基于蒙特卡罗模拟CyberKnife剂量校准与验证的研究

作     者：朴俊杰 

作者单位：中国人民解放军医学院 

学位级别：硕士

导师姓名：徐寿平

授予年度：2016年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 1001[医学-基础医学(可授医学、理学学位)] 08[工学] 1010[医学-医学技术（可授医学、理学学位）] 100106[医学-放射医学] 10[医学] 

主      题：CyberKnife 蒙特卡罗 剂量校准 剂量验证 Gamma分析 

摘      要：CyberKnife系统采用小射野对患者肿瘤进行立体定向放射治疗,考虑到小射野易形成射线束电子不平衡状态以及探测器介质及其体积的影响,会带来临床剂量测量、计算及评估的困难。本研究通过实施CyberKnife系统精确地蒙特卡罗模拟,拟建立一套第三方系统模型,以探讨实现临床非标准参考条件下剂量校准和特定患者计划的剂量验证可能。本研究利用BEAMnrc与DOSXYZnrc软件平台,通过模拟实际CyberKnife治疗机头的物理结构,并与射线测量数据(PDDs、OARs、射野输出因子等)的比对,以确定束流参数,从而实施非标准参考条件下剂量标定的研究。选取30例患者治疗计划(其中头部、肺部及肝部肿瘤各10例),相同的射野参数条件下运用治疗计划系统(TPS)中射线追踪算法、蒙特卡罗算法以及开发的BEAM蒙特卡罗模拟算法分别计算出其三维剂量分布,采用Gamma分析方法(3mm/3%)定量评估不同算法之间计算精度的差异性,进而探讨建立基于蒙特卡罗算法模拟(第三方软件)患者计划的剂量验证方法。通过确立束流的平均能量和强度分布半高宽值,蒙卡模拟束流模型与射线束测量数据(PDDs及OARs)比较,均在可接受的偏差范围内(全局90%以上的点误差在2%以内),从而建立了12个准直器(5-60mm)的较为理想蒙卡束流模型,并实现了非标准参考条件下剂量标定工作。对三种算法的剂量计算精度实施了定量评估,Gamma分析结果表明：BEAM蒙卡模拟与TPS蒙卡算法在30例患者治疗计划中均保持了较高的通过率(头部84.882±9.666%,肝部98.830±1.049%,肺部98.263±1.867%)；而BEAM蒙卡模拟与TPS射线追踪算法在头部、腹部肿瘤患者计划中通过率较高(头部95.933±3.120%,肝部99.836±0.334%),但在肺部肿瘤患者治疗计划中剂量体积直方图上剂量偏差较为明显,从而两者Gamma通过率相差较大(51.263士38.964%)。因此,基于蒙特卡罗算法模拟(第三方软件工具)实施CyberKnife系统患者计划剂量验证的方法是可行的。本课题研究建立的CyberKnife系统蒙特卡罗模拟算法将可作为第三方软件的基准工具,在非标准射野剂量校准和患者计划剂量验证中发挥重要的作用。