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离子治疗中应用多孔隙材料调制布拉格峰的可行性研究

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离子治疗中应用多孔隙材料调制布拉格峰的可行性研究

作者：董思学中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)

学位级别：硕士

在肿瘤的放射治疗中,离子射线因其较高传能线密度从而具备较强的相对生物效应,能够斩断DNA双链,可以更有效地对辐射不敏感的肿瘤进行治疗。点扫描技术能够让靶区的剂量分布更加适形,然而相对尖锐的布拉格峰(Bragg Peak,BP)成为了影响治... 详细信息

在肿瘤的放射治疗中,离子射线因其较高传能线密度从而具备较强的相对生物效应,能够斩断DNA双链,可以更有效地对辐射不敏感的肿瘤进行治疗。点扫描技术能够让靶区的剂量分布更加适形,然而相对尖锐的布拉格峰(Bragg Peak,BP)成为了影响治疗效率的重要因素。针对碳离子束流,目前临床上主要应用波纹滤波器(Ripple Filter,RiFi)来展宽BP,但是使用RiFi展宽后的碳离子束流需要输运较长的距离才能实现均匀,并且会使等中心束斑大小增加。为解决RiFi带来的问题,国际学者提出了使用多孔隙材料(如泡沫、海绵、肺代替物等)展宽BP的方法,它能够在展宽BP的同时保证束流的短距离均匀性,此外,在相同的射程深度下,多孔隙材料能够减小等中心束斑大小,以更好的保护靶区两侧的正常组织。然而,多孔隙材料尚未应用于临床,与之相关的研究也相对较少,其束流调制特性需要进行深入全面的评估。本文以碳离子束流在调制前后的各项参数作为研究对象,用实验与模拟相结合的研究方法评估了多孔隙材料展宽BP的能力及其临床应用的可行性。主要研究内容包括:基于上海市质子重离子医院(Shanghai Proton and Heavy Ion Center,SPHIC)的治疗头结构与碳离子束流参数,使用蒙特卡罗(Monte Carlo,MC)程序FLUKA建立了碳离子束流模型,为后续的模拟工作奠定了基础;分析了碳离子束流不对称性对靶区内剂量分布的影响,为后续实验工作的束流参数选取提供了参考。使用纳米矿晶颗粒制作原始多孔隙材料(Original Porous Material,OPM)并进行了相关实验,在相似的BP展宽效果下,比较了分别使用OPM和第二代波纹滤波器(2D-RiFi)展宽后的其他束流参数,如后沿半影宽度(Distal Falloff Width,DFW)、束斑大小(以半高宽表示,Full Width Half Maximum,FWHM)等;通过改变束流在OPM上的入射点,得到了不同入射点下束流参数的差异。使用FLUKA建立了原始多孔隙结构体(Original Porous Structure,OPS)的二元体素模型(Binary Voxel Model,BVM)来模拟OPM;针对其不足之处,提出了相应的优化方法并设计了一种用于展宽BP的嵌入式多孔隙结构体(Porous Structure with Plug-ins,PSP),也将其以BVM的形式描述于FLUKA中;通过比较展宽效果、横向散射、束流均匀性以及展宽效果稳定性等特性,对PSP的性能评估,验证了其临床应用的可行性。主要研究结果包括:相较于临床使用的2D-RiFi与射程位移器的组合,使用OPM展宽后的碳离子等中心束斑最多减小了2.39 mm(35.3%);质子等中心束斑最多减小了5.11mm(34.5%)。但在相似的展宽程度下,使用OPM展宽后的234.05 Me V/u碳离子束流DFW相较于2D-RiFi增加了2.04 mm(73.9%);OPM上不同入射点的展宽效果与中心点差异最大为2.06 mm(40.9%)。相似的展宽程度下,234.05 Me V/u的碳离子束流经PSP展宽后的DFW较OPS减小了0.89 mm(46.1%);不同能量下,DFW减小量最多能够达到1.01mm(54.3%)。横向散射方面,经过PSP展宽后的束流束斑大小最多减小了1.72 mm。束流均匀性方面,经PSP展宽后的150 Me V/u碳离子束流表现出来的横向平坦度与原始束流的差异为0.02%。稳定性方面,当束流经过20个体素时,在碳离子束流的束斑大小不小于6 mm的情况下,可以保证束流深度剂量分布曲线上各参数差异在0.1 mm之内。本文的创新点在于,提出了基于OPS的结构优化方法,与之相比,应用该方法设计出来PSP能够使展宽后的碳离子束流DFW大幅减小,从而提高束流品质。通过本文的研究,能够归纳出如下结论:1)在相同BP展宽效果与相同的射程深度下,使用OPM造成的等中心束斑尺寸明显小于RiFi。2)使用OPM展宽后的碳离子束流DFW明显大于RiFi,且展宽效果不稳定。3)在相同BP展宽效果与相同的射程深度下,与RiFi相比,PSP能够降低展宽后碳离子束流DFW,并且使等中心束斑明显减小,同时保证调制后束流的短距离均匀性;PSP能够在初始束斑尺寸≥6 mm时保证束流展宽效果的稳定性。4)PSP表现出了优于临床使用的RiFi的束流调制能力,具有临床应用的可行性。

