立体定向放疗计划中蒙特卡罗与射线追踪算法剂量计算结果的比较

G4射波刀治疗计划系统提供了射线追踪算法和蒙特卡罗算法(MC算法)两种剂量算法.射线追踪算法利用射线追踪函数来计算计划设计中每个射束的靶区体素(最大剂量点)的累积剂量,只对主要路径上不均匀介质的校正[1].MC算法采用的是随机抽样的模拟方法,模拟光子在入射路径上的能量沉积,考虑了非均匀介质的散射剂量的影响.MC算法是与福克斯·蔡斯癌症中心(美国)联合开发,采用了方差缩减方法,利用体素模型将各种材料视为与密度可变的水等效,利用电子迁移算法计算可变密度水的吸收剂量[2].随着低分次、大剂量照射方式的广泛应用,对剂量计算的准确性要求越来越高,MC算法具有很高的计算精度,尤其是在显著的非均匀介质中,如肺等空腔脏器[3].本研究选取相对均匀组织(如头部、肝脏等)和显著非均匀组织(如肺等)进行剂量计算,对两种算法的计算结果进行比较和评价.     

模拟失重骨细胞条件培养基对成骨细胞活性的影响

目的 探讨三维随机回转模拟失重培养后的骨细胞条件培养基(RCM)对成骨细胞活性的调节作用.方法 采用三维随机回转模拟失重培养小鼠骨细胞系MLO-Y448 h后,收集回转条件培养基(RCM)和未回转对照组的条件培养基(CCM),用四甲基偶氮唑盐比色(MTT)法、对硝基苯磷酸(pNPP)法和流式细胞术(FCM)检测RCM对小鼠成骨样细胞系MC3T3-E1增殖、周期及细胞分泌碱性磷酸酶(ALP)活性的影响.结果 三维随机回转48 h后的MLO-Y4 RCM可促进 MC3T3-E1增殖,用100%的MLO-Y4RCM和CCM培养 MC3T3-E1 48 h和72 h后,RCM组比CCM组分别增加了1.21和1.27倍,差异性极显著(P<0.001);周期检测结果表明,RCM可以使MC3T3-E1越过周期阻滞点(S期);MC3T3-E1的ALP活性在RCM组和CCM组之间无差异.结论 三维随机回转模拟失重培养骨细胞48 h后的条件培养基促进了成骨细胞的增殖;并使成骨细胞的周期越过阻滞点,对成骨细胞的ALP活性无影响.     

蒙特卡罗模拟方法结合不同体模在剂量估算中的应用

随着核与辐射在人们日常生活中的应用越来越广泛,其所带来的危害也备受关注。剂量估算是辐射技术应用的重要一环,估算出人体所受的剂量对评价辐射造成的确定效应与随机效应起着重要作用。蒙特卡罗（MC）模拟与人体参考模型结合可对核事故、医疗照射和环境的辐射剂量进行估算,是一种快速且对硬件要求较少的剂量估算方法,目前正面临模型开发和计算耗时的瓶颈,笔者对此现状进行综述。     

基于实验与蒙特卡罗模拟法探究125I粒子间剂量衰减

目的 研究多颗¹²⁵I放射性粒子间剂量衰减规律.方法 利用Geant 4软件包进行蒙特卡罗模拟单颗粒子和多颗粒子周围剂量分布,将模拟结果与TG43-U1报告中推荐剂量计算方法所得结果进行对比,并利用实验测得数据验证蒙特卡罗模拟结果.结果 单颗粒子周围剂量分布的蒙特卡罗模拟结果与TG43-U1计算和实验结果差值分别在±3%和±5%以内.多颗粒子的蒙特卡罗模拟结果对比TG43-U1线性叠加结果,粒子间剂量衰减为3.8%~13.2%,平均剂量衰减为7.2%,实验所得结果与蒙特卡罗模拟结果差值在6%以内.结论 空间中存在多颗放射性¹²⁵I粒子时,由于粒子间的相互影响导致7%左右的剂量衰减,其最大值可超过13%,在人体组织中剂量衰减值会更大.因此,利用TG43-U1方法进行线性叠加计算临床中的剂量分布不够精确.     

