蒙特卡罗方法研究均整器对6MVX线能谱的影响

目的：用蒙特卡罗方法计算Varian Trilogy加速器无均整器条件下6MVX射线能谱。分析均整器对能谱的影响。方法：先用BEAMnrc分别模拟计算Varian Trilogy加速器6MV射线在具备均整器和无均整器条件下,方野边长分别为4cm、6cm、8cm、10cm、20cm和40cm时的相空间文件。以相空间文件为输入用BEAMDP分析光子能谱。结果：无均整器条件下光子注量增大,在光子能谱峰值附近最明显．射野边长为4cm时去掉均整器后光子注量增加的最多为6．284倍,随着射野增大增加倍数减小,射野边长为40cm时最小为2．398倍．无均整器条件下光子谱峰值能量降低,光子谱整体左移,平均能量明显减小。结论：去除均整器后,加速器的输出光子能谱发生较大变化。随之剂量特性发生改变,临床上可能产生一定的获益或未知情况,尚需要进一步的研究支持。     

用迭代法重建医用加速器光子束等效能谱

我们设计了接近实际形状的变型高斯分布作初始能谱，重建医用直线加速器光子束穿透等效能谱。与过去的方法相比，该法重建过程简单，逼近真谱速度快，逼近程度高，各参数调节能力强，计算量小，测量要求低。我们讨论了用变形高斯分布作初始能谱的重建本领，并与用三角形初始能谱重建结果作了比较。我们重建出ＳＬ７５／２０型医用电子直线加速器８ＭＶ光子束中轴的穿透等效能谱。     

医用加速器光子角分布的蒙特卡罗研究

目的:在放射治疗中,入射光子的角分布对人体中的剂量分布等有直接的影响。为了进一步提高放射治疗的精度,分析医用直线加速器等中心平面上光子的角分布及影响因素。方法:蒙特卡罗程序(BEAMnrc)是建立在蒙特卡罗程序(EGSnrc)之上,是为了医学物理中模拟三维放射治疗开发的一个程序。使用蒙特卡罗程序BEAMnrc模拟电子和光子在加速器治疗头中的输运行为,在源皮距为100 cm的等中心平面处得到相空间文件,通过程序蒙特卡罗程序BEAMdp处理相空间文件统计光子的角分布。结果:通过对标称能量为6 MV的医用加速器的光子角分布的统计,发现不同大小的射野,只要中心区域一致,光子的角分布基本相同。对于不同的离轴区域,光子的角分布与该区域的锥形角度基本一致,光子的角分布可以由锥形发散束来近似估计。结论:医用直线加速器等中心平面上光子的角分布与其所在区域有关,次级准直器对光子的角分布影响很小。在放射治疗的剂量计算中,应仔细考虑光子角分布的影响,这样可以提高放射治疗的精度和患者的生存质量。     

左侧乳腺癌术后放疗无均整器模式剂量学优势分析

目的:比较左侧乳腺癌全切术后无均整器（FFF）与均整器（FF）模式下容积旋转调强放疗（VMAT）计划剂量学特点,分析无均整器模式下剂量学优势。方法:随机选取2019~2020年左侧乳腺癌全切术后的患者10例,分别用两种模式对同一患者的计划靶区（PTV）给予相同的处方剂量50 Gy,在RayStation计划系统上设计FFF和FF的VMAT计划,在满足临床要求的情况下,比较两组剂量学特点、机器总跳数、出束总时间。结果:FFF模式靶区PTV的D98%低于FF模式（P=0.007）,D95%、D2%、CI、HI两者比较差异均无统计学意义（P>0.05）;FFF模式在患侧肺、全肺、心脏、脊髓以及冠状动脉前降支保护上明显优于FF模式（P<0.05）,患侧肺平均剂量同比降低9.59%,心脏平均剂量降低12.20%;在健侧肺、臂丛以及正常组织的保护上两者比较差异无统计学意义（P>0.05）;FFF模式的机器总跳数相对于FF模式增加1.30倍,出束总时间缩短至FF模式的87.15%。结论:在两组治疗计划均能满足临床治疗要求的前提下,FFF模式可显著减少患者危及器官以及正常组织的受照剂量,虽然机器总跳数增加,但患者的治疗时间反而下降。因此可知FFF模式优于FF模式的治疗效率。     

