves眼病放疗临床靶区自动勾画的DSC为0.874 9,95HD为2.525 4 mm,均优于Unet、Vnet、ResAttUnet3D网络,也优于同一位医生两次勾画结果的平均DSC。结论：HMnet能准确实现Graves眼病放疗临床靶区的自动勾画,可提高放疗医生的工作效率及勾画的一致性。