关键词：碳离子放射治疗布拉格峰蒙特卡罗模拟多孔隙材料剂量分布

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GPS高程综合拟合模型与精度分析

测绘信息与工程 2011年第4期36卷 23-25页

作者：董思学郑南山江苏省资源环境信息工程重点实验室中国矿业大学环境与测绘学院徐州市三环南路269号221116

通过对多面函数和二次曲面模型的分析,提出了一种更高精度拟合高程的综合模型。结合实例,对比研究证实该方法的可行性,为大地高向正常高转换提供了一种参考思路。

关键词：高程异常多面函数二次曲面 GPS高程

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天然气管道业务价值评估模型及应用

天然气工业 2016年第9期36卷 129-134页

作者：董康银孙仁金郝鸿毅董思学中国石油大学(北京) 102249 中国石油天然气集团公司政策研究室中国石油规划总院

随着中国天然气管网建设的快速发展以及油气体制改革的进一步深入,油气企业对天然气管道业务的价值更加重视,对管道业务价值评估的准确性也提出了更高要求。在此背景下,构建天然气管道业务价值评估模型并分析其价值驱动因素,具有重要意... 详细信息

随着中国天然气管网建设的快速发展以及油气体制改革的进一步深入,油气企业对天然气管道业务的价值更加重视,对管道业务价值评估的准确性也提出了更高要求。在此背景下,构建天然气管道业务价值评估模型并分析其价值驱动因素,具有重要意义。为此,系统分析中国天然气管道业务价值评估现状,采用以自由现金流为基础的收益法构建天然气管道业务价值评估模型,深入探讨模型关键参数的确定和计算方法,并在此基础上,进行价值驱动因素分析和敏感性分析。结论认为:(1)通过实际案例的应用,表明采用该模型评估天然气管道业务价值得到的评价结果真实而可靠;(2)价值驱动因素分析结果认为,管输费水平是影响天然气管道业务价值的主要因素,其次为当年投资额及管输量;(3)通过敏感性分析,天然气管道业务价值与管输收入呈强正相关,与管输成本和投资呈弱负相关。进而提出建议:(1)宏观层面上,相关部门应加快推动天然气管网建设,拓展下游天然气市场需求,从而提高天然气管输量;(2)微观层面上,油气企业应通过强化市场营销、利用外资、引进技术等手段加强对天然气管道业务的管理。

关键词：中国天然气管道业务价值评估评价模型收益法价值驱动因素敏感性分析

点扫描碳离子束流模型的蒙特卡罗模拟与验证的初步研究

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中华放射医学与防护杂志 2022年第6期42卷 464-469页

