磁场对MERT中次级光子剂量分布影响的蒙特卡罗研究

目的:磁场调制下的电子调强放射治疗可以有效的增加电子束的剂量跌落。电子束产生的次级光子将对靶区后的正常器官产生受量,本文以Monte Carlo的模拟计算研究磁场对电子束产生次级光子的剂量和剂量分布的影响。方法:将几种不同能量的电子束作为外照射源,以置于不同强度磁场下的三维水模为介质模型,使用FLUKA程序模拟电子束垂直入射到水模中引起的电子与物质的相互作用。结果:磁场对电子束的作用会减少水模次级光子的剂量,特别是穿透深度后的X射线污染区剂量迅速跌落。结论:磁场调制下的电子调强减少了电子束的X射线污染,这进一步降低了靶区后正常器官的受量,这意味着磁场调制下的电子调强放射治疗具有相当大的应用前景,但同时为磁场与放疗设备的整合和剂量算法研究带来了挑战。

医用直线加速器无均整器下6MV X线能谱特性的蒙特卡罗研究

目的:利用蒙特卡罗方法研究医用直线加速器产生的6 MV-X射线在有均整器和无均整器状态下,光子能谱和空间分布的差异。方法:使用Geant4蒙特卡罗模拟程序计算医用加速器射野大小分别为5 cm×5 cm、10 cm×10 cm、15 cm×15 cm和20 cm×20 cm的6 MV-X射线在具备均整器和移除均整器条件下,初始光子的能谱和空间分布。结果:均整器移除后光子能谱光子注量变大,且随着射野的增大,射野内光子通量比值都明显减小,而且平均能量明显降低。此外,均整器的移除改变光子的相对分布,射野外光子数在整个相空间平面内光子中所占份额明显减少,而且与射野大小有关,5cm×5 cm时减少6.00%,10 cm×10 cm时减少4.42%,15 cm×15 cm时减少3.48%,20 cm×20 cm时减少2.28%,这表明移除均整器对于尺寸较小的射野意义重大。结论:均整器的移除可以优化射野的能谱分布,特别是对于调强放射治疗无均整器模式成为更有益模式。但是,由于均整器移除后导致的高剂量率在提高治疗增益的同时也带来了治疗风险,因此需要更进一步的研究和论证。

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。

基于蒙特卡罗模拟的^(9)C重离子衰变产物对细胞损伤的分析

目的探究^(9)C重离子治疗中因自身衰变产生的缓发粒子对细胞产生的辐射损伤和在单个V79中国仓鼠肺细胞模型上的微观剂量以及引起的生物学效应。方法采用蒙特卡罗程序模拟多种能量(3~10 MeV)α粒子在细胞(细胞半径R_(C)=10μm,细胞核半径R_(N)=5μm)中的输运后细胞核内吸收剂量结果,并与医学内照射剂量(MIRD)方法S值(S_(N←N),S_(N←Cy),S_(N←CS))进行比较,证明该方法的可行性,最后使用蒙特卡罗方法模拟计算^(9)C重离子分别在V79细胞模型表面、细胞质内以及细胞核3种位置处衰变生成的缓发粒子(α粒子和质子)在靶中输运能量沉积情况及细胞生存率。结果蒙特卡罗模拟结果与MIRD方法S值进行比较,靶源组合从细胞核到细胞核S_(N←N)值的差异为1.91%~4.95%,细胞质到细胞核S_(N←Cy)为1.48%~5.11%,细胞表面到细胞核S_(N←CS)差异为-1.99%~0.80%,证明蒙特卡罗计算值与MIRD方法S值吻合较好(差异值均<6%)。当一个^(9)C离子在V79细胞模型表面衰变产生次级粒子进入细胞,细胞核内平均吸收剂量为10^(-2) Gy数量级,计算细胞生存率约为88%;衰变在细胞质中进行,计算细胞生存率约为80%;当碳离子直接进入细胞核中衰变,α粒子射程短并将大部分能量沉积在细胞中(细胞核内平均剂量0.1 Gy数量级),造成细胞损伤较大,细胞存活的概率约为53%。结论^(9)C离子自身衰变发射次级带电粒子,其中α粒子进入细胞核时对细胞造成的损伤较大,生物学效应明显。

MRI引导放射治疗中电子回转效应的蒙特卡罗研究

为了研究磁共振引导放射治疗对剂量分布的影响,采用蒙特卡罗方法研究了横向均匀磁场对6 MV光子束在4种不同人体组织材料与空气界面处因电子回转效应导致剂量分布的改变。模拟显示,对于电离能相近的几种材料,磁场对剂量分布扰动的差别较小,而且电离能较大的材料,这种扰动明显变小。结果表明,磁场的引入会影响光子束原有的剂量分布,且这种影响与材料的电离能有关。这意味着虽然磁共振引导放射治疗可以增强靶向精度,提高治疗效果,但磁场会导致光子束剂量分布的改变,且不同的组织这种改变也不相同,这将为相应的剂量算法研究带来了新的挑战。

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。

加速器机架旋转加速度约束条件对VMAT计划的影响研究

目的研究直线加速器机架旋转加速度设置,对多病种容积旋转调强(VMAT)计划剂量学、机器效率和计划验证结果的影响,探讨机器模型中机架加速度约束条件的优化选择。方法分别选取10例鼻咽癌、非小细胞肺癌、乙状结肠腺癌腹膜后淋巴结转移和乳腺浸润性导管癌病例,在Pinnacle v9.10计划系统中建立允许机架旋转加速度变化和限制机架旋转加速度变化的两种机器模型,采用相同射野布置、优化目标参数和优化权重设计VMAT计划,分析各病种不同机架旋转加速度设置下靶区和危及器官剂量学变化,比较治疗时间和计划验证γ通过率的差异。结果入组病例采用允许机架旋转加速度变化的机器模型:治疗时间显著低于机架匀速运动组(t=-6.751、-0.209、-19.523、-28.999,P<0.05),分别降低了15.27%、18.07%、19.71%和28.75%,同时影响靶区适形性和均匀性,但计划验证γ通过率均无统计学意义(P>0.05);对于鼻咽癌病例,脑干计划危及器官(PRV)最大剂量增加1.25%;对于肺癌病例,脊髓最大剂量和全肺V_(20)增加了1.19%和1.21%,全肺V_(5)降低了1.21%;对于腹膜后淋巴结放疗病例,双侧肾脏、肝脏、小肠和结肠平均剂量均有增加;对于乳腺癌病例,患侧肺V_(10)增加了1.66%,健侧肺平均剂量降低了7.45%。结论允许机架加速度变化模型设置可显著缩短计划治疗时间,提高治疗效率。虽一定程度上降低靶区适形性和均匀性,增加部分危及器官剂量,但仍符合临床剂量学要求。在Pinnacle v9.10机器模型机架加速度约束设置中,推荐使用允许机架变速运动设置。