扫描治疗头的蒙特卡罗模型研究

目的:评估质子治疗中扫描治疗头对束流品质的影响。方法:通过扫描治疗头的蒙特卡罗模型研究深度剂量曲线的变化,计算射程移位器对束斑截面的影响以及分析扫描磁场对单质子束的偏转情况。结果:随着能量的增加,质子在水中的射程增加,同时散射也越严重,最终布拉格峰变宽,尾端变胖。相比于直接入射水模,通过治疗头后质子在水中的射程缩短了约0.6 cm,但布拉格峰形基本保持不变;将4 cm厚度聚乙烯射程移位器放置于距离水模表面0、10、20、30、40和50 cm分别进行独立计算,发现与水模距离越远,质子的散射越大,因此治疗过程中射程移位器应尽量靠近患者;当扫描磁铁加载磁场后,束斑将偏离束流中心。设置纵向扫描磁场Bx=0.1 T,横向扫描磁场By=0.3 T,180 MeV质子束在Y方向偏离了2.693 cm,横向扫描磁场使质子在-X方向上偏离了8.427 cm。当束流有偏转的时候,要求射程移位器横截面足够大以满足宽扫描场的需要。结论:扫描治疗头的蒙特卡罗模型将有助于理解质子治疗这一新兴的放疗方法以及熟悉扫描治疗的束流特性,在调试和质量保证中提供参考。     

横向均匀磁场对高能电子束剂量分布影响的蒙特卡罗研究

本文采用蒙特卡罗方法研究了横向均匀磁场下,高能电子束在均匀水模中的剂量分布特点。结果显示磁场对电子束剂量分布产生了明显影响。这些影响包括电子束的射程明显降低且在射程末端形成很高的剂量峰值,并随后产生迅速的剂量跌落。此外,峰值与表面剂量比值也大幅增加。模拟结果表明,适当的磁场和电子线能量可以产生类似于重离子的深度剂量分布特性,这意味着磁场条件下的电子线放疗具有相当大的应用前景,但同时为相应的剂量算法研究带来了新的挑战。     

利用蒙特卡罗模拟评估空气间隙对点扫描质子治疗的剂量影响

目的:利用蒙特卡罗模拟探究空气间隙对点扫描质子治疗的剂量影响。方法:利用通用蒙特卡罗程序Geant4平台构建使用射程移位器的治疗头末端的点扫描质子束流模型,并进行验证。模拟计算不同能量、不同射程移位器、不同束斑尺寸、不同束斑数目在不同空气间隙条件下的质子束流在水模体中的剂量沉积,并通过获得的积分深度剂量生成剂量修正因子对剂量的差异进行比较。结果:不同空气间隙会造成剂量损失,随空气间隙增大而增大,随水模体中深度增加而减小。对于能量更高的射束和使用水等效厚度更薄的射程移位器,剂量损失越大。束斑尺寸改变和束斑数目增加较少时造成的剂量损失与同条件下单一束流无显著差别。结论:当使用射程移位器、肿瘤位置较浅、空气间隙较大时,建议建立剂量修正因子数据库应用于治疗计划系统对剂量进行修正。     

一种新型质子治疗剂量递送系统的设计研究及模拟验证

目的:针对激光等离子体加速的质子束流特性,设计用于剂量递送的新型紧凑治疗头系统,并通过模拟计算验证该方法的有效性与适用性。方法:基于实验上已实现的激光质子束流参数,利用散射体设计软件NEU（Nozzles with Everything Upstream）进行流线型散射体设计。通过散角选择和能散调制进一步优化剂量递送效率,并利用蒙特卡罗模拟计算软件TOPAS（TOol for PArticle Simulation）及底层的Geant4（GEometry ANd Tracking）计算引擎分析并验证激光质子通过此剂量递送方法后水模体中的剂量分布。结果:在直径6 cm、高5 cm的圆柱形靶区内,深度剂量分布平坦度在±1%以内,横向剂量分布在±3%以内。结论:此剂量递送方法及系统适用于现阶段激光质子束流特性,水模体靶区内剂量递送均匀、高效且稳定。     

