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.

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。

目的 计算口服尿素14C情况下,人体各器官受照剂量及其剂量转换系数,为评估中国人摄入尿素14C所致内照射剂量提供简便方案.方法 在FLUKA软件中导入中国参考人体素模型,模拟不同器官受到14C内照射时,各个器官的吸收剂量,得到口服尿素14C时的剂量转换系数.结果 胃、结肠、膀胱、心脏、肌肉等组织器官的吸收剂量转换系数分别为:阴性情况,0.029、0.029、0.32(0.24)、0.028、0.029;阳性情况,0.079、0.078、0.18(0.15)、0.076、0.080,单位mGy/MBq.待积有效剂量转换系数为:阴性,0.041(0.037);阳性,0.082(0.081),单位mSv/MBq.结论 本文得到的剂量转换系数可为评估中国人口服尿素14C药物后的受照剂量提供重要参数.

目的 计算人员受3种X射线机和2种γ放射源误照射情况下的器官剂量及其剂量转换系数,为事故剂量快速估算提供简便方法.方法 在FLUKA模拟软件中构建X射线机和2种γ放射源的辐射源模型并导入中国参考人体素模型,模拟计算人员在距源项1 m处受由前向后照射时的器官吸收剂量、器官吸收剂量与空气比释动能的剂量转换系数和器官吸收剂量与辐射源的转换系数.结果 对肺、心脏、肌肉和软组织、肝脏、皮肤和大脑的吸收剂量与空气比释动能的转换系数范围为0.30～1.19(Gy/Gy);对X射线机,这6个器官的吸收剂量与输出量的转换系数范围为6.12 × 10-3～2.90 × 10-2 Gy·m2/(mA·min);对γ放射源,6个器官吸收剂量与活度的转换系数范围为1.12 × 10-8～7.01 × 10-8 Gy·m2/(GBq·s).结论 器官吸收剂量与空气比释动能的转换系数和器官吸收剂量与探伤机输出量或活度的转换系数可为快速评估类似辐射事故提供重要的剂量学参数.

目的 分析质子固定束治疗室内感生放射性剂量分布及屏蔽材料的影响.为质子治疗辐射防护及屏蔽材料选择提供依据.方法 利用FLUKA模拟质子固定束治疗室内感生放射性剂量分布、剂量随时间的变化情况及不同混凝土材料的影响.结果 质子治疗室内感生放射性剂量分布主要集中于靶周边,且冷却3～5 min后剂量迅速降为停止照射时刻的5～10倍.混凝土中感生放射性会在主射束末端靠近屏蔽体内侧形成剂量略高区域,混凝土中Fe、O、H、等元素含量对治疗室内感生放射性剂量有显著影响(P＜0.01),且治疗室内感生放射性剂量与Fe元素含量呈负相关.结论 质子治疗室内治疗后的患者、空气和屏蔽材料的感生放射性均是工作人员外照射剂量的主要来源,采取时间的防护方式最为有效.在不考虑施工难度等因素,从外照射防护效果和感生放射性剂量贡献的影响上分析,在质子治疗室的屏蔽材料选择上含Fe较多的重混凝土为最优选择.

目的:提供一种权重适配的布拉格峰展宽(SOBP)方法,得到平滑的展宽布拉格峰.方法:通过重新拟合质子能量-射程的关系(盖格法则),找出适配函数的函数形式,并对权重进行重新适配,通过求敏感参数k,得到平滑的SOBP,最后用蒙特卡洛程序FLUKA进行验证.结果:SOBP的形状对参数k比参数P更加敏感,拟合得到4～32 cm的SOBP,中间平坦区偏差不超过±2％,并解决中间区坍塌的问题.结论:蒙特卡洛模拟检验了权重适配的SOBP方法的有效性.

