【摘要】：重離子束具有倒轉的深度劑量分布(Bragg曲線)和Bragg峰區(qū)高的相對生物學效應,在有效殺死腫瘤細胞的同時途經(jīng)的正常組織接受的輻射劑量較小,因此被認為是理想的放療用射線。在實施放療之前,需要利用治療計劃系統(tǒng)模擬重離子在腫瘤靶區(qū)(GTV)的劑量分布情況,輔助醫(yī)生制定準確的治療方案,使得射線在最大程度上殺死腫瘤細胞,同時盡量避免對正常組織的損害。本論文基于蒙特卡羅粒子輸運軟件MCNPX強大的幾何處理能力,反應截面數(shù)據(jù)庫豐富等優(yōu)勢,針對由中國科學院近代物理所研發(fā)的、我國首臺擁有自主知識產權的重離子(特指碳離子)治癌裝置—醫(yī)用重離子加速器(HIMM),開展了一系列劑量學研究工作,主要研究內容和成果如下:1.通過搭建SIMD并行計算機集群,采用MPI技術實現(xiàn)了MCNPX程序的并行計算,并用德國重離子研究中心(GSI)發(fā)布的實驗數(shù)據(jù)作為基準題驗證了MCNPX程序用于模擬碳離子治療中劑量分布的可行性。結果顯示,MCNPX程序的模擬結果與實驗結果一致性較好,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±3.8%。2.開發(fā)了解析傳輸接口軟件RTIM,采用交替和差分解法,通過凸實體的布爾運算將邊界表示法(B-Rep)文件轉換,獲得了MCNPX可識別的構造實體表示法(CSG)文件。建立了材料數(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)庫與相應實體間的邏輯映射關系。構建了用于MCNPX模擬計算的HIMM治療終端的體表補償器、多葉準直器、脊形過濾器、射程移位器模型。轉換前后模型的體積偏差較小,證明了模型的正確性。3.通過實驗測量了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)過不同型號脊形過濾器展寬后的SOBP在水模中的深度劑量分布以及經(jīng)過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中對上述實驗進行了模擬,模擬結果和實驗結果符合較好,平均偏差不超過±4.6%。4.將人體組織進行矩陣網(wǎng)格化,為了確保所建立人體模型的精確性,采用了107量級柵元對人體組織進行模擬。通過自主開發(fā)的DCVM軟件,將CT文件集中的參數(shù)信息提取出來,賦予每個柵元相對應的密度、組織元素等物理和幾何結構信息,建立了基于CT圖像的精確人體模型,并利用VTK和Matplotlib兩款軟件實現(xiàn)了人體模型的三維和二維可視化。5.通過DCVM軟件提取某結腸癌患者的CT信息,解析與該患者的治療計劃,包括入射束流能量、脊形過濾器型號、多葉準直器以及體表補償器形狀。建立相應的HIMM終端模型,采用MCNPX模擬了碳離子束在該患者體內的劑量沉積情況。結果顯示碳離子束在排空的腸管中沒有能量沉積,能量均沉積在灰色和灰白色的人體病變組織區(qū)域,并且病變組織體與排空腸管間能量沉積的界面清晰,模擬結果與治療計劃系統(tǒng)的預期較好的符合,進一步驗證了運用蒙特卡羅程序MCNPX在HIMM劑量分布計算中的有效性和準確性。
【學位授予單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：R730.55;TL56
【圖文】：

第一章 緒論目前全球發(fā)病和死亡的主要原因之一是惡性腫瘤，2012 年全球約有 1400 萬新發(fā)癌癥病例和 820 萬例癌癥相關死亡[1]，預計今后二十年新發(fā)病例數(shù)將增加約70%。全世界每年逾 60％的癌癥新病例發(fā)生在亞洲、非洲和南美洲及中美洲，這些地區(qū)約占全世界癌癥死亡數(shù)的 70％[1]。在 2012 年由于癌癥死亡的 820 萬人中癌癥的主要種類為：肺癌（159 萬例死亡）；肝癌（74.5 萬例死亡）；胃癌（72.3萬例死亡）；結腸直腸癌（69.4 萬例死亡）；乳腺癌（52.1 萬例死亡）；食道癌（40萬例死亡）[2]。我國 2014 年因癌癥死亡 220.52 萬人，其中男性死亡人數(shù) 142.57萬，女性死亡人數(shù) 77.95 萬。圖 1-1 和圖 1-2 分別列舉了 2014 年我國因癌癥死亡人口數(shù)量和患不同癌癥的人口數(shù)量。圖中顯示，男性患者中肺癌的數(shù)量最多，達到 45.9495 萬人，致死率也是最高的。女性患者中肺癌和乳腺癌發(fā)病率最高，達到 38.056 萬人[3]。

人口數(shù)量和患不同癌癥的人口數(shù)量。圖中顯示，男性患者中肺癌的數(shù)量最多，達到 45.9495 萬人，致死率也是最高的。女性患者中肺癌和乳腺癌發(fā)病率最高，達到 38.056 萬人[3]。圖 1-1 2014 年中國因不同癌癥死亡人數(shù)比例圖[3]