基于临床质子加速器的DeepPlan笔形束模型构建

目的:基于佛罗里达大学质子放疗中心（University of Florida Health Proton Therapy Institute, UFHPTI）质子加速器在笔形束扫描模式下的临床实验数据,在DeepPlan中构建相应模型,验证模型构建的准确性并初步应用于临床前列腺癌的剂量计算。方法:在DeepPlan质子模块中建立UFHPTI质子加速器的笔形束计算模型,并将剂量计算结果与临床实验数据进行对比,包括30组积分深度剂量（Integrated Depth Dose, IDD）、30组空气中质子束斑发散大小、1组多能量多点照射下的纵向扩展布拉格峰（Spread Out Bragg Peak, SOBP）和横向剂量分布,以此验证模型构建的准确性。最后以UFHPTI的两个前列腺癌临床放疗计划为指导,将DeepPlan计算结果与商用放疗计划系统RayStation计算结果通过PTW公司的VeriSoft软件进行gamma分析。结果:DeepPlan质子模块计算产生的30组IDD与UFHPTI加速器的临床实验数据平均相对误差为0.01%,最大相对误差为0.23%;30组空气质子束斑发散大小与临床实验数据平均相对误差为0.15%,最大相对误差为1.14%。在多能量多点照射下,DeepPlan质子模块计算产生的SOBP与临床实验数据平均相对误差为1.07%,最大相对误差为3.91%;横向剂量分布和临床实验数据平均相对误差为1.92%,最大相对误差为4.09%。针对两个前列腺癌的放疗计划,DeepPlan质子模块与RayStation计算的三维剂量结果在以3 mm/3%的标准下每个子野的gamma通过率都达到95%以上,其中病例1两个子野（270°和90°方向）的gamma通过率分别为96.4%和97.5%,病例2两个子野（270°和90°方向）的gamma通过率分别为99.3%和98.9%。结论:在DeepPlan中构建了与UFHPTI质子加速器相匹配的笔形束模型,该模型可初步应用于临床前列腺癌的剂量计算。     

DPM蒙特卡罗剂量计算算法在均匀组织和非均匀组织剂量精确性的验证

验证DPM蒙特卡罗剂量计算算法预测均匀组织和非均匀组织剂量的精确性。DPM分别计算:①6 MeV单能光子3cm×3cm照射野和Varian 60℃加速器源水模体百分深度剂量曲线和10cm深度处离轴比;②6 MeV单能光子3cm×3cm、10cm×10cm照射野分别在水(6cm)/肺(6cm)/水(8cm)、水(6cm)/骨骼(2cm)/水(12cm)非均匀组织的百分深度剂量曲线;③6MeV单能光子6cm×6cm照射野人体头部和腹部组织在射野内和射野外的百分深度剂量曲线。比较DPM计算值与DOSXYZnrc/EGSnrc系统在相同条件下的计算值。结果显示二者计算值在水模中的误差在±3%以内,在非均匀组织中,除了个别点,误差都在±3%以内。DPM能够精确计算均匀组织和非均匀组织剂量。     

G4射波刀治疗头的蒙特卡罗模拟

用BEAMnrc程序代码构建G4射波刀治疗头,用DOSXYZnrc程序代码计算6种不同准直器射野的百分深度剂量及离轴比。通过与测量数据对比,分别微调次级准直器大小,从而确保模型的合理构建,并借助BEAMDP程序代码分析射波刀射束中光子谱分布及平均能量、粒子能谱分布及角分布等特点。结果显示各射野的百分深度剂量误差均在2%以内;在辐射野范围内,对于20 mm的射野,蒙特卡罗方法计算的离轴比与测量值间的误差在3%以内,而对于20 mm的射野,误差最大不超过5%;光子谱峰值能量为0.380 MeV,光子平均能量为1.570 MeV;出射光子强度比电子强度高出3个数量级;光子角分布集中在与中心轴成5°的范围内,而电子角分布范围较大。这些信息对临床与辐射防护有一定意义,该模型也为射波刀剂量学特点的后续研究提供了基础。     

