皮肤病变的浅层放射治疗技术进展

放射疗法作为治疗皮肤病变的重要手段,已有百年的发展历程。得益于多种新颖的放射治疗(以下简称放疗)技术、方法和设备的出现,放射疗法在瘢痕疙瘩和皮肤癌等良性病变和恶性皮肤肿瘤的长期临床应用中得到了不断的应用、推广和完善。当前,电子线放疗、后装放疗、放射性β核素敷贴放疗和浅层X射线放疗等方法已广泛应用于皮肤病变治疗领域。本文旨在系统性地介绍上述浅层放疗技术,分析其优劣及应用范围,梳理浅层放疗领域的新兴需求与挑战,展望其未来的发展趋势。

SPEEDO:一款快速准确的碳离子蒙特卡罗剂量计算程序

目的:开发一款用于碳离子治疗的快速准确的蒙特卡罗程序SPEEDO。方法:对于电磁过程,采用连续慢化近似的II类浓缩历史模拟方案,模拟能量歧离、射程歧离、多重散射和电离过程。对于核相互作用,本研究考虑5种靶核:氢、碳、氮、氧和钙。产生的次级带电粒子遵循同样的浓缩历史框架。本研究模拟碳离子在4种材料(水、软组织、肺和骨头)中的输运过程,并将计算的剂量结果与放射治疗物理专用蒙特卡罗模拟软件TOPAS进行对比验证,最后与在武威重离子治疗中心医用重离子加速器示范装置(HIMM-WW)上测得的水箱剂量进行对比。结果:SPEEDO的模拟结果与TOPAS具有良好的一致性。对于每种材料在物理剂量大于其体素最大剂量点10%的体素区域,两者的相对最大剂量平均误差均小于2%。在治疗能量为400 MeV/u时,SPEEDO的计算时间(13.8 min)明显小于TOPAS的计算时间(105.0 min)。SPEEDO的计算结果与HIMM-WW的测量值在横向剂量分布和积分剂量深度曲线方面展现出良好的一致性。结论:SPEEDO程序可以准确快速地实现碳离子的蒙特卡罗剂量计算。

螺旋断层放疗的快速蒙特卡罗剂量验证模块开发

目的:开发用于螺旋断层放疗(TOMO)的基于GPU加速蒙特卡罗独立剂量验证模块,并将其集成到商业软件Archer QA,应用于临床。方法:首先,采用TOPAS构建TOMO治疗头模型,并获得相空间文件;然后,使用一种快速的透射粒子权重调制算法来模拟粒子在多叶准直器中的输运,以提高计算效率;最后,调用Archer QA里基于GPU加速的蒙特卡罗算法来模拟粒子在患者体内的输运。为验证模型的准确性,比较水箱中不同开野条件下Archer QA计算剂量与测量剂量的差异。此外,选取15例临床病例,其中头颈部、胸腹部、全身各5例,对比Archer QA计算剂量、治疗计划系统(TPS)计算剂量和Arc CHECK测量剂量两两之间的差异。结果:在开野为40 cm×5.0 cm、40 cm×2.5 cm、40 cm×1.0 cm的水箱测试中,Archer QA计算的百分深度剂量、横向剂量分布、纵向剂量分布与对应测量值的平均全局相对误差分别为0.72%、0.66%、0.54%,98%以上体素全局相对误差小于1%。对于15例临床病例,在2%/2 mm的标准下,Archer QA与TPS的平均Gamma通过率为98.1%。相同标准下,Archer QA与Arc CHECK测量值的平均Gamma通过率为99.4%,TPS与Arc CHECK测量值的平均Gamma通过率为99.1%。所有病例模拟的统计误差均小于1%,基于患者CT计算的平均时间为87 s,基于Arc CHECK模体计算的平均时间为64 s。结论:Archer QA能提供快速且准确的剂量计算,可用于TOMO计划的独立剂量验证。

