基于蒙特卡罗方法与人体模型的硼中子俘获治疗硼浓度在线监测方法

针对现有的技术难以实现硼浓度在线分布实时监测,提出一种基于康普顿相机的双能瞬发γ硼浓度在线监测方法,并利用蒙特卡罗模拟对其可行性进行验证,实现了利用生成对抗网络算法快速提升康普顿相机重建图像质量的方法,训练后的网络可在0.83 s内优化原始图像,与反投影重建图像相比更接近真实的瞬发伽马分布图像;搭建双能瞬发γ硼浓度监测系统模型实现了基于新方法的硼浓度分布计算,肿瘤区域平均硼浓度计算结果为86.91 ppm,正常组织区域硼浓度为18.37 ppm,肿瘤区域硼浓度与正常组织区域的硼浓度比值平均为4.75,硼浓度比值的计算误差为5.00%,该结果验证了双能瞬发γ硼浓度监测新方法的可行性,为硼中子俘获治疗硼浓度在线监测方法提供了新的思路和理论指导。

空间辐射环境及人体剂量蒙特卡罗模拟

针对空间辐射环境进行了理论分析,并使用蒙特卡罗方法,对银河宇宙射线及典型太阳质子事件进行了模拟。通过分析常规屏蔽对空间辐射场及人体剂量的影响、屏蔽下的次级粒子产额等,验证了蒙特卡罗工具包Geant4应用于空间辐射防护研究的准确性。模拟发现:在常规屏蔽厚度的情况下,对于太阳质子事件,由于其能量主要分布在低能量段(100MeV以下),屏蔽效果随屏蔽厚度的增加明显增大,1g/cm2 Al等效厚度屏蔽皮肤剂量可降低至其初始剂量值的8%左右,10g/cm2 Al等效厚度的屏蔽可降低至初始剂量值的0.48%左右;而对于银河宇宙射线,由于其平均能量较高,屏蔽层的屏蔽作用并不明显,在浅层组织剂量甚至有所增加。

中国参考人系列模型的建立及外照射剂量学特征的研究

为探讨不同人种、不同姿势及新的组织权重因子对人体剂量学的影响,建立了基于GBZ/T200的中国参考人系列模型(包括立姿、坐姿、走姿的男女模型);结合蒙特卡罗程序计算得到不同射线能量、6种标准照射方式下的器官吸收剂量和有效剂量。结果表明,基于不同权重因子和不同种族参考模型可得到不同的有效剂量,尤其是低能阶段的差异较为明显;姿势的改变使得器官剂量和有效剂量有所变化,主要由于器官之间的屏蔽作用,体现在相对立姿时坐姿前后照射的有效剂量减小和走姿左右照射的有效剂量增加。进行辐射剂量学评估时,在低能阶段不同的影响因素对结果有较大的影响,而高能时不太明显,因此在进行医学影像等复杂辐射场的辐射防护工作时应注重实际情况的考虑。

医用炭/炭复合材料表面梯度CVD热解炭涂层的摩擦性能研究

采用医用炭/炭复合材料并通过梯度化学气相沉积法(CVD)在其表面制备热解炭涂层,研究分析了涂层的显微结构、摩擦系数、磨损情况.结果发现,该热解炭涂层表面被直径约20μm热解炭球致密覆盖,在断口处呈现紧密、多层的热解炭.与用沥青浸渍/炭化法制备的炭/炭复合材料相比,在干摩擦时,热解炭涂层样品的摩擦系数更大;在模拟人体关节的湿摩擦时,它的摩擦系数低;在干摩擦和湿摩擦的情况下,它的磨损要小很多.这些结果表明利用梯度的化学气相沉积法(CVD)制备医用炭/炭复合材料的涂层可以提高其表面的耐磨性.