基于DPM的调强放疗计划剂量验证工具的实现

目的 基于简单快速蒙特卡罗程序DPM（dose planning method）,通过植入照射源模型并改进程序,解决DPM中无法实现任意角度入射和非规则非均匀野模拟的问题,使其成为调强放疗计划系统的实用蒙特卡罗剂量验证工具。方法 通过加速器反演出的能谱结合优化给出的强度图模拟加速器的粒子输运过程。使用虚拟点源结合反演出加速器能谱模拟了加速器的照射源部分,基于DPM的粒子输运物理模型,结合调强放疗计划中的照射野强度分布,以及出射粒子的权重与强度图中的强度相结合,实现了算法。结果 通过将DPM模拟计算的规则野结果与三维水箱测量数据对比了百分深度剂量（PDD）和百分离轴剂量（OAR）,误差在野内<2%,半影2~3mm。以及DPM模拟计算非规则野的结果与有限笔形束剂量计算方法FSPB计算结果的对比,趋势符合,γ分析通过率为95.1%,误差都在允许范围内。校验了改进的DPM的功能和计算精度。结论 植入简便照射源模型的DPM程序相较于经典蒙特卡罗程序,速度较快,计算精度和时间可以满足临床需求,可以作为调强放疗计划系统中剂量验证工具。     

基于DNA双链断裂损伤簇的相对生物效能模拟计算

目的从追溯辐射引起的DNA损伤机制出发, 根据基本的生物物理原理获取DNA双链断裂(DSB)损伤簇表示的相对生物效能(RBE)值, 探讨DNA损伤与染色体畸变、生殖细胞死亡生物效能的相似性。方法以低能电子、质子、α粒子作为研究对象, 通过辐射物理化学模型, 模拟细胞核受粒子辐射的过程。在基于损伤点密度的含噪声密度聚类(DBSCAN)算法的基础上, 改进DSB损伤簇分类方法, 以减弱模拟过程中损伤点与能量沉积随机分布假设的联系, 使得DSB损伤簇更接近于非随机分布。计算获得DSB损伤簇的产额, 提出以DSB损伤簇计算RBE值的方法。结果 2 MeV α粒子的DSB损伤簇RBE值(12.29)与生物实验中染色体片段(15.3±5.9)、细胞存活(14.7±5.1)表示的RBE相近。结论高传能线密度(LET)电离辐射后, 不同于简单DSB, DSB损伤簇的RBE与染色体畸变、细胞存活生物效能存在一定的相似性。     

模拟微重力条件下成骨生长肽促进MC3T3-E1成骨样细胞的增殖与分化

目的研究回转模拟微重力(simulated microgravity,SMG)条件下成骨生长肽(OGP10-14)对MC3T3-E1成骨样细胞增殖与分化的影响。方法利用回转器模拟失重,MTT法检测OGP10-14对回转24 h,48h,72 h MC3T3-E1细胞增殖的效应,并观察培养液中碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)、骨桥素(osteopontin,OPN)活性变化。结果回转模拟微重力条件下,10-8mol/L OGP10-14能够显著促进成骨细胞系MC3T3-E1的增殖(P<0.01)并促进成骨细胞系MC3T3-E1的ALP和OPN活性。结论回转模拟微重力条件下,OGP10-14对成骨细胞系MC3T3-E1的增殖与分化具有促进作用。     

模拟失重对前成骨细胞MC3T3-E1内钙离子浓度的影响

目的：研究模拟失重对前成骨细胞MC3T3-E1内钙离子浓度的影响。方法：利用回转器模拟失重条件培养前成骨细胞MC3T3-E1 48h。然后将细胞用Fluo-3AM标记,使用激光共聚焦显微镜和流式细胞仪检测细胞内钙离子浓度。结果：模拟失重条件培养后,细胞内钙离子浓度检测显示,与对照组相比,模拟失重组细胞内钙离子浓度降低。流式细胞仪结果显示,与对照组相比,模拟失重组细胞的荧光阳性率显著降低,提示模拟失重可以抑制细胞活性。结论：模拟失重导致前成骨细胞MC3T3-E1内游离钙离子浓度降低,并可能抑制细胞活性。     

