WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

На правах рукописи

Чупикин Дмитрий Анатольевич ДОЗИМЕТРИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ ДИСТАНЦИОННОЙ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ НА ОСНОВЕ МЕТОДА МОНТЕ-КАРЛО Специальность 01.04.16 – Физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2007 2

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «МИФИ» - Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете)

Научный консультант:

Московский государственный инженерно-физический институт, г. Москва Доктор физико-математических наук, Профессор Климанов Владимир Александрович Научный консультант:

ВНИИ экспериментальной физики, г. Саров Кандидат физико-математических наук, доцент Донской Евгений Николаевич

Официальные оппоненты:

Обнинский Государственный Технический Университет Атомной Энергетики доктор физико-математических наук, профессор Андросенко Петр Александрович НИИ экспериментальной ядерной физики МГУ, г. Москва кандидат физико-математических наук, доцент Кэбин Эдуард Йоханнесович

Ведущая организация:

ГНЦ РФ Институт теоретической и экспериментальной физики РАН, г. Москва

Защита состоится « 01 » ноября 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.65 при Биологическом факультете МГУ им. М. В. Ломоносова – Московском Государственном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Россия, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12, Биологический факультет МГУ, ауд. _.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова Отзыв на автореферат в 2-х экз. просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан «»2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук Веселова Т.В.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В последние два десятилетия в техническом обеспечении лучевой терапии произошел качественный скачок, связанный с широким распространением медицинских ускорителей, сложнейших систем коллимирования излучения и высокоточной аппаратуры для экспериментальных измерений. Этот скачок естественно сопровождался быстрым развитием новых методов и алгоритмов расчета дозовых распределений, обеспечивающих жесткие требования к точности расчета. Особенно сильное влияние на разработку новых современных методов расчета дозовых распределений оказало развитие и внедрение в клиническую практику техники поперечной модуляции интенсивности пучков, систем обратного планирования и оптимизации облучения.

В результате в большинстве клиник стали использоваться системы 3-х мерного дозиметрического планирования с соответствующими алгоритмами 3-х мерного расчета дозы.

В настоящее время в таких передовых системах применяются в основном два метода: 1) метод свертки/суперпозиции, использующий дозовые ядра дифференциального тонкого луча; 2) метод тонкого луча в различных модификациях. Эти методы пришли на смену эмпирическим и полуэмпирическим методам. Они обладают достаточной быстротой и обеспечивают в случае однородности среды высокую точность расчета. Однако при наличии гетерогенности в области расчета, а также вблизи поверхности тела пациента погрешность расчета с помощью этих методов сильно возрастает. Принято считать, что единственным методом, который в условиях сложной геометрии расчета может обеспечить рекомендуемую международными комиссиями точность, является вероятностный метод Монте-Карло. Важно, что метод не требует записи соответствующего уравнения переноса, фактически здесь нет проблем с формулировкой дискретной модели. В обоих случаях реализация вычислительного алгоритма не требует упрощений. Метод максимально приспособлен для использования на ЭВМ. Единственным ограничением являются затраты машинного времени для получения результата с необходимой точностью. В настоящее время эти проблемы не являются решенными. Но в последнее время и в этом направлении ведутся целенаправленные работы и имеются определенные достижения.

Таким образом, метод Монте-Карло является наиболее точным методом расчета доз в лучевой терапии, и поэтому, ускорение расчетов путем модификации метода Монте-Карло является актуальной научно-технической задачей.

Целью работы является усовершенствование одной из модификаций метода Монте-Карло, а именно, метода PL-оценок потока в точке, а также разработка новых моделей источников для использования их в методе Монте-Карло.

При этом решаются следующие основные задачи:

1.Поиск возможных способов ускорения расчетов поглощенной дозы с использованием метода PL-оценок. На основе исследований предлагаются методы ускорения расчетов.

2. Метод PL-оценок потока в точке обобщается на случай расчета доз в неоднородной среде.

3. Разработка корректных математических моделей источников излучения радиотерапевтических ускорителей и облучателей с Co с целью использования их в методе PL-оценок.

4. Разработка моделей фотонных источников излучения радиотерапевтических установок для использования их в расчетах различными алгоритмами метода Монте-Карло в лучевой терапии.

Теоретическая база исследования. Для решения поставленных в работе задач использовалась теория переноса излучения, теория вероятностей и математическая статистика.