核电站操作与辐射剂量的虚拟现实仿真研究

通过对国内外虚拟现实技术在核辐射防护领域的应用现状的调研,开发了关于压水堆(PWR)相关操作和核辐射剂量的VRP(Virtual Reality Platform)虚拟现实应用。主要内容包括虚拟场景建模主程序3DSMAX、辐射剂量计算程序MCNPX及虚拟现实平台软件VRP三部分。结合大亚湾核电站的相关数据,在3DSMAX中构建了核电站厂房的三维场景,并对相关模型精细建模,成功建立了符合应用要求的原型系统;采用国内外先进的MCNPX辐射剂量计算软件以及中国成年男女人体模型,对人体在虚拟场景中受到的辐射剂量进行了精确的计算。并结合目前常用的插值算法的特点和三维场景布局特点,提出了一种符合场景要求的辐射剂量插值算法,成功实现了辐射剂量的动态获取;采用国内自主开发的虚拟现实平台软件VRP,实现了三维场景中辐射剂量的动态显示,完成了与辐射剂量计算软件的对接;并构建了三维模型的互动操作的演示,成功构建了关于核电站操作与辐射剂量的虚拟现实仿真系统。该应用对核电厂新员工培训以及降低核电厂工作人员辐射剂量有一定的指导意义。

TACE手术中不同站姿下铅眼镜和铅面罩对医生眼晶状体防护效果的蒙特卡洛模拟比较

目的:使用蒙特卡洛方法和三维体素人体模型研究医生在肝动脉化疗栓塞手术中不同站姿下的眼晶状体辐射剂量水平,并比较铅面罩和铅眼镜对于眼晶状体的辐射防护效果。方法:以介入医护人员为研究对象,并选取面对病人、左转45°、右转45°3种常用站姿,计算佩戴铅面罩、佩戴铅眼镜、眼睛无防护措施3种情况下,医生的眼晶状体年当量剂量和左右眼晶状体的吸收剂量。结果:无防护情况下,眼晶状体受到年当量剂量按照左转45°、面对病人和右转45°这3种情况依次减小,但均超过IBSS年剂量限值20 mSv。戴铅眼镜情况下,不同站姿眼晶体年当量剂量相似且接近IBSS年剂量限值。戴铅面罩情况下,不同站姿下所受剂量均较小。对于左右眼晶体吸收剂量比较,左转45°时,右眼晶体剂量率大于左眼;而其他两种站姿时,右眼均小于左眼晶体剂量。结论:为了减少医生在肝动脉化疗栓塞手术中眼晶状体所受到的辐射剂量,在保证手术质量前提下,若无防护措施,应尽量采用正面面对和右转45°站姿。建议医生手术时佩戴铅面罩,将眼晶状体当量剂量降到最低。如果没有铅面罩,需注意加强左眼晶体的防护。

基于深度学习的危及器官自动勾画软件系统DeepViewer在放疗中的应用及评估

目的:将一款基于深度学习的危及器官自动勾画软件系统DeepViewer应用于临床,实现自动勾画肿瘤患者治疗计划中危及器官的功能。方法:DeepViewer使用改进后的全卷积神经网络U-Net来实现自动勾画患者CT扫描部位所包含的危及器官,并使用Dice相似性系数(DSC)对比分析这22种危及器官自动勾画与手动勾画的差异。结果:11种危及器官DSC平均值在0.9以上,5种危及器官DSC平均值为0.8~0.9,5种器官DSC平均值为0.7~0.8,视交叉DSC平均值最低,为0.676。总体结果表明DeepViewer系统能够较准确地自动勾画出危及器官,特别是左、右肺、膀胱、脑干等器官,已基本满足临床需求。结论:DeepViewer软件系统可以实现放疗肿瘤患者危及器官的自动勾画,准确性较高。同时,DeepViewer系统勾画完毕后,可以通过网络系统自动传输RTStructure DICOM3.0文件,无需其他操作,能极大地提高临床医生工作效率,降低治疗计划流程中的勾画总时间。

头颈部肿瘤自适应放疗中不同治疗方案的剂量学比较

目的:研究基于形变配准头颈部肿瘤自适应放疗计划剂量学优势。方法:选取8例头颈部肿瘤患者行自适应放疗,每周扫描CT重新勾画靶区和危及器官并设计新的计划执行1周,直至分次治疗结束。以初始计划CT1为参考分别进行形变配准,每周实际受照剂量在CT1上累积得到自适应方案总受照剂量。同时计算初始计划剂量和虚拟常规放疗实际受照剂量作为对比。结果:8例患者自适应方案PTV D95剂量平均值较初始计划低45 c Gy,与初始计划剂量基本一致,剂量均匀性指数(HI)和适形指数(CI)分别提高0.002和0.031。左右腮腺Dmean分别降低24.37和127.50 c Gy,脑干和脊髓D_(max)平均降低189.87和111.37 c Gy。虚拟常规放疗PTV D95剂量较初始计划低334.87 c Gy,未达到初始计划剂量,HI和CI分别下降0.073和0.069,左右腮腺Dmean分别高出153.63和170.50 c Gy,脊髓D_(max)平均高出113.37 c Gy。结论:常规放疗方案患者靶区实际受照剂量低于计划剂量,部分危及器官受到超量照射。自适应放疗方案可使靶区受照剂量与初始计划剂量保持一致,同时降低危及器官剂量,具有显著的剂量学优势。