等离子体预处理的炭/炭复合材料等离子喷涂制备羟基磷灰石涂层

为了提高等离子喷涂法所制羟基磷灰石涂层与炭/炭复合材料的结合力,采用氩气等离子体预处理结合等离子体喷涂法在炭/炭基体表面制备羟基磷灰石涂层,采用扫描电镜、X射线衍射仪、红外光谱仪、划痕仪等研究羟基磷灰石涂层的形貌、相组成以及羟基磷灰石涂层与基体的结合力。结果表明:采用或不采用等离子体处理炭/炭复合材料,羟基磷灰石涂层形貌和相组成接近,羟基磷灰石涂层的临界载荷分别为14.0 N、8.9 N,前者比后者临界载荷提高了57.3%。采用等离子体处理可提高等离子体喷涂羟基磷灰石涂层与炭/炭复合材料基体的结合力。

不同人体组织中^(192)Ir、^(125)I粒子源的剂量分布研究

目的:计算分析近距离放疗中不同粒子源、不同插植部位的剂量分布。方法:利用蒙特卡罗粒子输运工具包Geant4,计算近距离放疗中192Ir、125I两种粒子源在不同介质中剂量分布的差异,并根据美国医学物理学会43号工作组报告推荐的近距离放疗剂量计算公式(AAPM TG-43)对其重要参数进行修正。结果:计算得到192Ir源、125I源在三种不同组织等效材料中的径向剂量函数、各项异性函数。结论:(1)径向剂量函数决定于介质对光子的线能量衰减系数。衰减系数越大,径向剂量函数下降越快,反之越平缓;125I粒子源的径向剂量函数随距源距离增大而衰减的趋势远大于192Ir粒子源。(2)随着距源距离增大,骨、水等效组织中各向异性函数曲线趋于平坦,肺等效组织则没有变化。

模拟定位CT床板对放射治疗剂量的影响

目的研究不同定位CT床板对放射治疗剂量的影响。方法分别用碳纤床板、有机玻璃床板、普通CT凹形扫描床板、不用扫描床板对模体进行扫描,传输至计划系统,进行CT值采样,比较基于不同方法得到CT图像设计计划所得加速器输出量。结果与有机玻璃床板接触的模体部分CT值(如取样为1.25 cm及0.5 cm直径的圆相对偏差值分别为118.8%和205.6%),比不用扫描床板CT值大(P<0.01),其他扫描方法所得的CT值与不用扫描床板所得的CT值一致;在180°与有机玻璃床板接触的模体设射野时加速器输出量比不用扫描床板模体大0.9%,其他两种方法加速器输出量比不用扫描床板模体增大在0.5%内。结论射野穿过与有机玻璃床板接触的模体部位对剂量将有影响,而其他不同定位CT床板对放射治疗剂量的影响无临床意义;不同的治疗床板对剂量影响大小不一。

肿瘤患者体内金属植入物对放射治疗的剂量影响

现代医学适应诸多医疗需要,常在患者体内植入各种医用金属材料。而此类患者又需要施行放射治疗时,金属植入物对放疗照射剂量的计划与实施产生不良影响,成为高精度肿瘤放疗的障碍和安全隐患。以一前期进行过股骨置换手术的前列腺癌患者接受放射治疗为例,构建带有特定金属植入物和特定肿瘤信息的患者人体仿真计算模型,采用蒙特卡罗计算程序MCNP研究和分析外照射条件下金属植入物材料对人体体内辐射剂量的影响程度。研究结果表明,肿瘤放射治疗过程中金属植入物的剂量影响是客观存在的,而且导致相当程度的剂量偏差,包括植入物后端的剂量衰减和前端的剂量增强,由此产生的危害风险也应予以重视。