基于梯度矢量流与粒子群优化算法的多模态医学图像配准

目的研究用梯度矢量流与粒子群优化算法实现多模态医学图像配准,提高配准的精度。方法算法对图像配准的特征空间、相似性测度、搜索策略3个方面进行改进：先由原始图像产生梯度矢量流场,作为配准的特征空间;然后提出并计算3种基于梯度矢量流场的相似性测度;最后使用结合了遗传算法交叉机制的粒子群优化算法找到两幅图像的最优变换。结果对仿真及实际医学图像的54次配准实验,表明该方法配准精度优于基于像素的粒子群优化方法和Walsh变换法。结论基于梯度矢量流与粒子群优化算法的图像配准方法能有效地实现多模态医学图像的配准。     

α核素非均匀微观分布对细胞微剂量的影响

目的探讨放射免疫治疗中α核素在细胞水平上非均匀微观分布对细胞S因子的影响。方法利用蒙特卡罗方法随机模拟α粒子的发射;基于连续慢化近似模型,根据α粒子剩余射程-能量的关系,采用插值法计算α粒子入射动能和出射动能,得到其在靶区内的能量沉积。以213Po为例,计算了不同细胞大小及核素不同微观分布（均匀分布、中心分布、随核素距细胞中心的距离线性递增、线性递减、指数递增、指数递减）下细胞对细胞的S因子。结果213Po均匀分布下的S（C←C）与Hamacher给出的结果符合得很好;不同微分布下的S（C←C）有显著差别。分析表明,核素不同微观分布所造成的α粒子在靶区内运动的平均弦长的显著变化,以及由此产生的α粒子平均碰撞阻止本领的变化,是造成细胞S因子有显著差别的主要原因。结论放射性核素非均匀微分布类型显著影响细胞S因子的大小,在估算细胞吸收剂量时应予以重视。     

组织等效介质中正离子径迹周围剂量分布特性研究

目的探讨正离子在人体组织（或组织等效介质）中能量沉积的微观特性。方法在对人体组织材料进行分析的基础上,确定了密度为1g/cm^3水蒸汽作为组织等效材料的合理性,利用MC粒子输运技术模拟了质子在介质中的微观行为。通过对计算所得数据进行系统分析,得出正离子在组织等效材料中能量沉积微观特性的一些规律与特点。结果在介质中正离子除使原子激发损失能量之外,还会通过电离的方式,把其能量交给次级电子,最后由电子完成其能量沉积过程。所以,正离子在介质中发生能量沉积时,大部分能量沉积在径迹芯上,次级电子主要在径迹芯以外发生能量沉积,从而在介质中形成特定的剂量分布形式。结论正离子在介质中产生的剂量分布研究对于探讨辐射生物效应具有重大意义。     

1 G和模拟微重力下前列腺癌细胞PC-3对小鼠成骨样细胞MC3T3-E1增殖和活性的影响

目的　探讨1 G和模拟微重力条件下前列腺癌细胞分泌物对成骨细胞增殖和活性的影响,以期今后用于对抗微重力导致的骨质丢失以及常人的骨质疏松。　方法　1 G条件下,将小鼠成骨样细胞MC3T3 E1与人前列腺癌细胞PC 3分别接种在混合培养板的外室和内室中培养48 h, 用MTT法检测MC3T3 E1的增殖、用PNPP法检测MC3T3 E1 的碱性磷酸酶(ALP)活性。回转器模拟微重力条件下,将培养过PC 3的培养液加入到培养24 h的MC3T3 E1培养瓶中,培养瓶固定于回转器,转速20 r/min 下继续培养48 h 后,用MTT 法检测MC3T3 E1 的增殖、用PNPP 法检测MC3T3 E1的ALP活性。　结果　1 G条件下,与PC 3混合培养后,MC3T3 E1的增殖和ALP活性均较对照组有显著增加(P<0 05)。回转模拟微重力条件下MC3T3 E1 的增殖和ALP活性比静止对照组有显著下降(P<0 05),与微重力可导致骨质丢失的现象相一致。回转培养、加PC 3 培养液的MC3T3 E1的增殖和ALP活性比回转对照组有增加趋势,但不具统计学意义(P>0 05)。　结论　前列腺癌细胞确实分泌了某种因子可刺激成骨细胞的增殖和活性,模拟微重力条件的实验结果没有1 G条件的显著,这可能是实验方法不同所导致,有待进一步深入研究。     