宫颈癌三维后装治疗中两种优化方式的剂量及相关性分析

目的比较CT图像引导下的宫颈癌三维后装治疗中两种优化方式的剂量学差异,并为传统的二维腔内治疗点剂量评估提供参考依据。方法回顾分析30例宫颈癌患者手动优化(MO)的后装治疗计划,并在此计划原靶区和危及器官(OARs)勾画、处方剂量等不变的基础上,利用模拟退火逆向优化(IPSA)重新设计治疗计划,并比较这两种计划的靶区和危及器官的剂量学参数及相关性分析。结果与MO计划相比,IPSA计划的靶区剂量参数D90、D100、V100等差异无统计学意义,但膀胱和直肠的D2 cm3、D1 cm3剂量明显降低(P<0.05),治疗时间也稍缩短(P<0.05)。IPSA计划膀胱参考点剂量明显低于其D2 cm3剂量(P<0.05),且与小肠D2 cm3剂量呈正相关性(P<0.05);直肠参考点剂量与直肠、乙状结肠D2 cm3剂量呈正相关性,但与乙状结肠相关性更大(P<0.05)。结论 IPSA计划能提供与MO计划相同的靶区覆盖率,但降低了膀胱、直肠的最大受量;膀胱参考点剂量评估会低估膀胱的真实受量、直肠参考点剂量评估可能会造成乙状结肠超量。

CT检查个体化辐射剂量估算研究现状

2011年和2014年美国医学物理学会分别发布204号和220号报告,描述基于个体体征估算CT受检者的辐射剂量。204号报告介绍应用受检者前后径和左右径等描述个体体征,220号报告介绍用水当量直径描述受检者的体型特异性,利用体型特异性的转换因子估算CT扫描受检者体型相关的辐射剂量(SSDE)。近年来,国外一系列的文章在SSDE方面进行了深入的研究,本文首先介绍两则报告的主要内容,并对SSDE在儿童和成年人群CT检查诊断参考水平的制定、CT断层图像的质量、受检者器官剂量和有效剂量的估算方面的研究现状进行综述,为开展国内SSDE相关研究和应用提供参考。

基于VirtualDose模拟不同CT扫描方案的儿童眼晶体剂量

目的:比较分析不同CT扫描情况下眼晶体剂量,探讨减少CT检查中儿童眼晶体剂量的方法。方法 :利用Virtual DoseTMCT软件计算CT检查时眼晶体剂量,模拟不同CT机、不同体模、不同扫描参数(螺距、管电压、毫安秒、射束准直宽度)对儿童眼晶体剂量的影响。结果:不同厂商型号的CT装置其剂量输出特性不同导致儿童眼晶体剂量有一定差异,眼晶体剂量随CT扫描的管电压的增加而增大,同时也受到准直器宽度变化的影响;另外,眼晶体剂量与CT扫描的毫安秒成正比,与螺距大小成反比;儿童受检者的年龄对眼晶体剂量影响很小。结论:利用Virtual Dose模拟结果其对儿童眼晶体剂量变化规律与相关报道相符,可根据相关实验数据简单评估儿童颅脑CT眼晶体剂量。多种因素综合影响CT检查检查者的眼晶体剂量,合理选择扫描参数和扫描范围对减少儿童眼晶体剂量有重要意义。

基于体型特性估算儿童躯干CT检查的器官剂量

目的:基于未成年人的体型特征,估算躯干CT检查的器官剂量。方法:利用Virtual DoseTM软件计算未成年人躯干CT检查的器官剂量,利用美国医学物理学会的204报告计算体型特异性辐射剂量(SSDE),研究基于SSDE估算CT检查的器官剂量。结果:基于未成年人的年龄、体质量和腰围估算的SSDE,与躯干CT检查的主要器官(肺、胃、结肠、肝、心脏、乳腺和皮肤)剂量存在显著相关性,可计算获得SSDE与器官剂量的转换系数。结论:利用SSDE能够快速准确估算未成年人躯干CT检查个体化的器官剂量。

