医用直线加速器高能X线剂量计算的超快速蒙特卡洛算法的关键点研究

[Objective] Prescription dose awarded a tumor target is restricted by the dose and DVH of the surrounding OAR , at present, the dose calculation precision is very high by the most of the major analytical or semi - analytical dose model in tissue that its density approach water's. but, its dose calculation precision is bad in high or low density area, and that ,it is unfortunate that the area is those organ at risk. The Monte Carlo is a calculating method based on a probability statistical theory, its advantages of the dose calculating accuracy are widely cognized on radiation energy depositions in heterogeneity substance, but its computational efficiency is a immense obstacle when the method of Monte Carlo is widely used to radiotherapy oncology, the investigation intent is for to solving the problem of Monte Carlo super-fast calculation in radiotherapy under keeping MC calculating high precision and to improving dose calculating accuracy in inhomogeneous densities tissue, and to play its advantages for dose calculations in inhomogeneous media.. [Methods and Contents] To separate off the original photons transporting course and the scatter photons transporting course in the Monte Carlo calculating ,could cut to track the process of transporting and interacting of tow-order scattered photons and high-order scattered photons in the calculating model, and simplify the course of scattering photons transporting and interacting. To establish a new model or feedback function that correct the calculation result because the transporting tracking of the tow-order scattered photons and high-order scattered photons are cut. In theory,the feedback function to tow-order scattered photons and high-order scattered photons is related to the density distribution function of the volume scattering photons. So,it can greatly reduce the photons sum of MC simulating and tracking, and greatly improve MC efficiency of the dose calculating , can be adapted the radiotherapy clinic requirement with keeping the advantages of Monte Carlo calculation.

[目的] 肿瘤放疗靶区能够给予的最高剂量受周边正常组织的剂量和剂量体积限制，目前用主流的解析半解析剂量算法模型计算密度接近水的组织剂量时，计算精准度非常高，但是高密度或低密度区域内的计算存在较大的不确定性，依不同算法模型或高或低，而这些区域恰恰是危机器官区域。虽然以概率统计理论为基础的蒙卡计算方法在密度不均匀物质中的计算能量沉积量方面具有公认的优势，但是，它的计算效率阻碍了它的推广；本课题的目的就是想利用蒙特卡洛计算精准前提下，解决在光子放疗剂量计算中的超高效率问题。[方法内容] 拟在对高能X射线的光子输运模拟计算过程中建立分离初始光子与散射光子输运计算的模型，截断对二次及二次以上的高次散射光子的输运过程计算，简化多级散射光子的输运和作用过程的模拟追踪，建立截断高次散射光子追踪计算对剂量计算结果精准度的修正数学模型，这个模型应该是一个与散射体积密度分布函数相关函数。

经过4年的研究工作，完成了所有目标，取得了一批具有创新性的成果，这些成果将陆续以发明专利、论文形式发布。.在研究过程中，创新性地提出了体素中与水发生相互作用的光子概率值的三维注量方法，这一技术大幅度压缩了光子相空间文件尺寸，抑制了传统的二维相空间光子分布方差伴随光子传播产生的放大效应对能量沉积计算的影响；可以充分利用蒙特卡洛计算中的强迫碰撞技巧，消除了发生相互作用的光子数量上的统计涨落对剂量计算精度的影响。.创新性地提出了截断二阶散射光子的输运历程的追踪就能实现精确的剂量计算的方法，它的意义在于在蒙卡计算过程中截断二阶散射光子的输运追踪，可以大量降低输运模拟计算量。实现截断二阶散射光子的输运的方法，首先需要计算出一阶散射光子的注量、能量分布形式和能量沉积分布，这就需要利用本项目研究过程中提出的用一阶散射光子特征核为计算核计算体素中一阶散射光子注量及记录光子的特征信息方法。.创新性地提出了光子的能量沉积特征矩阵作为计算核，发生相互作用的光子数量乘以该特征矩阵值即为该组光子在水中的能量沉积结果。它的重要意义是解决了蒙特卡洛能量沉积计算过程中产生统计方差的最大因素、最根本因素，是实现超快速蒙特卡洛剂量计算的基石。.创新性地研制出对密度非均匀分布的体积的径向压缩形变与还原方法，使得计算核矩阵方法可以用于密度非均匀分布的组织。它的重要意义是解决了超快速蒙特卡洛计算理论和方法完整地应用到非均匀介质中，是这一研究最终的意义和目的。.创新性地提出了全新的加速器X线光源模型函数的构造方法，并获得国家发明专利。提出了区分相空间文件中原射线光子与散射线光子的新方法，该方法简便、准确、易行。.依托超快速蒙特卡洛剂量计算的关键技术研究成果，可以用于放疗计划系统中精准剂量计算模块开发、放疗剂量验证的质控模块开发、特定测量条件下的测量设备仪器效验、改善临床剂量学、CBCT图像质量的优化等.