CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
质子调强放射治疗不确定性的相关技术研究
韩榕城
Subtype博士
Thesis Advisor蒲越虎
2020-06-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Keyword质子调强放射治疗 不确定性 鲁棒性优化 剂量监测平板电离室 电荷收集效率
Abstract相比传统的光子放射治疗和被动散射质子放射治疗,质子调强放射治疗可以更好地发挥布拉格峰特性的优势,在靶区形成一个高度适形的剂量分布的同时,大幅度地减小周围正常组织的照射剂量。由于质子调强放疗的技术特性,质子调强放疗更加容易受到放疗过程中各种不确定性因素的影响,导致病人实际接受到的剂量分布与计划照射的剂量分布出现偏差。因此如何减小放疗过程中不确定性因素对质子调强放射治疗的影响是目前质子精准放疗的主要研究方向之一。本论文针对质子调强放射治疗过程中的射程不确定性、摆位不确定性以及剂量投放控制精度,以质子调强放射治疗计划系统和治疗装置中的剂量监测平板电离室为切入点,研究并提出了新的应对方案来解决不确定性因素对质子放射治疗的影响,主要研究内容包括:1.针对质子调强放射治疗中的射程不确定性和摆位不确定性,从质子调强放射治疗计划系统的剂量优化入手,提出了改进最差场景算法这一新的鲁棒性优化方法。在优化过程中以标称场景优化为主,在每次迭代时计算每个体素在n种场景下(在本研究采用的是9种场景)的剂量值,取其与标称场景下该体素剂量值的最大差值作为鲁棒性优化项添加入优化目标函数进行优化。同时引入权重因子P_(robust)提供给计划制定者用于权衡治疗计划在标称场景的剂量分布质量和计划的鲁棒性。在自主开发的鲁棒性优化计算模块上与最差场景算法和概率组合算法等常规鲁棒性优化算法进行验证比较。2.针对质子调强放射治疗中质子束流剂量投放精度,从控制束流剂量投放的剂量监测平板电离室入手,对电荷收集效率进行理论计算研究。本论文在理论计算电荷收集效率时,考虑离子的一般复合效应,根据笔形束扫描照射系统中质子束流的横向分布不均匀的特性,将质子束流的横向分布视为二维高斯分布,基于Boag理论提出了一种新的平板电离室电荷收集效率的计算方法,称为积分计算法。根据积分计算法推导出的解析解,研究了电离室参数和笔形束束流参数对剂量监测平板电离室的电荷收集效率的影响。同时根据Geant4蒙特卡洛模拟上海先进质子治疗装置(Shanghai Advanced Proton Therapy,SAPT)94个能量质子束流在剂量监测平板电离室处的束斑尺寸大小,结合对应的能量损失阻止本领比,研究了SAPT装置剂量监测平板电离室的电荷收集效率对束流强度、束斑尺寸等束流参数的限制约束。主要研究结果包括:1.在鲁棒性优化方法研究中,采用TG-119报告中的C形水靶模型,设置三个固定照射野,照射野角度分别为0°,90°和270°。研究结果表明,当权重因子P_(robust)=0.8时,相比没有采用鲁棒性优化的常规方法,CTV的鲁棒性衡量指标ΔD_(95)由9.8 Gy减小至7.6 Gy。当P_(robust)由1减小到0时,ΔD_(95)由7.0 Gy增大至9.8 Gy,计划鲁棒性降低,而标称场景下CTV的D_(max)和OARs的D_5、D_(max)减小,剂量分布质量提高。可以得出结论,和其它鲁棒性优化方法相比,改进最差场景算法能够更有效地提升计划对于射程和摆位不确定性的鲁棒性,并且权重因子P_(robust)可提供给计划制定者用于权衡计划在标称场景的剂量分布质量和计划的鲁棒性。2.在剂量监测平板电离室的电荷收集效率研究中,研究结果表明电离室电荷收集效率与质子束流强度呈负相关,与束流能量和束斑尺寸大小呈正相关。在其他参数保持不变时,可以通过提高电离室施加电压以及将填充气体由空气换为氮气来提高电离室的电荷收集效率。在蒙特卡洛模拟的SAPT装置束流参数条件下,电离室电压为1500 V,填充气体为空气,当束流强度为3 nA时,SAPT装置的94个能量质子束流对应的电荷收集效率之间的差异可以忽略不计。计算了94个能量质子束流在电离室的电荷收集效率为0.99时的束流强度,其中70.6 Me V质子束流强为7.4 n A,150.4 MeV对应的流强为5.69 nA。本论文中提出的改进最差场景算法,能够有效地提升质子调强放射计划对于射程和摆位不确定性的鲁棒性,同时权衡计划在标称场景的剂量分布质量和计划的鲁棒性,提高制定IMPT计划的灵活性。在后续进一步利用患者案例充分评估后,该方法有望成为提升质子放疗治疗计划质量的新手段。在对剂量监测平板电离室的电荷收集效率理论计算研究中,本论文的相关研究结果可以用来确定SAPT装置的可靠运行条件,对同类使用笔形束扫描照射技术的质子治疗装置的设计提供理论依据。
Pages100
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/32492
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Affiliation中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
First Author Affilication中国科学院上海应用物理研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
韩榕城. 质子调强放射治疗不确定性的相关技术研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2020.
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