多叶准直器叶片到位偏差对调强放射治疗剂量的影响

目的:通过修改病人计划MLC文件,人为的设置MLC偏移距离,来了解MLC到位偏差对于剂量学的影响。方法:随机筛选13个病人的调强计划,提取计划MLC文件进行修改,使MLC叶片在运动方向上相对于原叶片文件位置分别有1 mm和0.6 mm以及0.3 mm的偏移。将其中7位患者计划叶片文件位置设置为两侧叶片分别在张开方向上有1mm、0.6 mm、以及0.3 mm的位移相对于原叶片文件位置,记为A组,另外6位患者叶片文件对于原叶片文件两侧叶片分别在闭合方向上有1 mm、0.6 mm、0.3 mm的位移,记为B组。将修改过后的MLC文件重新导入到Varian Eclipse计划系统,通过二维半导体剂量矩阵Mapcheck测量实际等剂量曲线,与原计划计算所得剂量曲线进行验证比较。结果:在所有位移程度下,A、B两组所测数据以相对剂量为标准时验证通过率与未作修改组验证通过率相差均不明显,当以绝对剂量作为验证标准时,当叶片位移达到0.6 mm以上时,A、B两组验证通过率均有大幅下降,其中以A组更为明显。结论:当MLC叶片在位移在0.3 mm以内时,对剂量影响在可接受的范围以内,且较相对剂量为标准,利用绝对剂量做为剂量验证标准时更具有实际意义。     

GATE在核医学成像和放射治疗中的蒙特卡洛模拟

目的:探讨GATE在核医学成像SPECT和PET、光子和质子放射治疗中的蒙特卡洛模拟,并利用GATE平台研究碳纤维床板对光子放疗时剂量的影响。方法:首先模拟运行GATE V6.1提供的三个例子,分别对应于SPECT、PET和RT,其中RT又分为光子治疗和质子治疗。对SPECT和PET模拟中光子的散射情况进行统计分析,详细比较RT模拟中光子束和质子束在水模体中的能量沉积特性。然后在GATE平台上编程模拟了光子治疗束分别在有碳纤维床板和无床板时射入水模体中,比较并分析这两种情况下水模体中的剂量分布差异。结果:GATE V6.1的三个例子模拟中,SPECT中的未散射光子稳定在36%左右,PET中未散射的真符合计数稳定在44.5%左右,RT模拟中质子相比于光子在深度方向上有明显的剂量分布优势,而光子在横向方向的剂量分布稍好于质子。在碳纤维床板对光子放疗时剂量影响的模拟中,有碳纤维床板相对于无床板时,水模体的表层剂量有明显的提高。结论:GATE能够稳定准确的对核医学成像SPECT和PET及放射治疗过程进行蒙特卡洛模拟。它可以为放射治疗剂量验证、临床放射治疗计划以及核医学成像引导放射治疗的研究提供强大帮助。     

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。     

基于NHMAN辐射仿真人体模型的蒙特卡罗方法剂量计算研究

目的：人体模型主要用于放疗过程中的剂量学研究,包括新技术的开发与验证、治疗方案的验证与测量等;使用计算机化的人体模型替代实体模型是当前的研究热点。方法：构建符合中国人解剖生理数据的辐射仿真人体模型-“NHMAN-ADAM”（男性）和“NHMAN-EVA”（女性）;使用蒙特卡罗方法程序MCNP模拟0．3MeV和1．0MeV单能平行宽束外照射条件下,六种不同照射方向照射时,放射性粒子在人体组织或器官中的输运过程,并计算得到男女人体模型中的有效剂量。结果：分别得到光子能量为0．3MeV和1．0MeV时,AP照射,PA照射,LAT照射方式下的男性与女性全身有效剂量,以及光子外照射时人体皮肤等器官剂量分布,有效剂量计算值与ICRP51推荐值基本吻合,误差约为4％。结论：NHMAN辐射仿真人体模型能很好地应用于辐射剂量的计算;并且由计算数据可知,女性的辐射危险性普遍高于男性,在医学成像与放射治疗时应更加注重防护措施。     