中国参考人孕妇模型的建立及其内照射剂量学研究

目的:由于胎儿具有较高辐射敏感性,对其进行内照射剂量学评估具有十分重要的意义。本研究通过建立基于中国人参考生理特征的中国孕妇参考人系列模型,对其进行内照射剂量学的研究,为孕妇等特殊人群内照射辐射防护工作提供技术及理论基础。方法:在MIRD模型的基础上根据中国参考人生理特征建立了中国参考人数学模型——"NHMAN 1.0",然后在此模型基础上依据孕妇生理参考数据进行改进,建立中国孕妇参考人模型。借助蒙特卡罗方法使用MIRD内照射计算模式对其进行内照射剂量学的研究。结果:采用Monte Carlo方法模拟了10 keV^4 MeV范围内9种不同能量的光子在人体组织器官内的输运过程,得出了各源器官不同能量的光子对胎儿及源器官自身的比吸收分数,以肾脏和肺为源器官为例,将结果与美国橡树岭模型(ORNL)的推荐值进行了比较;计算结果表明,计算发现靶器官对自身的SAF因子与ORNL孕妇模型总体相对差异较小基本吻合,而靶器官对胎儿的SAF因子与其差异相对较大。同时还计算了Ir192、Cs137、Co60在肾脏和肺部时,源器官对胎儿的S因子。结论:验证了该方法的可行性。基于中国参考人建立的孕妇模型与ORNL模型解剖结构有一定的差异,并在内照射SAF等辐射防护量上也有相应的差别,建议在国内进行辐射防护工作时使用基于中国参考人数据。

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0.3 MeV和1.0 MeV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0.3 MeV和1.0 MeV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ICRP 51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。

质子放疗过程中射束与人眼体作用的蒙特卡罗模拟计算

选用62MeV质子束,构建了人眼体MCNPX模型,模拟计算了质子束放疗过程中人眼体模型的剂量分布。模拟中考虑了两种情况:1)理想的治疗情况,肿瘤区的剂量值为50.03Gy,在有效的治疗水平上,同时其他组织受量都在可接受的剂量范围内;2)最坏的治疗情况,即模拟病人在放疗期间直视射束时的剂量分布,结果大部分剂量都沉积在了角膜、晶状体和前房,而肿瘤区的剂量为零。计算结果与有关文献报道的结果相吻合,初步证实了MCNPX程序能很好的模拟质子放疗,可用于病人放疗计划,而最坏治疗情况中的模拟结果可用于临床医学事故的剂量重建。

移动办公软件“钉钉”在“本科毕业设计”质量过程管理中的教学探索与实践

加强过程监督与管理是提高毕业设计水平的重要保障。运用物联网思维,将移动办公软件钉钉引入到本科毕业设计质量的过程管理中,探讨并设计考勤、审批、汇报等管理方案,论证其应用到过程管理的可行性;探索DING即时沟通功能在过程管理中的作用;收集并总结学生与教师试用钉钉软件的反馈信息,改善使用方式与方法;通过钉钉软件在毕设管理中的教学探索与实践,保障学生的毕设时间,解决或改善学生自身懒惰、拖延的问题,提高教师指导毕业设计的工作效率,对学校现有仅对毕设关键节点进行考核的本科毕业设计管理系统形成了积极补充。

基于蒙特卡罗方法的α粒子细胞S值计算

在放射性免疫治疗以及硼中子俘获治疗(BNCT)等放射性治疗过程中,α粒子通过与人体组织材料相互作用产生次级δ电子将能量传递给人体组织,放射性核素在细胞尺度分布的不均匀性将严重影响靶区剂量分布。为深入了解放射性核素在细胞中不同位置分布对靶区剂量影响,采用基于历史凝聚算法的Monte Carlo工具包Geant4编写了细胞S值计算程序。计算了2种细胞尺寸,12种α粒子能量,3种源分布方式的细胞S值,与医学内照射剂量(MIRD)委员会解析算法的计算结果进行对比,发现两者差异在1%以内。证明了Geant4在μm尺度下细胞剂量计算的可行性,并对BNCT治疗过程中产生的α粒子(1.47MeV与1.78MeV)的细胞S值进行计算。