基于螺旋断层全身皮肤照射治疗难治性皮肤T细胞淋巴瘤中蕈样霉菌病

目的:探讨使用螺旋断层进行全身皮肤照射治疗难治性皮肤T细胞淋巴瘤中蕈样霉菌病的方法。方法:具有7年病史的男性患者确诊为全身多发皮肤T细胞淋巴瘤中的蕈样霉菌病,行全身皮肤照射,采用5 mm氯丁橡胶潜水衣作为组织补偿物,利用其剂量建成效应提高全身皮肤剂量。患者分上下两段扫描,髌骨上方10 cm附近作为分界线,总处方剂量24 Gy,单次1.2 Gy执行20次,5次/周。计划设计采用射野宽度5 cm,螺距0.287,调制因子2.5,在体中心加入全挡模式以减少内部危及器官受量,尤其是全身骨髓剂量,以降低骨髓抑制的发生率。通过Cheese Phantom点剂量、ArcCHECK三维面剂量及全身多点EBT3胶片验证,确保剂量投照的准确性。最后利用兆伏级图像多部位引导确保摆位和治疗的精度。结果:上段靶区和下段靶区均实现95%靶区体积达到处方剂量,下段靶区的适形度指数和均匀性指数略优于上段靶区。全身骨髓随着距离皮肤间距的缩小而受量逐步增加,其余危及器官剂量均在临床可接受范围之内。点剂量验证偏差小于1%,三维面剂量验证Gamma通过率大于90%,胶片多点剂量验证偏差小于5%,多种验证确保实际投照剂量的准确性,整个治疗过程时间约1 h(包括摆位和图像引导),患者治疗后期仅出现轻微的乏力、恶心、呕吐、低热及Ⅲ度骨髓抑制,整个治疗效果接近完全缓解。结论:该方法具有剂量分布均匀、治疗时间短、实施过程简易、治疗效果佳和毒副作用低的特点,适合在临床中广泛开展,但对剂量建成层的组织补偿物选择及治疗后的毒副作用尤其是骨髓抑制需进一步探讨。

基于TOPAS计算的磁场下质子辐射剂量分析

目的:分析磁场作用下质子束在模体中的剂量分布,为核磁共振引导的质子放疗提供数据参考。方法:采用蒙特卡罗软件TOPAS计算治疗用质子束在核磁共振横向磁场影响下水体模中的剂量分布。同时采用水-空气-水模型研究磁场下的电子回转效应对不同介质交界处质子剂量分布的影响。结果:在均匀水体模中,当磁场强度在0.5 T以内,质子能量在150 MeV以下时,质子布拉格峰位置沿深度方向偏移在1 mm以内,但与束流入射方向平行的XZ面的高剂量区横向侧移在4 mm左右;当磁场强度达到1.5 T时,150 MeV的质子布拉格峰位置偏移在1 mm以内,但横向侧移达10 mm以上。研究结果还发现在磁场作用下,质子在水与空气交界处的剂量无明显变化。结论:利用蒙特卡罗方法可以准确分析磁场下的质子辐射剂量。横向磁场的存在对质子在深度方向的剂量影响较小,但对横向剂量侧移影响较大,且与能量、磁场强度成正比,而电子回转效应对质子在水与空气交界处的剂量影响近似可以忽略。

辐射监测气溶胶制样方法测试对比

利用高纯锗(HPGe)γ谱仪对4种放射性气溶胶制样方法(灰化法、压片法、打孔法和折叠法)制得的样品进行了分析测试研究,4种制样方法对同一活度样品的分析结果的标准偏差在5%以内,验证了此4种方法的可靠性。利用标准源实验刻度和蒙特卡罗模拟计算,得到4种制样方法的探测效率从高到低依次是:灰化法、压片法、打孔法和折叠法,对于辐射监测常用的260 mm′210 mm滤膜,4种制样方法的探测效率最大相差55%;对于570 mm′470 mm的滤膜,则相差120%。以^(137)Cs为例,对比计算了4种制样方法的最小探测活度,分析了4种制样方法的适用范围。

微波消解法快速测定气溶胶中^(210)Po

作为氡衰变的长寿命子体的^(210)Po是具有α衰变的极毒性且挥发性较强的核素,容易吸附在气溶胶中,随呼吸进入人体从而造成内照射,危害人体健康,深受研究者的关注。本文将微波消解法用于测定气溶胶中^(210)Po的活度浓度,结果表明:微波消解方法获得的结果比传统方法高8%~36%,而且测量时间由传统方法的8天缩减为2天,并可同时处理更多的样品数量。相比于传统方法,大大加快了样品处理的速度,降低了损失率。