摆位误差对肝癌立体定向放射治疗剂量学的影响

目的:在锥形束CT（CBCT）图像引导下,测量立体定向放射治疗（SBRT）中肝癌的摆位误差,并讨论摆位误差对靶区PTV和危及器官（OAR）剂量的影响。方法:回顾性分析接受SBRT的肝癌患者13例,每日放射治疗前行CBCT扫描,与计划CT图像进行灰度配准,根据肿瘤靶区及OAR位置获取患者移床参数,在计划系统中计算剂量分布,并分析移床参数对靶区PTV、OAR剂量和均匀性指数（HI）、适形度指数（CI）等一系列剂量学参数的影响。结果:校正后X、Y、Z方向上的摆位误差分别为（0.47±2.00）、（1.54±4.16）、（0.10±2.77） mm,Y方向上的摆位误差较大。相对于最小位移,最大位移对靶区、HI和CI影响大;对于OAR,与原始计划相比,左肾、小肠最大位移的剂量分布在Dmean、Dmax上具有统计学意义,右肾最小位移的剂量分布在Dmean上具有统计学意义。结论:≤3 mm的摆位误差对靶区剂量的影响比>5 mm的影响小,但对于最小剂量和覆盖率仍然影响显著。应该尽可能减小摆位误差,以实现精确放疗。     

最佳适形野边距的决定因素和求取方法

目的：探讨最佳适形野边距(block aperture margin，BAM)的决定因素和求取方法。方法：采用三维治疗计划系统(three-dimensional treatment planning system,3-D TPS)，测算出头部和胸部常用放疗条件下“建议射野边距”(P90／50)；根据“建议射野边距”，计算出采用不同BAM时，6MeV X线三野照射头部靶区的剂量分布及15MeV X线四野照射胸部靶区的剂量分布。确定其中符合临床剂量要求，治疗体积在大小和形状上与计划靶区适形程度最好者所采用的BAM为最佳BAM。结果：头部靶区6MeV X线三野照射的最佳BAM为5-7mm，胸部靶区15MeV X线四野照射的最佳BAM为7-10mm。结论：最佳BAM的决定因素复杂，最终求取需三维剂量分布计算。     

电离室阵列在电子束旋转照射剂量验证中的应用

目的:考察一种二维电离室阵列对斜入射电子线剂量测量的特性与误差,探讨其用于电子束旋转照射计划剂量分布验证的可行性。材料与方法:(1)在±50°范围内比较电离室阵列与指形电离室测量的差别并校准电离室阵列;(2)设计6和10MeV电子束旋转照射体模计划各三个(0°机架角时的射线束中心轴对称夹角30°、60°和90°)。用二维电离室阵列分别测量验证各计划的剂量分布。结果:(1)电离室阵列中心探头与指形电离室在上述斜入射条件下对6MeV/10MeV电子线的测量差别小于2%。(2)各电子线旋转照射计划在中心轴上最大剂量深度处的剂量误差均小于3%。离轴剂量比误差在非旋转方向上旋转射野中间70%区域内小于2%;在旋转方向上最大不超过1.5%。冠状平面上的100%～20%各等剂量曲线符合性较好;6MeV和10MeV的电子线的30°、60°、90°旋转照射计划的Gamma指数通过率(=5%和=5mm)分别为99.98%、99.89%、99.74%、98.64%、99.16%和99.44%。结论:所测试的二维电离室阵列对斜入射电子线测量误差能满足±50°范围内的电子束旋转治疗的计划剂量验证要求。     