Geant4是基于C++编写的开源蒙特卡洛模拟软件,提供多种包含中子与物质相互作用的物理列表.本研究采用Geant4提供的几种物理列表,对沿中子束方向的总吸收剂量、硼剂量和非硼剂量深度分布进行计算,并与FLUKA进行比较,模拟中子能量从0.0253 eV到10 MeV.对于整个模拟中子能段,结果显示添加S(α,β)热模型的高精度中子物理列表(Geant4_HP_T)在总吸收剂量、硼剂量和非硼剂量深度分布上均与FLUKA符合很好,初步验证了Genat4能应用于硼中子俘获治疗(BNCT)相关研究.对于低能中子(<1 MeV),S(α,β)热模型对BNCT剂量深度分布的影响较大,QBBC和QGSP_BERT不适用于BNCT剂量分布计算.

目的 利用蒙特卡罗程序模拟点扫描质子束治疗机头,建立精准的质子束流蒙特卡罗模拟计算模型.方法 利用蒙特卡罗程序FLUKA,结合上海市质子重离子医院治疗机头几何结构,建立点扫描质子束治疗机头的蒙特卡罗模型.通过对不同能量下水中积分深度剂量分布,等中心点处空气中束斑大小的测量和模拟,建立精准的模拟模型.利用该模型模拟质子束扩展布拉格峰,并与对应治疗计划系统(treatment planning system,TPS)计算结果进行比较分析.结果 对于射程末端90％积分深度剂量值,各能量下模拟和测量的偏差均不高于0.5 mm.而对于80％至20％末端跌落,各能量质子的模拟和测量的偏差在0.1 mm以内.质子束流束斑大小的模拟与测量结果偏差最大为0.45 mm.对扩展布拉格峰的剂量验证的模拟与TPS计算结果进行对比,γ分析通过率高于90％(2 mm,2％标准).结论 利用蒙特卡罗程序FLUKA可以建立点扫描质子治疗机头模型,该模型满足临床要求,可以精确地模拟点扫描质子束的输运.该模型通过测量验证,可以作为剂量验证工具,评估临床治疗计划,能够减少剂量验证所需的束流时间,从而增加患者治疗数量.

目的 研究铁屏蔽体在主防护墙中不同深度对防护墙外周围剂量当量率的影响.方法 采用FLUKA蒙特卡罗模拟程序构建了质子治疗室的模型,治疗室的屏蔽体由混凝土和钢构成.分别模拟220和250 MeV的质子照射水模体,以获得不同情况下的周围剂量当量率分布.结果 随着嵌入防护墙的铁屏蔽体深度的变化,两种模拟条件下质子治疗机房主防护墙外30 cm处的周围剂量当量率发生显著变化,最大周围剂量当量率(220 MeV:3.42μSv/h,250 MeV:6.39μSv/h)比最小周围剂量当量率(220 MeV:1.75μSv/h,250 MeV:3.32μSv/h)高2倍.结论 在质子治疗加速器的设计中,应仔细评估铁屏蔽体在主防护墙中的位置.

目的 探讨质子治疗室屏蔽防护材料和屏蔽厚度的选择,积累质子治疗室屏蔽防护经验,为质子治疗室的建设提供科学依据.方法 采用基于蒙特卡罗方法的FLUKA程序建立质子治疗室的屏蔽计算模型,模拟质子治疗室的辐射场分布,对质子治疗室的屏蔽进行优化.结果 厚度为250 cm混凝土控制室墙外30 cm处周围剂量当量最大为3.12 μSv/h,改变屏蔽方案为5 cm钢板(机房侧)+237 cm混凝土+8 cm聚乙烯(控制室侧)后,周围剂量当量最大值为1.43 μSv/h,调整材料位置后,治疗室控制室墙外30 cm周围剂量当量率最大为3.95 μSv/h.结论 质子治疗室辐射场中,主要是中子和γ射线,中子对剂量当量的贡献占绝大部分比重.且质子治疗室辐射场中主要以高能中子和快中子为主.因此其屏蔽防护主要考虑中子防护,在屏蔽材料的选择上应充分考虑辐射场的中子能量.