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基于蒙特卡罗计算的伽玛刀剂量学研究

作　者: 王军良
导　师: 杨国山
学　校: 中国人民解放军军事医学科学院
专　业: 放射医学
关键词: 蒙特卡罗 MCNP 伽玛刀剂量计算
分类号: R142
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

论文以我国自行研制并已投入临床使用的LunaTM-260全身伽玛刀治疗机为对象,研究了该伽玛刀单源和多源的静态聚焦的剂量学特性。目的,建立Luna伽玛刀的蒙特卡罗剂量计算模型,模拟计算伽玛刀剂量学参数。解决Luna伽玛刀在临床使用中单源的百分深度剂量(PDD)、组织最大剂量比(TMR)、射野离轴比(OAR)及输出因子等剂量学参数无法测量的问题,并将蒙卡计算结果与治疗计划系统的数据比较,对验证伽玛刀治疗的剂量准确性进行验证。课题涉及伽玛刀机头的几何建模、胶片剂量计的实验测量、蒙特卡罗程序的模拟计算等工作。论文介绍并论述了目前伽玛刀计划系统的剂量计算模型及优缺点以及蒙特卡罗方法的基本原理。着重论述了Luna伽玛刀计划系统采用的TMR-OAR剂量计算模型,涉及到的一些剂量学参数,讨论了蒙特卡罗程序MCNP4C对开展本研究的可行性和实用性。详述了基于Luna伽玛刀的机头结构、材料和尺寸,以及放射源的特征的MCNP剂量计算模型的几何建模。并通过与测量数据的比较来验证计算模型的正确性,基于所建剂量计算模型开展伽玛刀单源和多源聚焦的剂量学研究。伽玛刀的实验测量采用Gafchromic EBT2新型胶片剂量计。研究方法：通过建立伽玛刀剂量计算模型,分别计算单源和多源射束所有准直器在30cm×30cm×30cm水模体中的剂量参数和在直径16cm的伽玛刀专用有机玻璃球模中的等剂量分布。结果：模拟计算了luna伽玛刀6种准直器(4mm×4mm、8mm×8mm、14mm×14mm、14mm×20mm、14mm×40mm、14mm×60mm)单源和多源的在水模中的0.5cm、5cm及10cm深度出处的百分深度剂量及离轴比；计算了在专用测量球模中的等剂量分布曲线。在水模0.5cm深度处4、5、6号准直器的射野离轴比计算结果不好；5cm和10cm处的计算结果比较理想。根据百分深度剂量与组织最大剂量比的关系,由百分深度剂量数据得到组织最大剂量比的值。将单源方模中的组织最大剂量比的计算结果、计划系统中的原始数据(测量数据)及标准的组织最大剂量比曲线进行了比较：计算结果与标准曲线符合的较好,与TPS中数据(测量)有一定误差,最大误差不超过5%。对于l号准直器在0—5cm深度范围计算值比测量值大,5—15cm深度范围计算值与测量值基本一致,大于15cm的深度计算值比测量值小；对于其余的5个准直器计算值与测量值一致,测量值大于计算值,误差为2%-5%。单源方模中5cm深度处射野离轴比的比较结果：射野内的数值符合的较好,射野外的数值相差较大。每个准直器取其焦点处的剂量作为标准值,以6号准直器最为标准归一计算了6个准直器的输出因子,将其与测量结果比较。1号准直器相差较大(大于10%),其余均小于3%。结论：所建立的蒙特卡罗计算模型很好地验证了单源射野的百分深度剂量(PDD)、组织最大剂量比(TMR)、射野离轴比(OAR)及输出因子,计算结果与测量结果在误差范围(5%)内符合的很好；同时,对于多源聚焦的剂量分布特点进行了研究,给出luna伽玛刀的焦点剂量分布。研究结果表明所建立的luna伽玛刀蒙特卡罗剂量计算模型可以用于其剂量学参数的验证,很好地解决了单源剂量学参数无法测量的问题,同时对于伽玛刀的临床上计划设计和剂量计算起到一定的指导性作用。本工作为伽玛刀今后研究工作奠定了基础。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章前言  9-13
  1.1 立题依据  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-11
  1.3 主要研究内容和技术路线  11
  1.4 全文内容  11-13
第二章伽玛刀剂量学  13-23
  2.1 伽玛刀的发展史  13
  2.2 LUNA伽玛刀  13-16
    2.2.1 LUNA伽玛刀的组成  14-16
  2.3 LUNA伽玛刀的性能和特点  16-17
  2.4 临床剂量学常用术语定义  17-19
  2.5 伽玛刀的TPS算法  19-22
    2.5.1 规则射野剂量计算  20
    2.5.2 不规则射野剂量计算  20-21
    2.5.3 LUNA伽玛刀剂量计算模型  21-22
  2.6 小结  22-23
第三章伽玛刀的MCNP几何建模  23-41
  3.1 MONTE CARLO方法的原理  23
  3.2 MCNP计算程序  23-27
    3.2.1 输入文件的格式  24-26
    3.2.2 栅元描述格式  26-27
  3.3 LUNA伽玛刀结构  27-33
  3.4 几何简化过程  33-35
  3.5 几何模型的验证  35-40
  3.6 小结  40-41
第四章伽玛刀剂量分布的实验测量  41-54
  4.1 胶片剂量计(FILM DOSMITRY)  41-43
    4.1.2 GAFCHROMIC EBT2的结构组成  41-42
    4.1.3 EBT2胶片的应用  42-43
  4.2 仪器设备  43-44
  4.3 实验方法  44-50
    4.3.1 胶片刻度  44-46
    4.3.2 LUNA伽玛刀照射野的验证  46-50
  4.4 单源的胶片测量结果  50-53
  4.5 小结  53-54
第五章伽玛刀剂量学参数的模拟结果与分析  54-83
  5.1 单源的模拟结果  54-60
    5.1.1 百分深度剂量(PDD)  54-57
    5.1.2 射野离轴比(OAR)  57-60
  5.2 多源的模拟结果  60-71
    5.2.1 百分深度剂量(PDD)  60-62
    5.2.2 射野离轴比(OAR)  62-65
    5.2.3 剂量分布  65-71
  5.3 单源的计算结果与TPS数据的比较  71-81
    5.3.1 组织最大剂量比(TMR)  71-74
    5.3.2 射野离轴比(OAR)的比较  74-81
  5.4 总的输出因子SCP  81
  5.5 小结  81-83
第六章讨论  83-90
  6.1 EBT2胶片特性探讨  83-87
  6.2 影响MCNP的计算速度和精度因素  87-88
  6.3 结果误差分析  88-90
第七章结论和展望  90-91
  7.1 全文工作总结  90
  7.2 今后工作展望  90-91
参考文献  91-97
附录1 单源的OAR计算数据  97-102
附录2 多源的OAR计算数据  102-108
附录3 多源的焦点处的等剂量分布数据  108-116
综述  116-123
  参考文献  122-123
发表文章  123-128
致谢  128

基于蒙特卡罗计算的伽玛刀剂量学研究

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