3MeV电子辐照加速器主厅内漂移管周围辐射场分析

对漂移管周围不同方向剂量水平及其影响因素进行定量评估,有助于对电子辐照加速器主厅内辐射分布建立定性认识。由于加速管沿程束流损失和来自辐照室的透射辐射对加速器主厅的贡献极小,辐照室内经过漂移管外孔隙的散射辐射是加速器主厅的主要辐射源。本文利用蒙特卡罗程序MCNP5对某3MeV高频高压加速器机房进行建模,着重探索不同类型地板圆形通孔对加速器主厅剂量的影响程度。结果表明,通孔直径对垂直方向剂量率的影响极小,而水平方向剂量率随直径的不同而变化明显。对于直径10cm左右的漂移管,通孔采用直径40–60cm圆孔较佳;通孔中采用阶梯型圆台结构不仅节省了加速器轴向高度,更能有效地降低漂移管周围的辐射水平。

CFETR氚增殖包层活化计算分析

运用蒙特卡洛程序MCNPX以及欧洲活化计算程序FISPACT-2007,分析了中国聚变工程实验堆(CFETR)满功率运行时产氚包层各分区的核热功率,计算了满功率运行时产氚包层在高能中子的照射下活化产物的放射性活度、典型栅元的停堆剂量率。计算结果表明,当CFETR在满功率运行一年后停堆,停堆时的包层总活度为6.61×10^(19)Bq,停堆十年后总活度降为7.98×10^(18)Bq,为刚停堆时总活度的12.1%。结果显示,CFETR包层设计不存在突出的安全问题。

电子辐照加速器屏蔽墙中预埋管道倾角对辐射防护性能影响的蒙特卡罗计算

电子辐照装置屏蔽墙中总存在一些较大口径的管道如辐照电缆传输孔道,这些管道的存在势必会降低屏蔽体的局部屏蔽能力。为定量评估管道对屏蔽效果的影响,本文以3 Me V电子辐照加速器为例,采用蒙特卡罗MCNP程序分别模拟计算了电子打靶以后产生的能谱中1 Me V以下和1 Me V以上不同单能光子入射同一屏蔽体时,管道以不同角度穿透屏蔽墙时管道出口处及屏蔽墙外辐射场分布;并比较了在不同墙厚下这两个能段对管道出口处辐射场的影响程度。计算结果表明:不同单能光子入射屏蔽体,在管道穿墙角度≥45°时,管道出口处辐射场变化不再明显,对于1 Me V以下的低能光子在墙外的透射辐射场基本可忽略,对于1 Me V以上的能量光子,其墙外光子透射辐射场随角度增大影响显著;随着墙厚增加,低能光子衰减越显著,高能光子在管道穿墙夹角设计中越占据了主导地位。

^(210)Po在吸烟过程中的分布

运用α能谱法分别测量了烟丝、烟灰、滤嘴中^(210)Po的含量,研究了吸烟过程中^(210)Po在香烟不同部分的分布情况。通过湿法消解方式分别消解了7种品牌香烟烟丝、烟灰以及滤嘴。测量结果表明,7种品牌香烟烟丝中^(210)Po的比活度范围是(28.13±1.75)-(47.78±2.83)m Bq·g^(-1),均值为36.60 m Bq·g^(-1);7种品牌香烟每支烟丝中^(210)Po的比活度范围是(14.39±0.90)-(27.91±1.65)m Bq,均值为20.77 m Bq。在吸烟过程中,平均13.24%的^(210)Po会滞留在烟灰中,平均14.39%的^(210)Po会滞留在滤嘴中,平均72.37%的^(210)Po会转移到燃烧烟雾中。

一个数字化的孕妇物理人模型的开发及其在核医药学上的应用

具有物理性质的人体解剖模型的开发是当今世界的前沿课题。国内的虚拟数字人体开发正在进行阶段 ,并将涉及物理性质的人体解剖模型的开发。本文结合实例阐述应用于核医学上的一个孕妇物理人模型的具体开发步骤 ,包括图像的获取、配准、分割、三维显示、以及如何将分割后的结果导入蒙特卡罗模拟计算程序EGS4。本文还介绍了相应的注意事项及应用软件工具 。