基于新型闪烁凝胶材料的三维剂量分布快速测量技术研究

With the development and application of the increasingly complex dynamic radiation therapy technology, the dose verification before treatment becomes more and more important and complex. A comprehensive 3D fast dose measurement technique can effectively ensure the accurate execution of dynamic radiation therapy. Currently, a very promising method for measuring 3D dose distribution based on scintillation materials limits its application to a certain extent because the scintillation materials are not tissue equivalent and not easy to shape. Therefore, the project mainly focuses on two research topics: 1) research and development (R&D) of tissue equivalent simulation physical model based on new scintillation gel materials; 2) R&D of mathematical reconstruction method of three-dimensional dose distribution from optical signal in scintillation body. Through these studies, new tissue-equivalent scintillation gels and a fast 3D dose reconstruction algorithm will be developed, which would provide an advanced method for radiation dosimetry research, such as dose verification in radiation therapy, human dose simulation and so on.

随着动态放射治疗技术的发展与应用，治疗前的剂量测量验证工作变得尤为重要和复杂，3D剂量分布的快速测量技术是保证动态放射治疗方案精确实施的关键。目前，应用前景很好的基于闪烁体的3D剂量测量技术由于闪烁体材料本身的组织等效性与不易塑型等因素，一定程度上制约了该技术的实际应用。为此，本项目提出1）研制基于新型闪烁凝胶材料的组织等效仿真物理模型；2）开展闪烁体内光信号到三维剂量分布的数学重建方法研究。通过上述研究，研发出新型组织等效凝胶闪烁体以及相关的3D剂量分布快速测量的关键技术，可为放射治疗的剂量测量验证、人体剂量模拟等辐射剂量学研究提供先进手段。

作为质量保证和控制的关键部分，治疗前的剂量验证工作不仅能够有效地降低放疗过程中出错风险，还有助于放疗方案的精确有效地制定、实施以及减少放疗副作用和降低复发率。然而，目前放疗领域的剂量验证常采用点或二维等进行低取样的剂量测量方法，无法提供相关体积内高空间分辨率的3D剂量验证，很难满足如IMRT和VMAT等动态放射治疗新技术对三维剂量验证的需求。.本项目开展了新型闪烁凝胶材料的制备及优化、组织等效物理模型的制作、基于闪烁光信号到三维剂量分布的数学重建算法等研究内容，研制了三维剂量分布快速测量系统样机，并在山西白求恩医院的放疗平台上进行了实验测试，取得了较好的实验测试结果。.项目组制备出的闪烁凝胶材料，经优化后其光子软组织等效性优于5%，实验测试发光强度可达标准液闪的80%左右。同时该材料表现出较好的剂量线性并对受照剂量率无依赖性等适合剂量测量的优异性能。研制的二维剂量测量样机的测量分辨率明显高于平板电离室，并且在有效测量区域内两者对剂量分布的测量结果误差在5%以内。.项目组研制的三维剂量实时测量系统样机，在山西白求恩医院的放疗平台上，分别进行了单射野照射、IMRT三子野计划、VMAT计划、SBRT计划、平板电离室测量对比等实验测试，结果表明：对于常规简单的治疗计划，相对误差在5%以内，Gamma通过率（3mm/3%）大于90%；对于多角度动态的复杂治疗计划，大部分的测量点相对误差在5%以内，Gamma通过率（3mm/3%）在70%-90%之间，与平板电离室对比平面剂量测量的相对误差大部分区域小于2%。同时本测量方法分辨率高，可分子野进行治疗计划的剂量验证，可测量感兴趣区域内三维剂量空间的实时分布，能够有效弥补现有技术的不足。.基于闪烁体的三维剂量实时测量是最具潜力能够解决动态精准放疗新技术对剂量验证需求的技术之一，本项目开展的研究工作验证了该技术的可行性，具有一定的科学意义。同时该技术具备的高分辨率、动态实时、三维剂量分布等优势，将有望替代现有测量设备，具有广阔的市场应用前景。