作者：董思学夏晓彬盛尹祥子中国科学院大学中国科学院上海应用物理研究所上海201800 中国科学院上海应用物理研究所上海201800 上海市质子重离子医院上海市质子重离子放射治疗工程技术研究中心放射物理科 201315

目的:使用蒙特卡罗程序FLUKA建立点扫描碳离子束流模型并对其进行验证。方法:使用FLUKA建立同步加速器碳离子束流治疗头的几何模型,匹配实验测量数据中的单能标称能量、高斯能谱分布、初始束斑大小以及束流的角分布等各项参数;利用治疗... 详细信息

目的:使用蒙特卡罗程序FLUKA建立点扫描碳离子束流模型并对其进行验证。方法:使用FLUKA建立同步加速器碳离子束流治疗头的几何模型,匹配实验测量数据中的单能标称能量、高斯能谱分布、初始束斑大小以及束流的角分布等各项参数;利用治疗计划系统生成碳离子束流治疗计划,通过γ分析比较FLUKA束流模型与治疗计划系统输出的剂量分布差异,验证该模型的准确性。结果:单能碳离子束流的深度剂量分布差异均在0.1 mm之内,束斑大小最大差异为0.17 mm;对于每个靶区,2 mm/2%标准下的2D-与3D-γ通过率均在95%以上。结论:基于蒙特卡罗程序FLUKA实现了点扫描碳离子束流输运过程的精准模拟。该模型能够用于临床治疗计划的模拟验证,并进一步应用于新型粒子治疗设备在开发阶段的模拟以及生物有效剂量的计算。

关键词：蒙特卡罗模拟点扫描碳离子束流剂量分布验证

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GNSS用于杭嘉湖平原地面沉降机理的研究

测绘通报 2016年第5期 57-60页

作者：董思学盛志鹏郑南山浙江省第二测绘院浙江杭州310012 中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221116

为研究GNSS静态观测监测大面积区域平原沉降机理,在杭嘉湖平原地区建立了由25个基准点和15个监测点组成的基准监测网,并根据2008—2014连续6年的GNSS大地高与精密水准测量数据的对比分析,验证了GNSS静态观测方法的实际精度。结果表明:G... 详细信息

为研究GNSS静态观测监测大面积区域平原沉降机理,在杭嘉湖平原地区建立了由25个基准点和15个监测点组成的基准监测网,并根据2008—2014连续6年的GNSS大地高与精密水准测量数据的对比分析,验证了GNSS静态观测方法的实际精度。结果表明:GNSS大地高变化可以替代精密水准测量获取水准测量点的沉降值,为研究大区域平面沉降监测提供了有力支撑。

关键词： GNSS 沉降平原

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桥面沥青铺装层裂缝病害分析及处理措施

交通世界 2015年第1期 120-121页

作者：董思学单县公路管理局山东单县274300

随着交通业的迅速发展,桥面铺装主要使用的是沥青材料,而在一些环境、人为因素下,其容易产生裂缝病害,从而影响到桥面的运行效率。本文主要讨论桥梁运行过程中桥面铺装层裂缝病害产生的原因以及对其的处理措施。

关键词：桥面沥青铺装层裂缝病害问题分析处理措施

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桥梁施工中悬臂桥梁施工工艺的应用

城市建筑 2014年第29期11卷 243-243,248页

作者：董思学单县公路管理局单县274300

随着桥梁施工技术的不断创新，悬臂桥梁施工技术在桥梁施工中广泛应用，并提高了施工的效率，保证了桥梁的工程质量，促进了桥梁事业的迅速发展。本文阐述了悬臂桥梁施工工艺的特点，并详细分析了工艺流程中各项技术的施工要点。

