碳离子治疗脑部肿瘤中次级中子产生的有害辐射剂量的蒙特卡洛和体模计算

摘要

随着放射治疗技术的进步，使用重离子进行放射治疗已经成为放射治疗领域研究的一个热点。传统的放射治疗利用X射线或γ射线杀死肿瘤细胞，随着新技术的发展，如三维适形放射治疗、调强放疗、图像引导下的放射治疗以及动态适应放疗等技术出现，肿瘤的控制率得到提高。但是传统的放射治疗在治疗一些深部肿瘤时，肿瘤前后的正常细胞组织损伤率不容易控制。相对而言，重离子由于物理剂量分布较好，而且拥有良好的生物效应，能够有效治疗一些抗阻型、乏氧型肿瘤，于是越来越多的学者开展重离子的研究工作。但是，在重离子放射治疗中，高能的初级粒子（碳）同治疗设备和人体相互作用过程中会产生次级中子，而这些次级中子对患者带来附加辐射剂量。这个问题，目前的文献报道较少。本课题的研究目的是用蒙特卡洛方法与课题组自主研发的具有代表性的不同性别、不同年龄和不同妊娠期的数字人体模型相结合，计算碳离子放疗过程中由于次级中子产生的有害辐射剂量。任务和方法包括:首先，使用蒙特卡洛程序MCNPX建立重离子束流配送系统，使照射野与肿瘤靶区的形状相适形。然后，分别使用RPI-AM/AF（成年男女）、USTC-5M/F（5岁男女）、USTC-10M/F（10岁男女）、USTC-15M/F（15岁男女）以及Pregnan-3/6/9（孕妇3月、6月、9月）共计11组计算机人体模型进行治疗模拟，使用MCNPX不同类型的计数卡记录主要器官内的次级中子的能谱以及能量沉积，并换算成吸收剂量和当量剂量。研究结果发现:当使用碳离子治疗脑部肿瘤时，相对于入射角度较小的器官次级中子能谱中，会出现一个高原峰，能量在入射离子能量附近;RPI-AM和RPI-AF模型以及USTC-5M/F、USTC-10M/F、USTC-15M/F计算结果显示:性别对于次级中子引起的当量剂量差异不是很明显，例如USTC-5M/F、USTC-10M/F、USTC-15M/F模型中肺的当量剂量分别为0.83mSv/0.83mSv，0.54mSv/0.51mSv，0.34mSv/0.39mSv;但是年龄（身高）的影响比较显著，随着年龄（身高）的减小，胸腹部及以下的器官中次级中子当量剂量逐渐增大，例如USTC-5/10/15F模型中甲状腺的当量剂量分别为1.24mSv，0.98mSv，0.83mSv;Pregnan-3/6/9模型计算结果显示:不同妊娠期胎儿器官中次级中子产生的当量剂量在0.01mSv附近，但是考虑胎儿对于辐射极其敏感，也需要谨慎考虑。数据表明本课题的研究成果可以为临床上研究碳离子放疗的远期效应提供参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 重离子治疗的发展

1．2 重离子束治疗的物理和生物优势

1．2．1 重离子束的物理性能

1．2．2 重离子束的生物性能

1．3 重离子治疗系统和装置

1．3．1 重离子治疗系统

1．3．2 束流配送系统

1．4 计算机人体模型概述

1．4．1 计算机人体模型的发展

1．4．2 程式化计算机人体模型

1．4．3 体素化计算机人体模型

1．4．4 边界表示计算机人体模型

1．5 本论文的主要内容和研究意义

第2章 研究工具与方法

2．1 蒙特卡洛方法

2．1．1 蒙特卡洛方法原理

2．1．2 现有模拟重离子输运的蒙特卡洛软件

2．1．3 MCNPX方法模拟中子的输运

2．2 重离子在均匀水模体中的剂量分布

2．3 IMP束流配送系统

2．4 模拟中使用的人体模型

2．5 吸收剂量和当量剂量的计算方法

2．6 本章小结

第3章 结果与分析

3．1 碳离子在均匀水模体中的剂量分布

3．1．1 不同类型的离子束在水模体中的深度剂量分布

3．1．2 不同能量的碳离子束在水模体中的深度剂量分布

3．1．3 碳离子束在不同射野大小下的横向剂量分布

3．2 IMP束流配送系统建模结果

3．2．1 模型建模展示

3．2．2 扩展布拉格峰

3．3 不同模型体内次级中子的辐射剂量

3．3．1 RPI成年模型体内次级中子的辐射剂量

3．3．2 USTC未成年男女模型体内次级中子的辐射剂量

3．3．3 不同妊娠期孕妇模型体内次级中子的辐射剂量

3．4 本章小结

第4章 结论和展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果