CyberKnife剂量校准与验证的系统研究

CyberKnife System use small fields for Stereotactic Radiosurgery(SRS),offer a very conformal and gradient dose distribution and protect the normal tissue very well at the time of giving the target enough dose. However, electrons nonequilibrium caused by small fields and the effects of material and volume of detectors makes the measurement、calculation and evaluation of dosimetry very difficult. This research will simulate CyberKnife system with Monte Carlo method precisely,investigate the dose response of many detectors and calculate their correction factors, implant a recently proposed dosimetric formalism to CyberKnife system, calibrate the CyberKnife beam under nonstandard reference condition and measure the output factors under small fields very accurately, help the international working group to develop the dosemetry protocals of nonstandard and small fields. This research also try to use experiments on phantom and Monte Carlo simulation to evaluate the treatment plan of patients, research the effect of tissue nonuniform on dose calculation,develop a standardized patients specific quality assurance(PSQA).

CyberKnife系统采用小射野对患者肿瘤实施立体定向放射治疗，提供了更好的适形剂量分布和更大的剂量梯度，从而使靶区得到大剂量照射的同时很好地保护了周围的正常组织器官。然而由于小射野下束流电子不平衡状态的出现，以及探测器介质及体积的影响带来了临床剂量测量、计算及评估上的困难。本研究基于对CyberKnife系统进行精确的Monte Carlo模拟，研究各类探测器在非标准野及小野下的剂量响应并计算其修正因子，应用国际上最新推荐的剂量学体系，实施非标准参考野下的绝对剂量校准以及小野输出因子的精确测量，将有效地推动国内和国际上非标准野及小野下新剂量体系的建立和发展。本研究进而采用模体实验与蒙卡模拟相结合的方法，对CyberKnife系统患者治疗计划进行点剂量和平面剂量分布的验证，研究组织非均匀性对剂量计算的影响，建立CyberKnife系统特定患者质量保证（PSQA）的技术方法和临床规范。

CyberKnife系统采用小射野对患者肿瘤进行立体定向放射治疗，考虑到小射野易形成射线束电子不平衡状态，以及探测器介质及其体积的影响会带来临床剂量测量、计算及评估的困难。本研究通过实施CyberKnife系统精确地蒙特卡罗模拟，拟建立一套第三方系统模型，以探讨实现临床非标准参考条件下剂量校准和特定患者计划的剂量验证可能。.本研究利用BEAMnrc与DOSXYZnrc软件平台，通过模拟实际CyberKnife治疗机头的物理结构，并与射线测量数据（PDDs、OARs、射野输出因子等）的比对，以确定束流参数，从而实施非标准参考条件下剂量标定的研究。选取30例患者治疗计划（其中头部、肺部及肝部肿瘤各10例），相同的射野参数条件下运用治疗计划系统（TPS）中射线追踪算法、蒙特卡罗算法以及开发的BEAM蒙特卡罗模拟算法分别计算出其三维剂量分布，采用Gamma分析方法(3mm/3%)定量评估不同算法之间计算精度的差异性，进而探讨建立基于蒙特卡罗算法模拟(第三方软件)患者计划的剂量验证方法。. 通过确立束流的平均能量和强度分布半高宽值，蒙卡模拟束流模型与射线束测量数据（PDDs及OARs）比较，均在可接受的偏差范围内（全局90%以上的点误差在2%以内），从而建立了12个准直器（5-60mm）的较为理想蒙卡束流模型，并实现了非标准参考条件下剂量标定工作。对三种算法的剂量计算精度实施了定量评估，Gamma分析结果表明：BEAM蒙卡模拟与TPS蒙卡算法在30例患者治疗计划中均保持了较高的通过率（头部84.882±9.666%, 肝部98.830±1.049%，肺部98.263±1.867%）；而BEAM蒙卡模拟与TPS射线追踪算法在头部、腹部肿瘤患者计划中通过率较高（头部95.933±3.120%，肝部99.836±0.334%），但在肺部肿瘤患者治疗计划中剂量体积直方图上剂量偏差明显，从而两者Gamma通过率相差较大（51.263±38.964%）。因此，基于蒙特卡罗算法模拟（第三方软件工具）实施CyberKnife系统患者计划剂量验证的方法是可行的。. 本课题研究建立的CyberKnife系统蒙特卡罗模拟算法将可作为第三方软件的基准工具，在非标准射野剂量校准和患者计划剂量验证中发挥重要的作用。