AAA和PDIP算法在非均整模式容积调强放射治疗剂量预测方面的差异

【摘要】目的:探究各项异性算法（AAA）和射野剂量图像预测（PDIP）算法在非均整模式（FFF）容积调强放射治疗计划治疗前验证γ分析中的差异以及计划复杂程度对这种差异的影响,为临床上基于电子射野影像系统（EPID）的剂量预测算法的选择提供依据。方法:选取能量为6 MV FFF的两种测试野和16例头颈部肿瘤治疗计划,利用PDIP和AAA两种算法分别生成预测数据并与EPID实测数据进行γ分析,统计两种算法在不同γ评判标准下的通过率并计算通过率差异（Delta γ）。计算上述病例每个射野的复杂系数,分析不同标准下两种算法的Delta γ与复杂系数的相关性;利用γmean、γsd、γ1和γ通过率共同描述γ分布,并分析其与复杂系数间的相关性。结果:当评判标准为3%/3 mm或2%/2 mm时,不同算法下测试射野的Delta γ较小。当评判标准为1%/1 mm,不同开野的Delta γ变化明显:射野较小时,PDIP算法的通过率低于AAA;当射野增大到（10×10） cm2时,通过率基本一致;当射野继续增大时,PDIP算法的通过率逐渐高于AAA。全部射野的通过率与评判标准的关系类似:在3%/3 mm标准下,两种算法的结果基本一致;随着标准的提高,两种算法的通过率逐渐下降,二者之间的差异也逐渐明显。复杂系数与Delta γ、γmean、γsd和γ1为正相关,与γ通过率为负相关。结论:PDIP算法对于有机械臂支撑的EPID的剂量预测更准确;AAA则适用于无机械臂支撑的EPID或机械臂反散射影响较小的射野。当计划复杂程度或评判标准提高时,两种算法的差异也增大。计划复杂程度对FFF计划验证结果的影响是负面的。上述结果提示临床应针对性地选择计划验证工具来确保治疗的安全有效。     

基于GAMOS的蒙特卡罗方法模拟放疗电子线照射的剂量学研究

目的:探讨基于GAMOS的蒙特卡罗（MC）方法模拟电子线放疗的剂量精确性。方法:运用GAMOS MC程序,建立Varian Rapidarc加速器3档能量（6、9和12 MeV）及3种限光筒［（6×6）、（10×10）和（15×15） cm2］的束流模型,模拟束流在水模体中的剂量分布,并与测量得到的百分深度剂量和等平面剂量分布比较,评估GAMOS软件模拟电子线照射的精确性和运算效率。结果:模拟的粒子数越多,模拟与测量结果的误差越小;当模拟粒子的数量达到5×108时,各个能量的电子线射程（Rp）和50%剂量深度（R50）的模拟结果与测量结果一致;除建成区外,百分深度剂量模拟和测量的结果误差在2%以内;等平面剂量分布模拟和测量的结果误差也在2%以内,模拟的照射野大小与测量结果一致。运算效率中,能量越大,限光筒尺寸越大,并行同步模拟所用的时间越多,模拟时间的变化越大。结论:基于GAMOS的MC方法可准确地模拟放疗电子线照射剂量的分布,粒子数的增加可提高模拟的精确性,并行同步计算可提高模拟的效率。     

6 MV光子束有无均整器的剂量学特性研究

目的 研究直线加速器去掉均整器后6 MV光子束的剂量学特性,并与有均整器的情况下比较,为临床应用提供依据。方法 采集瓦里安Trilogy 6 MV光子束在有均整器(FF)(用6X FF表示)和去掉均整器(FFF)(用6X FFF表示)后的剂量学数据,比较两者百分深度剂量(PDD)、离轴剂量分布(Profile)、表面相对剂量(PDD_{1 mm})、射野外相对剂量、总输出因子(S_cp)。结果 6X FF的最大剂量深度(d_max)在3 cm×3 cm至15 cm×15 cm射野时为1.4 cm,在20 cm×20 cm射野后变为1.2 cm,30 cm×30 cm后变为1.0 cm,而6X FFF的d_max为1.2 cm且不随射野大小变化。在大于d_max后,同一深度6X FFF的PDD比6X FF的小,但两者差距随射野和深度变化不明显,在3 cm×3 cm射野5 cm深度处6X FFF的PDD比6X FF的小2.4,在40 cm×40 cm射野30 cm深度处6X FFF的PDD比6X...     

