质子束治疗中非均匀组织的等效水厚度修正研究

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.62,No.6(2013)068701质子束治疗中非均匀组织的等效水厚度修正研究谢朝1)邹炼1)侯氢2)郑霞3)1)(四川省医学科学院,四川省人民医院,医学物理联合实验室,肿瘤科放疗中心,成都610072)2)(四川大学原子核科学技术研究所,辐射物理及技术教育部重点实验室,成都610064)3)(四川省医学科学院,四川省人民医院急诊科,成都610072)(2012年10月19日收到;2012年11月12日收到修改稿)非均匀组织等效水厚度修正是研究质子放射治疗的重要组成部分,利用蒙特卡罗Fluka2011.2程序模拟了不同能量(

2、50250MeV)的质子束入射到不同介质中的输运过程,总结出了在不同介质中质子束初始能量与质子束Bragg峰深度关系,并拟合出质子束在介质中的等效水厚度修正公式.结果表明,对不同能量的质子束入射到非均匀组织中,通过拟合公式计算出Bragg峰深度值与Fluka模拟的质子束Bragg峰的位置相差在1mm之内.如果建立起介质和水的Bragg峰比与电子密度比关系的数据库,该公式有可能用于临床上的质子放射治疗的剂量计算中.关键词:蒙特卡罗,质子治疗,等效水厚度,Bragg峰PACS:87.55.kd,87.10.RtDOI:10.7498/aps.62.0687011引言2计算

3、方法及计算模型肿瘤放射治疗是肿瘤治疗的主要手段之一.早采用蒙特卡罗Fluka2011.2程序,模拟了不同在1946年,美国哈佛大学的Wilson博士[1]提出能量质子束入射到不同介质中的能量沉积分布特高能量的质子进行放射治疗肿瘤的思想,他详细性.图1是模拟的几何示意图.图中标号1是黑洞,地描述了人体内质子的深度剂量分布图.1954年,粒子进入黑洞即消失,表示粒子运动停止;标号2Tobias等[2]在美国加利福尼亚大学伯克利国家实是真空,标号3是质子束,标号4是介质.图中显示验室进行了世界上第一例晚期乳腺癌的质子束治一束平行的质子束入射到介质中.疗.高能质子束照射到水或

4、介质中,其能量沉积具有很陡的横向半影并在射程末端存在一个尖锐的Bragg峰,因此质子束用于放射治疗时可将高剂量精确地释放在靶体积中,从而显著地减少对周围正常组织的辐射损伤,质子束放射治疗中,一方面非均匀介质对质子束的Bragg峰影响显著,另一方面为了提高质子束在非均匀介质中剂量计算算法的精度和效率,所以研究非均匀介质的等效水厚度修正很重要.本文利用蒙特卡罗Fluka2011.2程序[36]模拟了不同能量(50-250MeV)的质子束入射到不同介质中能量沉积[7]的特性,讨论了入射质子能量,介质材料和厚度等因素对质子束Bragg位置分布的影响.图1模拟的几何示意图通讯

5、作者.E-mail:qhou@scu.edu.cn⃝c2013中中中国国国物物物理理理学学学会会会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn068701-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.62,No.6(2013)068701平行的质子束射野大小选择10cm10cm,+R水=Rndn:(2)垂直入射到介质表面,介质的大小取30cm30cmZcm,Z随质子初始能量的增加而增加,保证假设当能量E0的质子束入射到非均匀介质中Bragg峰落在介质内,把介质分成0.1cm0.1cm时,质子束的Bragg峰落

6、在密度ρn介质中,那么在0.1cm的单元格.如果在介质中质子束产生的Brag-非均匀介质中的Bragg峰深度dx由(2)式推导得g峰深度小于10cm时,把介质分成0.01cm0.01出:cm0.01cm的单元格.质子的截止能量选择的是100keV,计算分5次循环,每次循环产生1105个dx=Rn+(1Rn=R1)d1质子数,跟踪记录每个质子在介质中的能量沉积分+(1Rn=R2)d2+


布.对所有质子在介质中的产生的Bragg峰深度取+(1Rn=Rn1)dn1:(3)平均得到不同能量下质子束Bragg峰的深度,保证统计误差小于2%.3计算结果3

7、.1非均匀介质中等效水修正公式在临床质子治疗中,入射质子的能量通常选择在50250MeV范围内,图2是模拟在这个能区内,能量间隔10MeV的质子束分别入射到为水、肌肉、肺、脂肪和骨头中,质子束Bragg峰位置随质子入射能量E0的变化关系,对同一介质,图2用Fluka程序模拟得到的质子初始能量与Bragg峰位置Bragg峰位置R随入射能量E0成指数关系,拟合公关系图式R=αEp[8],表1所示.根据此公式可以求出在050250MeV之间任意质子能量在介质中产生的表1Fluka程序下拟合的公式参数Bragg峰深度.介质pαR介质=R水从表1中可以看出,对