用于放射治疗快速质量保证的荧光探测器设计与验证
作者单位：兰州大学
学位级别：硕士
导师姓名：王铁山;李强
授予年度：2023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]
摘 要：当今,癌症仍是全球范围内导致人类死亡的首要原因,对国家和社会的发展造成了不小的阻碍。这种情况在我国同样严重,我国的癌症发病人数和死亡人数均位居世界前列,并且表现出持续增长的态势。面对如此巨大的癌症负担,开发切实有效的预防、治疗手段刻不容缓。放射治疗技术作为治疗癌症的三大主流方法之一,是最重要的局部治疗手段。这种方法通过在放射治疗射线在肿瘤靶区沉积能量破坏肿瘤细胞的DNA结构,从而杀死细胞。目前用于放射治疗的射线大致分两类,一类是光子束,包括X射线、γ射线等;另一类是粒子束,包括质子束、重离子束等。光子束用于放射治疗时,剂量主要沉积在靠近皮肤组织的位置,因此适用于较为浅表的肿瘤的放射治疗。相较于光子,质子和重离子由于其特殊的物理学特性和生物学特性,主要在介质中的射程末端沉积大部分能量,并且可以通过调节束流的能量使质子、重离子束的Bragg峰与肿瘤的位置相重合,从而达到理想的治疗效果。在放射治疗中,为了确保给予肿瘤靶区足够的剂量,同时尽量避免靶区之外的其他组织受到超出安全范围的剂量,对于束流和放射治疗相关设备的质量保证工作也是十分必要的。其中,加速器输出射线的能量精度是重要的测试内容。目前,常用于束流能量测试的工具是三维水箱配合电离室。这种方法测量准确、精度高;但是耗时费力,效率低下。本文提出了一种可以快速进行束流能量测试的荧光探测器方案。方案基于闪烁体在放射治疗束流照射下发出荧光的特性,使用CMOS相机在薄层闪烁体侧方获得荧光强度分布图像,通过对图像的分析快速得到束流在闪烁体材料中的深度剂量分布,进而评估束流的能量。首先,依据该方案进行了材料选型、尺寸计算、工程制图和设备加工。确定设备用料和相关尺寸后,分别通过蒙特卡洛模拟和束流实验的方法验证荧光探测器的性能。束流条件也包括直线加速器产生的X射线和同步加速器产生的碳离子束。蒙特卡洛模拟使用以Geant4软件为内核的Gate模拟软件,分别模拟了荧光探测器在X射线和碳离子束两种束流下的响应情况。在X射线下,分别模拟了两个不同大小的照射野下束流在闪烁体材料中的深度剂量分布。在碳离子束下,分别模拟了不同照射条件下碳离子束在闪烁体材料中的射程。模拟结果表明,荧光探测器能够在上述条件下均能得到与理论相符结果。完成蒙特卡洛模拟后,荧光探测器通过束流实验进做了进一步的验证工作。首先是在X射线下的束流实验,实验分为两个部分,一个是X射线在闪烁体材料中的深度剂量分布曲线的获取,以及和蒙特卡洛模拟结果的对比;另一个是梯度剂量照射实验和剂量率依赖性实验。通过实验证明了荧光探测器获取深度剂量分布的准确性、对照射剂量响应的线性以及对剂量率的非依赖性。为了扩展荧光探测器的应用场景,还进行了X射线下三维剂量分布的重建实验。通过移动荧光探测器在照射野的不同位置获取断层荧光图像,然后通过三维重建的方法得到完整的三维立体结构。这一实验开发了荧光探测器新的用途,也为获取束流的三维剂量分布提供了新的方法。本文最后进行了荧光探测器在碳离子束下的束流实验。利用荧光探测器在均匀照射野和笔形束扫描条件下,对不同能量碳离子进行了实验测量。实验结果表明可清晰地从探测器获取的荧光图像上观察到碳离子的Bragg峰。同时对比了相同条件蒙特卡洛模拟得到的结果,结果表明荧光探测器测量的碳离子束在闪烁体材料中的Bragg峰位深度与蒙特卡洛模拟计算的结果存在一定的差异,这主要是由于模拟的束流条件和实际情况存在一定的差异,但不同照射条件下的差异是基本一致的。本文通过蒙特卡洛模拟和束流实验的方法证明了提出的荧光探测器方案能够在X射线和碳离子两种束流下准确、快速地获取射线在闪烁体材料中的深度剂量分布。并且能够在X射线下通过获取断层图像的方法进行三维剂量分布的重建。为建立一种基于荧光探测器进行放射治疗束流性能快速质量保证的测量方法打下了坚实的基础。
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