有无均整器模式下臂架与准直器不同角度条件下的剂量学比较

目的:探讨臂架或准直器角度的改变对均整（FF）与非均整（FFF）两种模式的射线剂量的影响。方法:选用Versa HD直线加速器配备的6 MV/10 MV光子束FF/FFF模式4档能量在设定好九点位置的10 cm×10 cm标准射野内进行实验。首先,借助IMF等中心夹具将Mapcheck2固定于治疗机机头,并用Mapcheck2测量相同臂架与准直器角度条件下4种光子束输出的平面剂量值;其次,用Mapcheck2测量在相同臂架角度、不同准直器角度与相同准直器角度、不同臂架角度两种条件下4种光子束的中心轴剂量值;最后,固定准直器为0°,设立两组臂架对穿射野（0°与180°,90°与270°）。拆除Mapcheck2,采用固体水和FC65-G电离室建立一个测量模体来测量4种光子束在两组等中心对穿野的剂量。运用SPSS统计软件对该实验收集到的数据进行对比分析。结果:在相同臂架与准直器角度条件下,4种光子束辐照9个点的平面剂量之间均存在明显统计学差异（P6 MV FF =0.020, P6 MV FFF=0.017, P10 MV FF =0.030, P10 MV FFF=0.016）;而不同臂架角度或不同准直器角度条件下,4种能量光子束的中心轴点剂量值均无统计学差异。在0°与180°的对穿野,4种能量光子束的输出剂量存在统计学差异（P6 MV FF =0.001, P6 MV FFF=0.002, P10 MV FF =0.003, P10 MV FFF=0.001）,而在90°与270°的对穿野无统计学差异。结论:Versa HD直线加速器拥有优良的机械等中心性能。在实际工作时,臂架和准直器的旋转,均不影响光子束的中心轴剂量的准确输出。在FF模式下,射线能量越高,受治疗床影响越小;FFF模式射线由于射线质软,能量越高,更易受到治疗床的衰减作用,在实际中应引起重视。     

铅门跟随与固定技术结合有无均整器模式的鼻咽癌IMRT剂量学比较

目的:研究铅门跟随与固定技术结合有无均整器4种模式在鼻咽癌调强放疗中的剂量分布,为选择最优治疗技术提供指导和参考。方法:选择10例早期鼻咽癌患者,采用Varian公司的Eclipse 13.6治疗计划系统,设计铅门跟随无均整器模式（JTT-FFF）、铅门跟随有均整器模式（JTT-FF）、铅门固定无均整器模式（SJT-FFF）和铅门固定有均整器模式（SJT-FF）4种治疗计划,评估靶区、危及器官和正常组织剂量学参数以及机器跳数。结果:4组计划的靶区剂量分布均达到临床要求,且靶区的适形度差异无统计学意义（P>0.05）;SJT-FF计划靶区的均匀性最好,相对于JTT计划差异有统计学意义（P<0.05）,但相对于SJT-FFF计划差异无统计学意义（P>0.05）。在JTT-FFF计划中,晶体的最大剂量以及眼球、口腔、颞叶、下颌骨和Body的平均剂量最低但机器跳数最多;在JTT-FF计划中,脑干、垂体、交叉、视神经、脊髓的最大剂量和腮腺、喉、内耳的平均剂量最低。结论:4种计划均能满足临床使用要求,靶区适形度差异无统计学意义,JTT计划靶区均匀性相对于SJT计划要差,但能更好地降低危及器官和正常组织的受照剂量。     