加压供氧面罩无余压时呼气阻力的数值模拟

目的 用数值模拟的方法获得加压供氧面罩无余压状态下呼气活门的呼气阻力。方法 采用呼气活门静态特性方程与流场控制方程耦合求解的方法，计算加压供氧面罩呼气活门的呼气阻力。流场计算中，在同位网格上采用了SIMPLER方法和κ-ε两方程湍流模型，用QUICK格式对控制方程进行了离散。结果 数值模拟结果与实验结果吻合较好。结论 本文中提出的数值模拟方法正确，计算结果满足工程精度要求。     

中子弹核爆炸早期核辐射剂量的研究

目的：探讨中子弹核爆炸辐射场内瞬发中子和γ辐射的个人吸收剂Dp(10）空间分布情况。方法：对中子弹结构和原理分析的原理分析的基础上,通过建立模型,利用蒙卡罗方法（MC）粒子输运技术进行计算。结果：通过对所得数据进行系统分析,得出中子弹核爆炸瞬发中子和γ辐射的个人吸收剂量Dp(10)数值在空间分布上一些规律与特点。结：中子弹核爆炸不仅会产生高能中子辐射,而且也会产生强烈γ辐射,同时对1kt中子弹核爆炸后瞬发辐射的杀伤威力进行了评估。     

用蒙特卡罗方法计算土壤中光子发射体的外照射剂量率转换因子

目的:用蒙特卡罗方法的MCNP、GEANT和MC三种程序分别计算均匀分布在无限大土壤中光子发射体的外照射剂量率转换因子Dcf,并比较其计算结果。方法:1MCNP程序是一种蒙特卡罗辐射输运程序,它能数字化的模拟中子、光子和电子输运。无限大土壤用高为1m、直径为40m的圆柱体来模拟,空气用高为1.5m、直径为40m的圆柱体来模拟,它们的Z轴相同。用此程序计算8种均匀分布在土壤中不同的光子发射体发射的能量范围在200～3000keV之间的光子外照射剂量率转换因子Dcf。使用两种虚拟探测器:点探测器,计算点取在Z轴离土壤1m处的空气中;半径为40cm的球探…     

3D打印共面模板辅助CT引导放射性粒子植入精度研究

目的 利用两种模体研究3D打印共面模板辅助CT引导放射性粒子植入精度,并比较两种模体差异,为放射性粒子植入提供参考。方法 在近距离治疗计划系统设计进针路径并获取针尖坐标值,按照进针路径分别在定制模体和肝脏模体插入植入针,植入金标,退针10 mm,植入冷源,分别记录针尖、金标、冷源坐标,通过计算空间两点之间的距离获取植入针精度,第1颗粒子精度,拔针后粒子的精度,通过独立样本t检验,比较上述精度在两种模体中的差异。结果 3D打印共面模板辅CT引导放射性粒子植入穿刺针精度,第1颗粒子精度及拔针后粒子精度在定制模体和肝脏模体中分别是（1.89±0.72）和（2.14±0.88） mm （P>0.05）,（2.03±1.14）和（2.42±1.12） mm （P>0.05）,（-1.96±1.29）和（-2.82±0.91） mm （t=2.09,P=0.046）。结论 3D打印共面模板辅CT引导放射性粒子植入具有高效,稳定、精确,在两种模型中精度差异较小。     

