磁共振引导质子治疗的剂量学研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 邓秀珍 |
| 答辩日期 | 2021 |
| 文献子类 | 硕士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 陈志凌 |
| 关键词 | 质子治疗 磁共振成像 剂量偏移 Bragg峰位置校正 |
| 英文摘要 | 放射治疗是临床上治疗肿瘤的一种重要方式,相比于传统光子治疗,质子治疗具有Bragg峰的物理剂量优势,可以提供与靶区适形度更好的剂量分布。但治疗实施的精准度受患者摆位误差、呼吸运动等不确定性因素的影响,图像引导技术可以降低这些不确定性。磁共振成像(MRI)具有高软组织分辨率且无辐射剂量的优点,是图像引导放射治疗的最佳候选者。磁共振引导质子治疗(MRPT)是实现精准质子治疗的重要研究方向,但目前仍有许多基础问题需要解决。MRI扫描仪对质子治疗系统及其束流的干扰是其中一个重要的问题。在MRPT系统中,质子束的传输和剂量沉积过程会受到MRI磁场的影响。目前蒙特卡罗方法可以精确地模拟MRI成像磁场(均匀磁场)中质子的传输过程,但计算耗时。临床上,质子治疗更倾向于使用具有计算效率优势和合理精度的笔形束剂量算法。将磁共振引导质子治疗应用于临床中,发展磁场条件下的笔形束算法是必要的。笔形束算法是一种解析的剂量计算方法,无需像蒙特卡罗剂量算法一样模拟每个质子的传输过程。非磁场条件下,质子束运动轨迹为直线,通过解析的方法可以计算深度剂量分布,而路径上的横向剂量近似为双高斯分布,也可解析计算。磁场条件下的束流轨迹和剂量分布会复杂很多。本文旨在研究磁场对质子笔形束的剂量分布规律和传输轨迹的影响,并针对垂直磁场引起的Bragg峰位置偏移提出快速的校正方法,以下为研究的结果:1、通过蒙特卡罗模拟研究了匀强磁场下的质子笔形束在水模体的剂量分布规律。研究发现,平行或垂直磁场并未改变质子笔形束的横向剂量为高斯分布的特点,且高斯分布的半高宽参数不受磁场的影响。其次,研究发现平行磁场不会影响质子笔形束的整体剂量分布,但垂直磁场会引起横向剂量的偏移,Bragg峰附近的剂量偏移最明显。研究表明Bragg峰的横向偏移与场强成线性关系,与质子初始能量成三次方关系。另外,研究显示水模体前的空气磁场会加剧剂量的偏移程度。一般MRI场强越高,图像分辨率越好,但在垂直配置MRPT系统中,高场强将意味着更大的剂量偏移。对于剂量显著偏移的情况,发展能快速且准确地校正剂量偏移的方法是必要的。2、垂直磁场下Bragg峰处的剂量偏移最明显,本文提出“角度校正+能量校正”的方法对Bragg峰位置偏移进行校正。校正参数的计算依赖于束流轨迹的计算,而轨迹与能量损失相关。本文基于物理规律和几何关系推导了空气中质子偏转轨迹的解析计算公式,计算误差在0.1%以内(与蒙卡模拟相比)。在水模体中,质子能量损失复杂,本文基于蒙特卡罗模拟得到的质子沿束线方向入射时的轨迹信息,根据几何关系建立了不同入射状态下束流运动轨迹的计算方法。最后,根据具体的模型,基于轨迹的计算方法,推导了校正参数的计算公式。基于水模体中的偏转数据,通过计算公式可以计算出不同空气磁场范围、等中心深度、照射方向时的校正参数,借助MATLAB编程可以在1秒以内完成计算。最后通过蒙卡模拟对校正效果进行了验证,结果表明校正后Bragg峰位置与预期位置基本吻合(偏差在0.2mm以内)。本文提出的“角度校正+能量校正”校正方法能对垂直磁场条件下的Bragg峰位置偏转进行有效的校正,校正参数的计算准确且快速。关于磁场条件下质子笔形束的剂量分布规律、质子束偏转轨迹的计算方法的研究,可以为未来发展磁场条件下的质子笔形束剂量算法以及MRPT系统的束流传输提供参考。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/33902]  |
| 专题 | 中科院上海应用物理研究所2021-2022年 |
| 作者单位 | 1.中国科学院上海应用物理研究所 2.中国科学院大学; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 邓秀珍. 磁共振引导质子治疗的剂量学研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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