医用加速器8MVX射线在水模体中的一阶散射X射线能谱的蒙特卡罗计算

目的：分析医用电子直线加速器的高能X射线与水模体相互作用过程中所产生的一次散射光子的能谱角分布和光子强度角分布。方法：利用蒙特卡罗粒子输运程序Geant4,模拟粒子输运过程．计算加速器8MeV高能X射线能谱,并根据在水模体中实际测量的PDD吸收曲线为依据,修正蒙特卡洛计算的能谱;并以此能谱为虚拟源能谱,通过对X射线与水模体相互作用后的光子一电子联合输运过程进行蒙特卡罗模拟的方法获取有关散射X线能谱数据。结果：用蒙特卡洛方法得到加速器8MV初始X射线与水模体作用产生的一次散射光子的散射光子强度和散射光子能量随散射角度变化的规律。结论：根据ICRP85出版物、ICRU44报告给出的数据,可以用组织平均原子序数作为组织等效原子序数;因此,组织密度变化在物理上反映了组织的原子密度的变化,当入射光子注量改变,模体密度变化时。仅引起相互作用的总截面相对于原子微分截面的线性变化,并不影响一阶散射X射线的散射光子的相对强度角分布和散射光子能量角分布。而散射光子发射的绝对量与初始X射线强度、组织的原子密度成正比。因此,一次散射光子的注量角分布、平均能量角分布结果可形成可调用的数据库,对快速蒙特卡洛计算很有意义。     

基于EPID采用参数化梯度法测定光子束射野边界

【摘 要】 目的:探究参数化梯度方法（PGM）测量电子射野影像系统（EPID）光子束射野大小的可行性。 方法:PGM通过一个修改的双曲正切函数拟合Profile半影区。瓦里安EDGE机载aS1200采集6 MV和10 MV FF及FFF射束EPID数据,TrueBeam机载aS1000采集6 MV FF射束EPID数据。γ分析1 mm/1%标准量化PGM拟合Profile半影区与EPID测量半影区一致性。比较半高宽方法与PGM测量的FF射束射野大小,比较最大斜率方法与PGM测量的FFF射束射野大小;比较PGM在不同射束能量、不同EPID探测器类型和引入铅门位置误差后测量射野边界的稳定性和扩展性。 结果:半影区PGM拟合与EPID实测数据Pearson相关系数大于0.999,γ值小于0.2。FF射束,半高宽方法测定射野均大于PGM,且随着射野增大而增大,Profile本影去除后,两种方法测量差值显著减小;FFF射束,最大斜率方法与PGM测定射野大小差值在0.1 mm以内。PGM能够稳定测量不同能量、不同模态、不同EPID探测器类型射野边界,能够准确识别铅门1 mm位置变动。 结论:PGM可作为一种鲁棒通用的方法适用于EPID光子束射野质量保障。     

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。     

基于微剂量学蒙特卡罗模拟的重离子生物有效剂量精确计算方法

目的:在蒙特卡罗（MC）模拟当中引入理想组织等效正比计数器（Ideal TEPC）,并结合微剂量动力学模型（MKM）精确计算重离子生物有效剂量。方法:采用Ideal TEPC与MC模拟方法对能量为330 MeV/u具有6 cm展宽Bragg峰（SOBP）的碳离子束生物有效剂量进行计算。结果:优化得到MKM模型的参数为:[α0=0.12 Gy-1],rd=0.39 μm,Rn=3.7 μm。对于能量为330 MeV/u具有6 cm SOBP碳离子束生物有效剂量的计算显示:基于MKM模型计算的生物有效剂量与碳离子放射治疗计划系统（ciPlan）中的生物有效剂量具有较好的一致性,二者偏差随深度的增加而增大,在坪区、SOBP前端、SOBP中点、SOBP后端、尾区的偏差分别为0.3%、1.7%、2.7%、4.9%、10.3%。结论:Ideal TEPC结合MC模拟能够准确计算重离子的生物有效剂量,有效避免TEPC壁引起的辐射场畸变,结构材料所产生的[δ]电子对线能谱的影响,以及实验中位置的偏差,具有良好的移植性。     