超临界水冷堆中子能谱计算及安全性分析

超临界水堆是国际第Ⅳ代核能系统论坛推荐的六种第Ⅳ代核电反应堆堆型之一,与现有的轻水堆相比,具有热效率高、系统结构简单、造价低等优点。建立了MCNP程序下的超临界水堆堆芯物理计算模型,解决了燃料组件几何结构过于复杂精细难以建模的技术难题;考虑了堆芯轴向冷却剂密度的不均匀分布,计算并分析各区域的中子能谱分布;对失水事故下的超临界水冷堆安全性进行了分析,研究了不同区域冷却剂丢失程度对反应性及有效增殖系数的影响,表明所设计堆型具有较高的安全性;分析处理失水事故的应对措施,验证了使用注入硼水措施处理超临界水冷堆失水事故的可行性。

细胞尺度^(10)B不均匀分布对细胞微剂量影响的计算与分析

硼中子俘获治疗已经成为当前治疗恶性黑色素瘤、头颈部肿瘤等恶性肿瘤的有效手段之一。10 B在细胞尺度上不均匀分布将直接影响到对肿瘤细胞失活剂量的控制。为研究含硼化合物在细胞内空间上分布不同对靶区细胞微剂量的影响,本工作利用Monte-Carlo工具包开发了用于计算10 B(n,α)7 Li产生的α与7 Li对靶区剂量的模拟程序α-Li Version 1.0。通过此程序,计算了2种细胞尺寸、8种α粒子能量、3种源分布方式的细胞S值,并与MIRD委员会解析算法的计算结果进行对比,两者差异在1%以内;对不同细胞核半径、不同细胞半径及不同源位置等条件下的3 420种模型进行了模拟计算,证明了α粒子和7 Li粒子在细胞内的S值存在差异性;最终获得的10B(n,α)7 Li反应的细胞S值数据库,可用于细胞尺度10B不均匀分布情况下的高精度微剂量学计算。

用于BNCT-SPECT的帕维亚TRIGA MARK Ⅱ反应堆热柱优化设计

针对坐落于意大利帕维亚大学的TRIGA Mark Ⅱ反应堆热柱结构进行优化设计,从而满足面向硼中子俘获治疗(BNCT)的单光子发射计算机断层成像(SPECT)研究要求。为提高计算效率并减小统计误差,对比分析使用SSW/SSR方法与直接使用反应堆为源项时热柱内照射位置处中子能谱,其结果基本一致,从而验证了SSW/SSR方法的可靠性。为在该反应堆开展BNCT中SPECT实验,热柱中子束需准直为笔形束。对比分析四种热柱优化方案下束流口处及探测器处热中子和光子通量:40cm长石墨(射束口5cm×3cm);0.5cm厚硼包裹40cm长石墨(射束口5cm×3cm);30cm长天然锂聚乙烯(射束口直径4cm);30cm长天然锂聚乙烯(20cm长射束口直径5cm,5cm长射束口直径4cm,5cm长射束口直径2cm)。结果显示,射束口处热中子通量分别为1.05×108,2.52×107,6.08×107和5.10×107#/(cm2·s)。综合考虑中子准直效果及光子污染,方案三具有最优性能。为后续进行BNCT-SPECT理论和实验研究提供了基础,从而有效促进BNCT剂量准确评估方法的研究进程。

非小细胞肺癌自适应放疗肿瘤和肺体积比值变化对肺受照剂量的影响

目的探讨非小细胞肺癌自适应放疗中肿瘤和肺体积变化对肺受照剂量的影响。方法回顾性分析南京市胸科医院2016年1月到12月实施调强放疗的非小细胞肺癌患者120例,处方剂量66Gy/33f。参照ICRU63标准设计计划Plan0(66Gy/33f),记录肿瘤体积、肺体积以及相关危及器官受照剂量如肺受照剂量MLD、V20、V5等相关指标。实际执行计划40Gy/20f,记为plan1,再次进行CT模拟定位设计放疗计划Plan2(26Gy/13f)。将实际执行计划plan1和plan2融合叠加成plan1+2,比较plan0和plan1+2各危及器官受照剂量。结果随着肿瘤退缩,肿瘤和肺组织体积比值发生变化,在合适的时机进行自适应放疗,相比全程靶区和治疗计划无更改,心脏和脊髓受照剂量变化不明显,肺组织受量有显著差异,能够有效降低肺平均受照剂量(MLD)、接受20Gy剂量的肺体积(V20)等指标。结论非小细胞肺癌放疗到三分之二疗程进行自适应放疗,对于降低肺组织的受量,降低放射性肺炎的发生概率有积极意义。