底腫瘤、眼部黑色素瘤、括顱底脊索瘤和軟骨肉瘤等惡性腫瘤，均得到了較好的治療效果。圖1-3 國際上重離子治療裝置布局美國：重離子治療癌癥的技術起源于美國。1947年E. Lawrence在美國 University ofCalifornia (UC) Berkele大學成功建成184T同步回旋加速器。1954年E. Lawrence、Cornelius A. Tobias、John H. Lawrence 在實驗動物取得一定效果后[6]進行了首例高能質子束人體癌癥治療試驗[7]。1975 年美國勞倫斯伯克利國家實驗室

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 賈信群;日本公布重離子治癌結果[J];國外核新聞;1996年05期

2 陳文軍;滿開第;王少明;蔡國柱;楊勝利;郭藝珍;袁建東;;蘭州重離子治癌研究裝置的準直測量技術[J];核技術;2010年01期

3 李桂花;喬衛(wèi)民;敬嵐;;一種用于重離子治癌的劑量控制器設計[J];原子能科學技術;2011年12期

4 肖文君;敬嵐;喬衛(wèi)民;李桂花;劉太聯(lián);;重離子治癌電源調節(jié)器的嵌入式系統(tǒng)[J];核電子學與探測技術;2012年02期

5 溫小瓊,李文建,衛(wèi)增泉;重離子治癌中磁掃描照射野形成法的初步參數(shù)要求[J];核技術;2002年05期

6 佘乾順;蘇弘;徐治國;馬曉莉;胡正國;毛瑞士;徐瑚珊;;束流均勻性測量前端讀出電子學電路的設計[J];核電子學與探測技術;2011年06期

7 毛文宇;喬衛(wèi)民;敬嵐;李桂花;;重離子治癌加速器高速實時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研制[J];原子能科學技術;2012年12期

8 薛萬冬;李鵬程;喻曉;孫保華;杜廣華;;基于FLUKA平臺的重離子治癌模擬實驗[J];大學物理;2013年07期

9 劉太聯(lián);喬衛(wèi)民;李桂花;楊峰;肖文君;;HIRFL-CSR重離子治癌遠程定位及監(jiān)測系統(tǒng)設計[J];原子能科學技術;2012年05期

10 胡正國;徐治國;肖國青;孫志宇;徐瑚珊;章學恒;毛瑞士;張宏斌;黃天衡;付芬;唐彬;涂小林;王猛;肖志剛;王建松;李強;郭忠言;;一臺用于IMP重離子治癌線上的電離室[J];核技術;2007年02期

相關會議論文 前3條

1 肖國青;;重離子治癌進展[A];第十三屆全國核物理大會暨第八屆會員代表大會論文摘要集[C];2007年

2 蒙峻;;蘭州重離子治癌(HITFiL)真空系統(tǒng)[A];中國真空學會2012學術年會論文摘要集[C];2012年

3 楊偉順;蒙峻;楊曉天;馬向利;白峰;;真空膜窗材料滲透率的測試分析[A];中國真空學會2012學術年會論文摘要集[C];2012年

相關重要報紙文章 前10條

1 王歡邋實習生 孫理;蘭州擬建全國重離子治癌中心[N];蘭州日報;2007年

2 記者 賈瑩;蘭州重離子治癌項目建設將啟動實施[N];蘭州日報;2009年

3 記者 宜秀萍;蘭州重離子治癌中心項目簽約[N];甘肅日報;2009年

4 曉梅;蘭州重離子治癌中心項目正式簽約[N];中國現(xiàn)代企業(yè)報;2009年

5 記者 陳宗立;重離子治癌中心在蘭州開工奠基[N];光明日報;2010年

6 記者 孫理;重離子治癌項目成為今年工作重點[N];蘭州日報;2011年

7 本報記者;重離子治癌的優(yōu)勢療效[N];福建科技報;2008年

8 記者 侯若志;蘭州重離子治癌項目建設啟動[N];甘肅日報;2009年

9 記者 韓紅新;蘭州重離子治癌項目開始選址[N];蘭州日報;2009年

10 李峰　岳海奎;蘭州重離子治癌項目獲重大突破[N];甘肅日報;2009年

相關博士學位論文 前1條

1 劉源源;基于蒙特卡羅算法的重離子治癌裝置HIMM劑量學研究[D];蘭州大學;2017年

相關碩士學位論文 前3條

1 王亞楠;適用于重離子治癌劑量監(jiān)測的電流-頻率轉換電路設計[D];中國科學院大學(中國科學院近代物理研究所);2017年

2 劉志強;使用輻射自顯影膠片對重離子治癌的劑量學驗證研究[D];清華大學;2013年

3 荀明珠;不同材料對空間輻射屏蔽特性的蒙特卡羅模擬研究[D];新疆大學;2016年

本文編號：2756315