质子束流蒙特卡罗模型的建立及对脊形滤波器的探究

目的:探究脊形滤波器结构对质子束流展宽的影响。方法:利用蒙特卡罗程序FLUKA建立质子束流模型,并进行验证。模拟质子束流通过三棱柱型(A型)和金字塔型(B型)两种脊形滤波器,比较使用和不使用脊形滤波器的模拟值:束流前端最大剂量50%到束流末端最大剂量50%的宽度(E50-D50)、束流前端80%到束流末端80%的宽度(E80-D80)及束流末端80%到束流末端20%的宽度(D80-D20)。结果:根据模型计算出的121.1 MeV质子对应的模拟值绘制的积分深度剂量曲线与实际测量的积分深度剂量曲线,E50、E70和D80位置偏差不超过0.06 mm;A型相比B型将E50-D50平均多展宽了0.80 mm,将E80-D80平均多展宽了0.27 mm,将D80-D20平均多展宽了0.08 mm。结论:建立的质子束流蒙特卡罗模型合理,三棱柱型(A型)脊形滤波器展宽质子束流的效果更好。

中国女性参考人体素模型的开发

利用分割后的中国女性虚拟人体数据集,建立可视化人体模型,通过校正人体模型的身高、体重和器官/组织质量,从而建立用于辐射剂量学计算的中国女性参考人体素模型。校正后的模型身高和体重与中国成年女性参考人数据完全一致,器官质量与参考人数据基本一致。再利用MCNPX粒子输运程序对校正前后的两个模型进行模拟,计算了外照射中子剂量转换系数,并将校正后模型的计算结果与ICRP参考人体素模型的计算结果进行了比较。总体上,器官剂量当量和有效剂量与ICRP参考人数据趋势符合较好,但是由于模型之间的差异,不同的胸腔厚度,器官相对位置等因素导致器官剂量当量有较大差异,有些差异甚至达到50%以上。

Dose rate distribution of photoneutrons in an ID beamline of SSRF: simulations and measurements

Photoneutrons, emitted by means of photonuclear interactions when gas bremsstrahlung interacts with beamline components, can be another potential radiation source needed to be considered for shielding design and dose assessment of beamline. In this paper, simulations and measurements of photoneutrons dose rate at beamline BL09 U are carried out when Shanghai Synchrotron Radiation Facility(SSRF) running at Top-up mode(3.5 GeV, 235 mA). A geometry model is constructed for the beamline BL09 U with considerations of the scattering process of the major optical components. The model is compiled into Monte Carlo simulation code FLUKA to calculate photoneutron dose distribution. Measurements of the photoneutrons dose rate were performed by using Environmental Neutron Monitor(ENM). Observation points were arranged uniformly along the inside and outside of the optical enclosure(OE) of BL09 U. The calculation results agree with experiments within the measurements uncertainties. It is verified that photoneutrons dose simulation is reliable. The simulation and measurement methods can be applied to evaluate the neutron dose level of other beamline stations, and provide references for the shielding design of the beamlines at SSRF in the near future.

散射中子对带屏蔽体的252Cf同位素中子源辐射场的影响

同位素中子源和中子刻度室在实际使用中通常带有屏蔽体。本文采用蒙特卡罗计算与实验结合的方法,研究了散射中子对带屏蔽体的252Cf同位素中子源辐射场的影响。通过计算带屏蔽体的252Cf中子源和裸252Cf中子源的中子能谱、中子注量率和中子周围剂量当量率,分析了屏蔽体产生的散射中子对辐射场的影响。依据蒙特卡罗计算所获得的有、无源室墙壁、地面和屋顶条件下的中子注量率和中子周围剂量当量率,分析了源室墙壁、地面和屋顶所产生的散射中子对辐射场的影响。计算结果表明,该中子辐射场的平均中子通量-周围剂量当量转换因子由裸252Cf中子源的385 pSv·cm2降至280 pSv·cm2,源室的墙壁、地面和屋顶产生的散射中子对中子注量率与中子周围剂量当量率的影响与距中子源的距离平方成正比。中子周围剂量当量率仪的实验测量结果与理论计算结果符合良好,验证了计算结果的可靠性。本研究为利用非标准同位素中子源中子参考辐射场进行辐射防护仪表的校准提供了一种实践可行的方法,具有很好的实用性。