放疗过程中金属植入物入射面处剂量扰动影响因素的研究

目的:放射治疗过程中金属植入物会对体内剂量分布造成影响,这种影响主要表现为散射电子背向散射造成的金属植入物入射面处剂量增强和由于金属植入物阻挡造成的出射面处剂量衰减。本文主要研究金属植入物入射面处剂量增强的影响因素及作用规律。方法:利用蒙特卡罗粒子输运程序MCNP建立内部含有金属块的水箱模型,通过改变金属植入物材质、厚度、宽度、在水箱中的深度、测量点距金属表面距离以及入射光子能量、照射面积等因素参数,研究以上因素对背散射因子的影响规律,并根据射线与物质相互作用原理进行物理分析。结果:通过模拟计算得到背散射因子与以上影响因素的关系。结论:(1)背散射因子对金属植入物的材质、厚度、测量点距金属表面的距离以及入射线束的能量等因素变化较敏感,而对金属植入物在水箱中的深度、宽度以及照射面积等因素的变化不太敏感。(2)研究结果与前人实验结果相近,证明MCNP程序能够很好地用于研究金属植入物入射面处的剂量扰动问题。

小样本训练模型在宫颈癌放疗中自动勾画可行性研究

目的评估小样本数据训练算法模型对于宫颈癌临床放疗中自动勾画的可行性。方法选取45例宫颈癌患者,由临床医生勾画临床靶区(Clinical Target Volume,CTV)及危及器官(Organs at Risk,OARs)。随机选择30例患者作为训练集传至AccuLearning平台进行自主训练,训练好的算法模型传至AccuContour平台,对剩余15例患者进行自动勾画,分析新模型自动勾画与手动勾画的相似性系数(Dice Similarity Coefficient,DSC),敏感性指数(Sensitive Index,SI),质心偏差(Deviation of Centroid,DC)以及体积差异系数(Deviation of Volume,DV),评估自动勾画的可行性。结果各个结构的DSC均值均高于0.85;除了CTV的SI=0.87,其余的均≥0.90;CTV和肠袋的DC均值介于3~6 mm,其余的均<3 mm;关于DV指数,最小的是骨髓3.86%,最大的是肠袋12.32%。结论小样本数据训练算法模型对于宫颈癌CTV及OARs的勾画具有较高的准确性,能较好地辅助临床工作。

基于蒙特卡罗方法的航空机组人员辐射剂量评估

采用辐射仿真人体面元模型和数字化飞机模型,基于蒙特卡罗方法开展了航空机组人员的航空辐射剂量研究。选取昆明至北京航线为例,评估了航空机组人员在该航线飞行时受到的航空辐射有效剂量率,分析了人体参数对航空辐射有效剂量率的影响,并探索了航线参数变化时机组人员受到的航空辐射有效剂量率的变化。结果表明,机组人员在昆明至北京航线受到的航空辐射有效剂量率为2.114μSv/h,基于中国人参考生理特征的体模和高加索人体参数体模的有效剂量率评估结果差异为25.3%;航线参数中航线的高度是最主要的影响因素,14 km飞行高度的航空辐射有效剂量率达到10 km高度时的1.8倍,同时,航线纬度升高时,机组人员受到的航空辐射有效剂量率也会产生显著的提升。该研究对航空机组人员的辐射剂量评估具有一定的参考和指导意义。