应用提高分辨率的MatriXX检测等中心偏移的方法简介

目的:以检测等中心在X方向的偏移示例,介绍使用提高分辨率之后的MatriXX检测等中心偏移的方法。方法:在确保MLC的leaf bank关于collimator中心轴旋转对称,且MatriXX中心与等中心的偏差已知的基础上,将gantry和collimator的角度都设为0°,治疗床向X正方向每移动1 mm测量1次5 cm×5 cm照射野100 MU的剂量分布曲线,共7次移动治疗床,测量8组数据,然后将这8组数据叠加为一组复合数据,得到gantry和collimator角度为0°、5 cm×5 cm照射野100 MU时MatriXX在X方向分辨率为1 mm的剂量分布曲线。同样的方法测量得到将gantry角度设为180°时相对应的剂量分布曲线,然后使用OmniPro I’mRT软件对比分析这两个profile,得出等中心在X方向的偏移值。结果:等中心的偏移值为1.8 mm。结论:提高分辨率之后的MatriXX能够检测出等中心的偏移值;等中心的偏移会导致病人接受剂量出现偏差,而这种偏差可以通过调整Elekta Synergy MLC的leaf bank关于gantry旋转中心轴对称和计划设计中设置collimator与couch角度为0°来克服;等中心的偏差使得gantry角度在90°和270°附近照射野的平面剂量偏差非常大。因此,不建议计划设计中设置gantry角度在90°和270°附近的照射野,也不建议选用MatriXX或者其他平面探测器做照射野gantry角度集中在90°和270°附近的病人计划验证。     

磁场对高锰酸钾溶液吸收光谱的影响

目的:研究了磁场对高锰酸钾(KMnO4)吸收光谱的影响.结果:KMnO4溶液整体磁化及以磁化水为溶剂的KMnO4溶液吸收光谱与原溶液有所不同,其最大吸收波长紫移,二者紫移程度不同,而且吸收峰处吸光度有所增加.在一定时间内磁化时间越长,吸收峰处吸光度增加越多,磁场强度越大对吸收曲线影响越显著.说明在磁场作用下,水分子及高锰酸钾结构及状态的改变对高锰酸钾吸收光谱有影响.     

系统摆位误差对保护海马脑预防照射的剂量学影响

目的:研究不同系统摆位误差对肺癌的保护海马脑预防照射剂量分布的影响。方法:随机选取20例肺癌脑预防照射患者,均采取保护海马的脑预防照射。通过在计划系统中移动治疗计划的等中心,分别模拟患者在三维6个方向上1、3和5 mm系统摆位误差。移动等中心后的计划,在不做通量计算的情况下,重新计算剂量分布。分析在不同系统摆位误差下,靶区和危及器官剂量分布的变化情况以及系统摆位误差对靶区和危及器官剂量影响的灵敏度。结果:系统摆位误差为1、3和5 mm时,CTV D90在三维6个方向的剂量变化均值均未超过2%。误差为1 mm时,CTV D90的剂量变化仅脚方向有统计学意义（P<0.05）;误差为3 mm时,CTV D90的剂量变化仅头脚方向有统计学意义（P<0.05）;误差为5 mm时,CTV D90的剂量变化仅头脚方向和背部方向有统计学意义（P<0.05）。系统摆位误差为1 mm时,海马体剂量变化均值在左右方向和头脚方向均大于3%;系统摆位误差为3、5 mm时,海马在三维6个方向的剂量变化均值均超过10%;对于海马剂量变化,仅1 mm误差下背部方向无统计学意义（P>0.05）,其余误差下所有方向的剂量变化,有统计学意义（P<0.05）。系统摆位误差为1 mm时,海马、左右眼球和左右晶体剂量变化大于5%的占比分别是26.19%、26.20%、26.19%、10.71%、17.86%;系统摆位误差为3 mm时,海马、左右眼球、左右晶体和左右视神经剂量变化大于10%的占比分别是97.62%、69.05%、66.67%、30.95%、25.00%、1.19%、3.57%。靶区和海马均在头脚方向误差敏感度最大。结论:系统摆位误差对CTV剂量影响较小,CTV外扩3 mm形成的PTV足以保证靶区接受足够的处方剂量的照射。危及器官尤其是海马、眼球和眼晶体对系统摆位误差尤为敏感,且误差越大对剂量分布的影响越大。因此在实际治疗的过程中要严格控制摆位误差尤其是头脚方向的摆位误差。     