点扫描质子束治疗机头的蒙特卡罗模拟和验证

目的利用蒙特卡罗程序模拟点扫描质子束治疗机头,建立精准的质子束流蒙特卡罗模拟计算模型。方法利用蒙特卡罗程序FLUKA,结合上海市质子重离子医院治疗机头几何结构,建立点扫描质子束治疗机头的蒙特卡罗模型。通过对不同能量下水中积分深度剂量分布,等中心点处空气中束斑大小的测量和模拟,建立精准的模拟模型。利用该模型模拟质子束扩展布拉格峰,并与对应治疗计划系统(treatment planning system,TPS)计算结果进行比较分析。结果对于射程末端90%积分深度剂量值,各能量下模拟和测量的偏差均不高于0.5 mm。而对于80%至20%末端跌落,各能量质子的模拟和测量的偏差在0.1 mm以内。质子束流束斑大小的模拟与测量结果偏差最大为0.45 mm。对扩展布拉格峰的剂量验证的模拟与TPS计算结果进行对比,γ分析通过率高于90%(2 mm,2%标准)。结论利用蒙特卡罗程序FLUKA可以建立点扫描质子治疗机头模型,该模型满足临床要求,可以精确地模拟点扫描质子束的输运。该模型通过测量验证,可以作为剂量验证工具,评估临床治疗计划,能够减少剂量验证所需的束流时间,从而增加患者治疗数量。

质子和碳离子治疗中CT值与相对阻止本领转换曲线的测量

目的 利用计算机断层扫描设备（CT）及质子重离子装置测量组织等效模体CT值与其对应的相对阻止本领转换曲线。方法 CT值与粒子阻止本领转换曲线在一定程度上决定了剂量计算的准确性。利用12个组织等效模体材料，经计算机断层扫描，获得其对应CT值，再利用质子重离子射线装置的质子、碳离子束流测量这些模体的相对阻止本领，从而获得CT值与质子、碳离子相对阻止本领转换曲线。结果 除肺等效模体以外，其他组织等效模体利用质子和碳离子束流测量得到的相对阻止本领之间的差异≤0.64%。结论 针对质子和碳离子束流，分别建立了基于等效模体测量的CT值-相对阻止本领转换曲线。

离线模式下PET/CT显像验证质子放疗精准度的模型实验

目的通过对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)模体行离线模式下PET/CT显像,探讨PET-边界验证方法(PET-RV)用于定量分析质子放疗精准性的可行性。方法在PMMA模体上分别给予2 Gy和4 Gy的照射剂量,对每个剂量组根据临床靶区(CTV)的不同,以2.5 cm为步进分别设计7个照射深度组(5.0、7.5、10.0、12.5、15.0、17.5、20.0 cm),共14个照射计划(14组照射野)。以能量在48~221 MeV之间的质子束照射,照射结束后10 min左右进行PET/CT显像。对PET/CT数据分别进行图像配准、平滑和约化等预处理,然后利用Raystation PET-RV软件对图像进行感兴趣区(ROI)的确定和采样线的抽提,通过生成的预测感生放射性活度与实际采集感生放射性活度采样线计算ΔR50,即2条曲线末端在最大预测感生放射性活度最大值下降一半(V50)处对应的空间位置差异。结果每个照射野的ROI均为5.0 cm×5.0 cm×2.5 cm的立方体,采样线在其内间隔3 mm均匀分布,共得到289组采样线。14组数据经分析后得到的ΔR50(深度差异)均值都处于-1~1 mm之间。结论离线模式下PET/CT显像示PET-RV算法对PMMA模体质子放疗空间位置差异的验证精度在1 mm之内,可以满足后期对临床病例分析的精度要求。

质子重离子肿瘤放疗的临床注册试验初步报告

目的探讨IONTRIS粒子放疗设备临床应用的安全性和有效性。方法2014年6月至2014年8月间共有35例肿瘤患者入组，其中男性31例，女性4例：年龄36～80岁，中位年龄69岁。头颈肿瘤10例（均为手术后复发），胸部肿瘤4例，原发性肝癌1例，腹膜后肉瘤术后复发1例．前列腺癌19例。碳离子照射剂量为2．74—10GyE／次，质子照射剂量为2—5．5GyE／次，5次／周。放疗前对每个放射野进行水箱剂量验证。结果碳离子照射22例，质子照射13例。放疗后1年，35例患者全部生存。在16例头颈部、胸部和腹盆腔肿瘤患者中，完全缓解2例，部分缓解1例，疾病稳定12例，疾病进展1例，1年无进展生存率为93．8％（15／16）。19例前列腺癌患者的1年无生化复发生存率为100％。35例患者对粒子放疗的耐受性良好，放疗期间的美国东部肿瘤协作组评分和体重无明显改变。25例（71．4％）患者发生了与粒子放疗相关的急性不良事件（AE）33例次，均为1级．在放疗1年时急性AE全部消失。有6例（17．1％）患者在放疗后1年发生后期AE6例次，全部为1级。结论采用IONTRIS设备治疗肿瘤患者安全、有效。

