基于蒙特卡羅算法的重離子治癌裝置HIMM劑量學(xué)研究.pdf

1、重離子束具有倒轉(zhuǎn)的深度劑量分布（Bragg曲線(xiàn)）和Bragg峰區(qū)高的相對(duì)生物學(xué)效應(yīng)，在有效殺死腫瘤細(xì)胞的同時(shí)途經(jīng)的正常組織接受的輻射劑量較小，因此被認(rèn)為是理想的放療用射線(xiàn)。在實(shí)施放療之前，需要利用治療計(jì)劃系統(tǒng)模擬重離子在腫瘤靶區(qū)（GTV）的劑量分布情況，輔助醫(yī)生制定準(zhǔn)確的治療方案，使得射線(xiàn)在最大程度上殺死腫瘤細(xì)胞，同時(shí)盡量避免對(duì)正常組織的損害。
　　本論文基于蒙特卡羅粒子輸運(yùn)軟件MCNPX強(qiáng)大的幾何處理能力，反應(yīng)截面數(shù)據(jù)庫(kù)豐富等優(yōu)

2、勢(shì)，針對(duì)由中國(guó)科學(xué)院近代物理所研發(fā)的、中國(guó)首臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重離子（特指碳離子）治癌裝置—醫(yī)用重離子加速器（HIMM），開(kāi)展了一系列劑量學(xué)研究工作，主要研究?jī)?nèi)容和成果如下：
　　1.通過(guò)搭建SIMD并行計(jì)算機(jī)集群，采用MPI技術(shù)實(shí)現(xiàn)了MCNPX程序的并行計(jì)算，并用德國(guó)重離子研究中心（GSI）發(fā)布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)題驗(yàn)證了MCNPX程序用于模擬碳離子治療中劑量分布的可行性。結(jié)果顯示，MCNPX程序的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性較好，

3、坪區(qū)的偏差在±1.3％-3.3%之間，Bragg峰區(qū)的平均偏差不超過(guò)±3.8%。
　　2.開(kāi)發(fā)了解析傳輸接口軟件RTIM，采用交替和差分解法，通過(guò)凸實(shí)體的布爾運(yùn)算將邊界表示法（B-Rep）文件轉(zhuǎn)換，獲得了MCNPX可識(shí)別的構(gòu)造實(shí)體表示法（CSG）文件。建立了材料數(shù)據(jù)庫(kù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)與相應(yīng)實(shí)體間的邏輯映射關(guān)系。構(gòu)建了用于MCNPX模擬計(jì)算的HIMM治療終端的體表補(bǔ)償器、多葉準(zhǔn)直器、脊形過(guò)濾器、射程移位器模型。轉(zhuǎn)換前后模型的體積偏差較小，

4、證明了模型的正確性。
　　3.通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了HIMM裝置不同能量的單能碳離子束在水模中的深度劑量分布；經(jīng)過(guò)不同型號(hào)脊形過(guò)濾器展寬后的SOBP在水模中的深度劑量分布以及經(jīng)過(guò)不同水等效厚度的射程移位器降能后的碳離子束在水模中的深度劑量分布。利用建立的HIMM終端模型，在MCNPX中對(duì)上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，平均偏差不超過(guò)±4.6%。
　　4.將人體組織進(jìn)行矩陣網(wǎng)格化，為了確保所建立人體模型的精確性，采用了

5、107量級(jí)柵元對(duì)人體組織進(jìn)行模擬。通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的DCVM軟件，將CT文件集中的參數(shù)信息提取出來(lái)，賦予每個(gè)柵元相對(duì)應(yīng)的密度、組織元素等物理和幾何結(jié)構(gòu)信息，建立了基于CT圖像的精確人體模型，并利用VTK和Matplotlib兩款軟件實(shí)現(xiàn)了人體模型的三維和二維可視化。
　　5.通過(guò)DCVM軟件提取某結(jié)腸癌患者的CT信息，解析與該患者的治療計(jì)劃，包括入射束流能量、脊形過(guò)濾器型號(hào)、多葉準(zhǔn)直器以及體表補(bǔ)償器形狀。建立相應(yīng)的HIMM終端模型，采