Varian RapidARC直线加速器6 MeV-X线虚拟源模型的建立

目的:减少直线加速器commission过程的工作量,对加速器出束信息进行建模,使用蒙特卡罗方法进行剂量计算,并验证模型的准确性。方法:将光子束区分为初始光子束和散射光子束,分别用数学公式描述其能量和方向,建立虚拟源模型,使用蒙特卡罗方法计算在水中的剂量分布,与水箱中的测量数据比较。使用源模型计算病例计划,与商用TPS计算结果比较。结果:计算得到的PDD误差基本在1.0%以内,OAR误差在2.0%以内。在1例前列腺病例计划中,本方法计算得到的DVH曲线与不同TPS计算得到的结果基本一致。结论:本虚拟源模型方法可以很好地模拟直线加速器的出束信息,计算单个病例时间在40 s量级,可以实现病人治疗前实时的剂量验证,且有用于直线加速器自动commission过程的潜力。     

基于非晶硅电子射野影像装置的剂量响应研究

目的：临床条件下研究探讨非晶硅电子射野影像装置（a-Si EPID）的剂量响应特性。方法 ：本实验在Elekta Precise直线加速器上X射线能量分别为6 MV和10 MV,采用PTW电离室、等效固体水和不同厚度铜板条件下实施测量。首先,通过EPID信号和模体中电离室的测量比较,确定出EPID剂量响应的建成厚度。其次,临床条件下利用模体的不同厚度测量分析有关剂量、每脉冲剂量和脉冲重复频率（PRF）函数的EPID信号响应情况。结果：在不增加建成材料、10 cm～60cm空气间隙条件下EPID显示了最大11.6%的过响应信号变化。临床上额外将3 mm铜建成区置于EPID上方,空气间隙大于40 cm条件下EPID响应变化将会降至1%以内。在测量范围内随MU数、PRF和每脉冲剂量变化的EPID信号响应是非线性的,最大信号变化接近于3%。因假峰和图像滞后效应等影响,短时间照射EPID会明显地产生出低剂量响应。结论：采用合适的建成层和实施对每脉冲剂量、PRF等校正,非晶硅EPID剂量响应变化可控制在1%以内,从而建立起较为理想的剂量响应曲线。     

WS531-2017《螺旋断层治疗装置质量控制检测规范》的实施及 评价

目的:依据WS531- 2017《螺旋断层治疗装置质量控制检测规范》,对浙江省首台螺旋断层治疗系统 （Tomotherapy,TOMO）进行年度系统稳定性检测,进一步规范质量控制操作,明确系统的各项性能,保证临床放射治疗的 准确实施。方法:利用8 通道计量仪（TomoElectrometer）、电离室A1SL（Standing Imaging, USA）和A17（Standing Imaging, USA）、圆柱形模体（Cheese Phantom）、等效矩形固体水、二维水箱、EBT3胶片和Vidar胶片分析仪,按照WS531- 2017要求,对TOMO的10个关键指标进行检测。结果:设备静态输出剂量偏差为-0.6%;旋转输出剂量偏差为1.4％。射 线质与计划值偏差为0.8%。射野横向剂量曲线的对称性为-1.2%。射野纵向剂量曲线半高宽偏差为0.7 mm。多叶准直 器横向偏移为-0.6 mm。绿激光灯在虚拟等中心横断面偏移为0.08 mm、矢状面和冠状面的偏移为0.2 mm;红激光灯指示 偏差-0.4 mm。治疗床的移动偏差为0.3 mm。治疗床和机架旋转同步性偏差为-0.6 mm。结论:TOMO的10项关键指标 均满足WS531-2017的评价标准,建议TOMO年检时适当增加必要检测项目,如MVCT图像质量检测等, 以确保系统的正 常工作及良好的稳定性。