关键词：桥梁施工悬臂桥梁施工工艺应用

利用基于抗差垂直向方差分量估计的GPS-InSAR数据融合方法反演三维形变场

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测绘通报 2021年第12期 38-43页

作者：吴学雨李明峰董思学王彬赵志胜南京工业大学测绘科学与技术学院江苏南京211816 浙江省测绘科学技术研究院浙江杭州310012

GPS-InSAR数据融合解算三维形变场模型易受观测值粗差影响,且基于方差分量估计的定权方法不具备抵御粗差能力,计算效率低下。鉴于此,本文提出了一种基于抗差垂直向方差分量估计的GPS-InSAR融合解算模型,利用方差分量估计方法及抗差估计... 详细信息

GPS-InSAR数据融合解算三维形变场模型易受观测值粗差影响,且基于方差分量估计的定权方法不具备抵御粗差能力,计算效率低下。鉴于此,本文提出了一种基于抗差垂直向方差分量估计的GPS-InSAR融合解算模型,利用方差分量估计方法及抗差估计理论,通过对观测值最优化分类并进行选权迭代,精确分配权重,进而有效计算三维形变场。试验结果表明,该方法能有效抵御观测值粗差不利影响,提高三维形变场反演精度,提升逐点式计算的三维形变场效率。

关键词：方差分量估计抗差估计三维形变场 GPS-InSAR数据融合

应用网格堆叠结构展宽粒子束流布拉格峰的初步研究

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中华放射肿瘤学杂志 2024年第9期33卷 833-839页

作者：董思学王佳舟盛尹祥子胡伟刚复旦大学附属肿瘤医院放射治疗中心复旦大学上海医学院肿瘤学系上海市放射肿瘤学重点实验室上海市放射治疗临床医学研究中心上海200032 上海市质子重离子医院放射物理科上海市放射肿瘤学重点实验室(20dz2261000)上海质子重离子放射治疗工程技术研究中心上海201321

目的开发并验证一种用于展宽布拉格峰的结构体,以提高粒子放疗的效率与适形性.方法通过随机堆叠与规律堆叠两种方式来制作具有多孔性的网格堆叠结构(MPS),每一层网格中,网格厚度、线宽与线间距分别为0.1、0.1、0.5mm,总尺寸为10cm×10cm... 详细信息

目的开发并验证一种用于展宽布拉格峰的结构体,以提高粒子放疗的效率与适形性.方法通过随机堆叠与规律堆叠两种方式来制作具有多孔性的网格堆叠结构(MPS),每一层网格中,网格厚度、线宽与线间距分别为0.1、0.1、0.5mm,总尺寸为10cm×10cm.使用蒙特卡罗程序FLUKA模拟196 MeV/u的碳离子束流与105 MeV的质子束流穿过MPS后的输运过程,评估调制后束流的剂量分布、束流不均匀性以及MPS的调制能力稳定性,并评估MPS在鼻咽癌(63 Gy分21次)、肺癌(77 Gy分22次)与前列腺癌(70.4 Gy分16次)各1例临床计划中的调制效果.结果MPS最多能够将质子束流和碳离子束流的布拉格峰宽度分别增加1.73 mm和2.95 mm,对于不同入射位置,10层以上的规律堆叠能够将MPS的调制能力差异降至5%之内.堆叠30层的MPS调制后的束流输运18 cm后可使不均匀性降至3%之内,与临床使用的波纹滤波器相比,MPS能够将质子等中心束斑减小0.91 mm.在鼻咽癌计划调制中,使用MPS能够将治疗时间缩短213s(37%)且脑干所受的最大剂量减小了3.28 Gy(7.5%).结论使用MPS能够有效地展宽粒子束流的布拉格峰,提高临床放疗效率,规律堆叠的MPS调制能力稳定性较强.调制后的束流能够实现相对良好的均匀性,具有贴近患者而减小横向散射并提高适形性的临床应用潜力.

关键词：放射疗法,粒子波纹滤波器布拉格峰展宽蒙特卡罗模拟