EBT3和EDR2胶片对扫描束碳离子剂量的响应研究

目的 研究EBT3和EDR2胶片对于不同传能线密度和剂量碳离子响应。方法 EBT3和EDR2胶片采用两种方法进行光密度-剂量校准：一是将胶片放置在固体水与束流垂直测量深度，每张胶片接受同能量不同剂量碳离子照射；二是将多张完整胶片放置与束流垂直固体水不同深度，采用碳离子单次照射，在胶片不同区域形成不同物理剂量校准野。结果 在测量范围内，EBT3胶片光密度-剂量校准曲线（下称校准曲线）呈双曲线型，不同传能线密度校准曲线间最大差异为±17%；而EDR2校准曲线呈直线形，不同传能线密度间差异为±27.4%；两种胶片剂量响应均受碳离子在胶片测量深度传能线密度影响，传能线密度越大，胶片光密度响应越低；EBT3胶片灵敏度与剂量呈反比，但EDR2胶片灵敏度则与剂量无关。结论 EBT3胶片响应受传能线密度和剂量双重影响，限制了其在碳离子剂量测量方面的应用。EDR2胶片响应虽受传能线密度影响更大，但受单能碳离子照射时，由于其灵敏度与剂量无关，可用于单能碳离子剂量测量。

质子重离子治疗靠近消化道肝癌的剂量学研究

目的 研究使用质子重离子放疗（离子放疗）治疗近消化道肝癌相对光子放疗的剂量学的优势。方法 选取10例肿块紧邻消化道器官放疗患者。治疗处方为用质子照射计划靶区1（PTV-1）50 Gy （RBE）分25次,然后用碳离子照射计划靶区2（PTV-2）15 Gy （RBE）分5次。采用相同数据和处方制定光子同步加量计划,危及器官限值参照RTOG1201。所有计划在满足危及器官限值前提下进行剂量评估。结果 光子计划PTV-1的95%处方剂量线覆盖V95略好于离子计划[（97.15±4.27）%：（96.25±6.69）%,P=0.049],光子计划PTV-2的V95与离子计划相近[（95.12±3.49）%：（94.60±6.22）%,P=0.277]。离子计划受照组织（Body-PTV-1）积分剂量仅是光子计划的39.9%,肝-GTV平均剂量仅为光子计划的81.8%,胃和十二指肠低剂量照射体积显著低于光子计划。结论 肝-GTV受量是制约放疗靶区总剂量提升的主要因素;当肝内GTV较大时离子相比光子能维持相近靶区覆盖同时显著降低肝-GTV受量。

用于碳离子束流布拉格峰展宽的新型多孔结构体的模拟

模拟了一种新型的多孔结构体(PS 2.0)用于展宽碳离子束流的布拉格峰。使用蒙特卡罗程序FLUKA建立了第一代波纹滤波器、PS 2.0和PS 1.0的几何模型,并比较了三者对束流的调制效果,包括展宽效果、束流均匀性和等中心束斑大小。结果显示:与PS 1.0相比,经PS 2.0展宽后的碳离子束流后沿半影宽度减少了最多1.11 mm;使用PS 2.0调制后的束流具有良好的均匀性;在相同射程深度下,当PS 2.0与等中心位置之间的距离小于10 cm时,使用PS 2.0后的等中心束斑最多减少了1.72 mm(13.93%)。表明PS 2.0能够在展宽布拉格峰的同时兼顾后沿半影的宽度,保证了调制后束流的均匀性,并在一定程度上减小了等中心束斑的大小。

肝动脉化疗栓塞后碘油沉积对碳离子放疗剂量的影响

目的研究肝动脉化疗栓塞治疗后肝脏肿瘤内碘油沉积对碳离子放疗剂量的影响。方法对比纯碘油、纯凝胶和碘油凝胶混合物实际相对水阻止本领(RLSP)和其CT图像转化获得的RLSP。在7例典型有碘油沉积病例的CT图像上制定碳离子放疗计划,然后基于前述分析结果,将碘油沉积区域RLSP修正为正常肝组织,将先前制定碳离子放疗计划在修正后CT图像上重新计算,比较在不同CT图像上等效水深度和剂量分布的差异。结果依据CT图像HU值,碘油和碘油凝胶混合物转化的RLSP比实际测量值增加4.6%~139.0%。7例临床病例中,原始图像上碘油沉积可致射野路径上的等效水深度平均增加(0.89±0.41)cm,可使靶区远端1 cm区域内平均剂量升高(3.83±1.71)Gy(相对生物剂量)。结论在肝动脉化疗栓塞治疗后有碘油沉积的CT图像上制定碳离子治疗计划时需将碘油沉积部位的HU值或RLSP修正为正常肝组织。