白癜风皮肤的反射光谱及其Monte Carlo模拟

测试并研究了具有三种不同肤色的白癜风皮肤的反射光谱，在皮肤组织病理检验的基础上，建立了三色白癜风皮肤的光学模型，讨论了该皮肤的黑色素含量与分布，并进行Monle Carlo模拟计算。研究表明，白癜风皮肤，特别是具有不同肤色的白癜风，可作为一个较好的研究对象，用于探测皮肤黑色素分布或其他光学特性；反射光谱可用于皮肤表层黑色素的研究，特别是在表皮层黑色素缺失的情况下，可探知较深层（如真皮层）的黑色素含量与分布；采用Monte Carlo模拟，可以重现实测的皮肤光谱特性，并可预言皮肤组织中某些生化物质的存在。     

双链DNA生物膜弹性模量的蒙特卡罗模拟

目的 研究吸附于微悬臂梁基底上双链DNA生物膜的弹性模量。方法 采用基于中观连续介质液晶理论的Parsegian经验势,描述粗粒化DNA圆柱之间相互作用能;采用蒙特卡罗法模拟加载前后DNA链的微观分布模式;采用思想实验法和宏观连续介质压缩弹性杆模型,预测DNA生物膜弹性模量。结果 双链DNA生物膜的弹性模量约为0.1~80 MPa。结论对比随机分布模式,经典的六角形均匀分布假设低估了DNA生物膜的弹性模量;封装密度的增加和缓冲盐溶液浓度的减小均有助于提高DNA生物膜弹性模量。这些结果对进一步认识临床工作中相关DNA生物膜的力学性质及其调控规律具有重要意义。     

基于蒙特卡洛的FePt纳米团簇在X射线下的放射增敏性

目的:使用蒙特卡洛程序Geant4研究FePt纳米团簇在X射线下的放射增敏性,并比较团簇大小、射线能量、纳米材料类型对放射增敏能力的影响。 方法:根据实验拍摄得到细胞（经过FePt处理）图片,设计单个纳米团簇模型和细胞纳米团簇模型。以剂量增强比作为放射增敏能力的评判标准,计算不同模型下FePt的放射增敏能力。 结果:从两种模型的结果均可得到Fe1Pt3纳米团簇的放射增敏能力优于Fe1Pt1纳米团簇,同时同一种纳米团簇在低能射线照射下的放射增敏性较佳;当纳米团簇的厚度增加时,可以观察到剂量增强比随着厚度增加达到饱和值。 结论:FePt纳米颗粒在团簇的情况下具有良好的放射增敏能力,进而验证了FePt纳米药物在临床上的应用前景。     

Establishing an Initial Electron Beam Model with Monte Carlo Simulation for a Single 6 MV X-ray Medical Linac Based on Particle Dynamics Characteristics

Objective：In this study, we try to establish an initial electron beam model by combining Monte Carlo simulation method with particle dynamic calculation （TRSV） for the single 6 MV X-ray accelerating waveguide of BJ-6 medical linac. Methods and Materials ： 1. We adapted the treatment head configuration of BJ-6 medical linac made by Beijing Medical Equipment Institute （BMEI） as the radiation system for this study. 2. Use particle dynamics calculation code called TRSV to drive out the initial electron beam parameters of the energy spectrum, the spatial intensity distribution, and the beam incidence angle. 3. Analyze the 6 MV X-ray beam characteristics of PDDc , OARc in a water phantom by using Monte Carlo simulation （ BEAMnrc, DOSXYZnrc） for a preset of the initial electron beam parameters which have been determined by TRSV, do the comparisons of the measured results of PDDm, OARm in a real water phantom, and then use the deviations of calculated and measured results to slightly modify the initial electron beam model back and forth until the deviations meet the error less than 2%. Results：The deviations between the Monte Carlo simulation results of percentage depth doses at PDDc and off-axis ratios OARc and the measured results of PDDm and OARm in a water phantom were within 2%. Conclusion：When doing the Monte Carlo simulation to determine the parameters of an initial electron beam for a particular medical linac like B J-6, modifying some parameters based on the particle dynamics calculation code would give some more reasonable and more acceptable results.