射波刀蒙特卡罗与射线追踪算法在肺癌中的剂量学比较

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1、射波刀蒙特卡罗与射线追踪算法在肺癌中的剂量学比较(申请清华大学工程硕士专业学位论文)培养单位：医学院工程领域：生物医学工程申请人：曹洋森指导教师：吴朝霞副教授联合指导教师：张火俊副教授二○一五年十二月ComparisonofDoseDistributionsCalculatedbyMonteCarloandRay-TracingAlgorithmsfortheTreatmentofLungTumorswithCyberKnifeThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfu

2、lfillmentoftherequirementfortheprofessionaldegreeofMasterofEngineeringbyCaoYangsen(BiomedicalEngineering)ThesisSupervisor:ProfessorWuZhaoxiaAssociateSupervisor:ProfessorZhangHuojunDec,2015摘要摘要肺癌是现代全球最常见的恶性肿瘤，对不能耐受或者拒绝手术的早期非小细胞肺癌患者，立体定向消融放疗是手术之外的另一个根治性治疗手段。射波刀独有的

3、肺追踪系统对周围型肺癌的立体定向消融放疗可以实现无需植入金标的同步实时呼吸追踪，治疗的机械精度可以小于一个毫米。立体定向消融放疗的剂量精度依赖于治疗计划系统，射波刀治疗计划系统标配了射线追踪算法，蒙特卡罗算法则为选配。射线追踪算法在肺部等空腔脏器上的非均匀密度校正结果远远劣于基于大量光子样本采样输运模拟的蒙特卡罗算法。本研究的目的就是分析出射波刀两种算法在早期周围型非小细胞肺癌中的剂量学差异，并找出造成差异的相关因素建立修正模型，使未选配蒙特卡罗算法的射波刀用户可以得到相对准确的周围型肺癌的剂量评估结果。研究回顾性分析

4、了本院行射波刀治疗的70例周围型非小细胞肺癌患者。所有患者均给予PTVD9560Gy/5分次的处方剂量，优化完成的计划分别使用射线追踪算法和蒙特卡罗算法进行剂量计算评估。结果表明，射线追踪算法高估了肿瘤的受照剂量，PTVD95平均高估了8.59Gy，GTVD99平均高估了5.84Gy，PTV的均匀指数HI平均增大了0.11，PTV的适形指数CI和新适形指数nCI都平均增大了0.05。脊髓、食管、气管、左右支气管、心脏的体积剂量分别被高估了约149%、80%、72%、63%、54%、99%。肺组织的全肺平均剂量和V5剂量

5、体积分别被高估了2.69Gy和7.52%。即使将蒙特卡罗计算后的剂量结果重新归一处方剂量至60Gy，危及器官的受照剂量仍然小于射线追踪算法给出的计算结果。两种算法差异的相关因素分析时引入了PTV体积、GTV体积、TTV体积、总机器跳数（TotalMU）、射束数（Beams）、肿瘤距离胸壁的水平距离（X）、垂直距离（Y）共计七个参数进行线性回归和非线性广义加性模型进行分析。结果表明仅TTV体积这一变量对PTVD95的变化具有影响。最终拟合PTVD95与TTV体积呈幂函数关系，R2值为0.8626，对未选配蒙特卡罗算法的射

6、波刀用户设定周围型肺癌计划具有一定的临床指导意义。关键词：射波刀；射线追踪；蒙特卡罗；剂量分布；非小细胞肺癌IAbstractAbstractLungcancerisoneofthemostcommoncancersintheworld,andsomesubtypeofit,suchastheearly-stagenon-smallcelllungcancer(NSCLC),wasnotsuitableforsurgerytherapy.Stereotacticablativeradiotherapy(SBAR)isa

7、notherchoicefortheradicaltreatmenttoNSCLCbesidesthesurgery.TheXsight™LungTrackingSystemofCyberKnifecouldmakereal-timeimageguidinganddynamictumortrackingwithoutgold-markerimplantationduringthenormalrespiratorycycles.Theaccuracyofthistreatmentcanbesub-millimetersc

8、ales.ThedoseofSBARisdecidedbythetreatmentplanningsystem(TPS).Ray-TracingalgorithmisequippedasstandardinTPSofCyberKnife,whiletheMonteCarloalgorithmisjustoptionforsomem