模拟微重力条件下奥金肽对MC3T3-E1前成骨细胞增殖的影响

目的：研究模拟微重力（simulated microgravity,SMG）条件下奥金肽（osgentide, OST）对小鼠前成骨细胞MC3T3-E1增殖功能的影响。方法在正常细胞培养环境下,利用MTT法检测6种OST化合物对MC3T3-E1细胞增殖的影响,从中筛选出有效作用浓度的化合物,进一步利用 MTT 实验及流式细胞术分别检测 SMG 条件下1 nmol／L OST5对MC3T3-E1细胞的增殖效应及细胞周期的分布。结果在正常细胞培养环境下,1 nmol／L OST5对MC3T3-E1细胞的增殖具有显著促进作用（P＜0．01）。 MTT实验结果表明,与正常细胞培养环境相比,MC3T3-E1细胞在SMG条件下其增殖受到显著抑制。在SMG条件下,用1 nmol／L OST5处理MC3T3-E1细胞（ OST-SMG）3 d,流式细胞术检测结果表明,SMG促使更多的MC3T3-E1细胞进入G1期。1 nmol／L OST5处理MC3T3-E1细胞后S期比例比SMG条件下显著提高（P＜0．05）,表明OST5能够促进DNA合成。结论在SMG条件下,OST5能够促进成骨细胞的增殖,为研究OST5对模拟微重力相关的骨丢失防治提供了理论依据。     

球形石墨空腔电离室壁修正因子的测量与验证

目的探讨球形石墨空腔电离室壁修正因子（kwall）的确定方法。方法用实验外推方法测量NIM10cm^3和NIM30cm^3球形石墨空腔电离室在^60Coγ射线下的壁修正因子Kwall，并且采用Monte Carlo（MC）模拟计算方法对实验得出的壁修正因子Kwall结果进行验证。结果实验和计算结果的比较表明，对于NIMl0cm^3和NIM30cm^3球形石墨空腔电离室，采用传统的“几何厚度”外推法确定的壁修正因子比MC模拟计算结果偏低约1．0％，而采用“等效平均厚度”外推法与MC模拟计算结果在0．45％内吻合。对美国标准技术研究院（National Institute of Standards and Technology NIST）的国家空气比释动能基准组中的NIST30cm^3和NIST50cm^3球形石墨空腔电离室在^60Coγ射线下的壁修正因子Kwall进行了MC模拟计算，计算结果与NIST发布的值在0．06％内吻合。结论实验外推和MC计算方法所得到的球形石墨空腔电离室在^60Coγ射线下的壁修正因子Kwall结果与国外其他国家基准实验室结果相符合。     

评估胎儿辐射剂量的不同方法的比较

正摘要目的利用病人特异性蒙特卡罗(Monte Carlo,MC)模拟和商业软件包(CSP)对文献中用于评估胎儿辐射剂量(D_(胎儿))的不同方法进行比较。方法孕妇腹盆部CT检查的     

放射性125I粒子离体照射模型的建立和测量

目的建立放射性^125I粒子离体照射模型,研究模型中离体细胞照射平面的剂量和剂量分布。方法应用14颗粒子环形排布的照射模型,用临床上常用的6711型^125I粒子。实验前随机抽取20%的粒子校正,应用TLD元件对模型进行测量。先用37MBq的^125I粒子照射6d,测量细胞平面受照剂量并计算初始剂量率;然后用同样活度的^125I粒子照射10d后测量,与用公式计算的照射剂量值进行比较。结果TLD标定：测量读数和照射剂量拟合为线性关系。单颗粒子活度测量值与出厂标定值相差〈±5%。照射6d测量细胞平面累积剂量为1.58Gy,计算初始剂量率为0.273Gy/d;照射10d的测量值和理论计算值分别为2.43和2.57Gy,两者相差5.76%。根据对模型的测量和计算,可推导出在不同的初始剂量率下受照剂量和照射时间的关系。结论建立的放射性125I粒子离体照射模型简便实用,可用于放射生物学实验研究。受照剂量与照射时间关系的建立,为今后开展放射性125I粒子相对生物效应的研究和对肿瘤细胞作用机制的研究奠定基础。