点扫描碳离子束流模型的蒙特卡罗模拟与验证的初步研究

目的:使用蒙特卡罗程序FLUKA建立点扫描碳离子束流模型并对其进行验证。方法:使用FLUKA建立同步加速器碳离子束流治疗头的几何模型,匹配实验测量数据中的单能标称能量、高斯能谱分布、初始束斑大小以及束流的角分布等各项参数;利用治疗计划系统生成碳离子束流治疗计划,通过γ分析比较FLUKA束流模型与治疗计划系统输出的剂量分布差异,验证该模型的准确性。结果:单能碳离子束流的深度剂量分布差异均在0.1 mm之内,束斑大小最大差异为0.17 mm;对于每个靶区,2 mm/2%标准下的2D-与3D-γ通过率均在95%以上。结论:基于蒙特卡罗程序FLUKA实现了点扫描碳离子束流输运过程的精准模拟。该模型能够用于临床治疗计划的模拟验证,并进一步应用于新型粒子治疗设备在开发阶段的模拟以及生物有效剂量的计算。

离线PET-CT在体生物验证量化评估质子放疗精准度的临床研究

目的精确评估乳腺癌保乳术后辅助质子放疗患者自由呼吸对质子束流末端截止位置的影响。方法选取20例乳腺癌保乳术后质子放疗患者,照射结束后10 min左右进行PET‐CT扫描,图像在Raystation RV工作站上进行感兴趣区的确定和采样线的抽提,计算同一空间位置的预测感生放射性和由PET采集得到的真实感生放射性之间的空间差异ΔR_(50),将每对采样线的深度误差值ΔR_(50)进行二维转化和束流视野投影。结果20例乳腺癌患者中位随访时间22个月,随访期内未观察到放射性肺炎的发生。20例患者进行了21例次验证,结果显示均匀分布的主视野、副视野的深度误差分别为(-0.75±1.89)mm、(-0.82±2.06)mm,序贯治疗的主视野、副视野深度误差分别为(1.81±1.87)mm、(1.32±1.74)mm,同步加量的主视野、副视野的深度误差分别为(-1.47±1.44)mm、(-1.48±2.11)mm。结论离线PET‐CT在体生物验证结果显示,乳腺癌质子射线的束流末端截止误差在3 mm内,满足临床与物理师对乳腺癌治疗的精度要求。

探测临床质子碳离子布拉格峰声信号的初步研究

目的验证一种高灵敏度宽频声学探测器测量临床质子碳离子布拉格峰声信号可行性。方法将该声学探测器紧贴在圆柱状水箱后方。水箱水等效深度使用寻峰设备(Peakfinder,PTW,德国西门子)经高能质子测定。通过固定总离子数,分别改变离子流强和布拉格峰到探测器前表面距离来研究布拉格峰声信号强度与探测器到布拉格峰距离和流强关系;改变束流与探测器侧向位置来研究测量布拉格峰横向半高宽可行性。结果束流开始或束流结束产生的声脉冲幅度可间接表示声信号强度。质子布拉格峰声信号强度与探测器到布拉格峰深度距离呈反比,与流强呈正比,125.43 MeV质子布拉格峰横向半高宽与治疗计划系统模拟值最大偏差11.7%(取束流开始或结束测量数据中最大值)。碳离子呈相似规律,但178.89 MeV/u碳离子布拉格峰横向半高宽比治疗计划系统模拟值偏大45.6%(束流结束测量值),探测器到布拉格峰深度距离可显著增加至67.7 mm。结论该声学探测器可有效探测质子碳离子布拉格峰声信号,但需进一步降低噪声影响。

上海光源光束线站BL18U轫致辐射剂量的计算与测量

轫致辐射是第三代先进同步辐射光源光束线站辐射屏蔽的重点。上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)是国际上正在运行的第三代先进同步辐射光源之一。上海光源蛋白质微晶结构光束线(BL18U)线站是正在试运行中的光束线站。本文采用FLUKA软件模拟计算了蛋白质微晶结构光束线(BL18U)线站因轫致辐射的散射和光中子引起的辐射剂量率分布。分析了因狭缝开孔尺寸、储存环内流强的变化所引起的辐射剂量变化。用高灵敏度的光子和中子探测器测量了BL18U光学棚屋外的光子和光中子剂量率。测量结果表明模拟计算的可靠性。本研究采用的模拟和测量方法可用于其它线站的辐射剂量水平评估,并为上海光源后续线站的屏蔽设计提供参考。