Научная новизна настоящей работы заключается в следующем:

1. Впервые предложены методы ускорения метода PL-оценок потока в точке.

2.Впервые показана возможность использования метода PL-оценок потока в точке при расчетах доз в химически неоднородных средах.

3.Усовершенствованы модели источников используемых в методе PLоценок потока в точке.

4. Предложен оригинальный метод формирования функций распределения вероятности, пригодных для выборки при моделировании фотонных источников для расчетов поглощенных доз методом Монте-Карло.

5. Предложен метод восстановления энергетического спектра дистанционного радиотерапевтического облучателя на основе пространственного распределения энергопоглощений.

Практическая значимость результатов работы состоит прежде всего в том, что предложенные в работе быстрые модификации метода PL-оценок с корректным учетом неоднородностей, а также новые математические модели источников дистанционной лучевой терапии, позволили создать на основе метода Монте-Карло методику расчета доз в лучевой терапии за приемлемое для клиник расчетное время.

Достоверность полученных результатов работы определяется использованием корректных теоретических методов, строгостью применяемого математического аппарата, а также хорошим соответствием с экспериментом и результатами расчетов других авторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Способы ускорения расчетов при использовании метода PL-оценок.

2. Методика учета гетерогенностей при расчете доз в лучевой терапии при использовании метода PL-оценок.

3. Новые модели фотонных источников излучения для использования их в методе PL-оценок.

4. Методика реконструкции эффективного спектра тормозного излучения на основании обработки пространственных дозных распределений, измеренных при вводе в эксплуатацию радиотерапевтических ЛУЭ и кобальтовых облучателей.

Апробация работы. Основные материалы и положения работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах:

Научная конференция в Московском инженерно-физическом институте «Научная сессия МИФИ 2004, 2005». – Москва, 2004г, 2005 г.

II Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика 2005», Москва, 2005 г.

Публикации.

Материалы диссертации опубликованы в 5 печатных работах: 1 статье в научных журналах, 4 научных трудах и тезисах конференций. 1 статья принята к изданию в журнале «Атомная энергия».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем составляет 131 страницу печатного текста, включая 50 рисунков. Список литературы включает 42 наименования, из них 30 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы, изложены цели, задачи и методы исследования, описана степень новизны и практической значимости результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен подробный анализ литературы по обозначенной тематике. На основе анализа были обобщены и систематизированы существующие на данный момент различные реализации и схемы метода Монте-Карло. Даны разъяснения по каждому типу схем метода Монте-Карло, такие как область применения и реализованные методики ускорения расчетов.

Описаны существующие программы, реализующие метод Монте-Карло для лучевой терапии. Для каждой программы показаны её преимущества перед стандартной реализацией метода Монте-Карло. Приведен список основных производителей систем дозиметрического планирования лучевой терапии, у которых запланирована (или уже введена) реализация метода Монте-Карло.

Показаны существующие методы ускорения расчетов методом МонтеКарло. В главе рассмотрены наиболее часто встречающиеся способы ускорения расчетов, показаны их условия применения и уменьшение времени расчета вследствие их применения. Использование данных способов напрямую влияет на ускорение расчетов методом Монте-Карло, однако их применение также косвенно влияет на ускорение расчетов с помощью метода PL-оценок.

Помимо описания методик увеличения эффективности расчетов в данной главе описаны способы учета гетерогенностей, часть из которых применена при учете гетерогенностей в методу PL-оценок.

Вторая глава настоящей работы посвящена исследованию метода PLоценок. Суть PL-оценок состоит в том, что внутри традиционной схемы метода Монте-Карло используются новые оценки для вычисления вклада в рассматриваемые функционалы. При этом преодолеваются два существенных недостатка, присущие методу Монте-Карло: медленная сходимость метода и значительная флуктуация результатов расчетов. При использовании PLоценок скорость счета повышается и исчезают флуктуации в результатах расчетов, так как методу PL-оценок присуще такое замечательное свойство как внутренне сглаживание расчетных данных. Расчеты с использованием PL-оценок также можно комбинировать с другими быстрыми приближенными методами расчета доза, основанными либо на использовании экспериментальных данных, либо на методе суперпозиции/свертки и применять их только для вычисления только в тех точках, где приближенные методы дают недопустимую погрешность.

Расчет поглощенной дозы с использование PL-оценок делится на два этапа:

• построение дерева траекторий в бесконечной однородной водной среде • PL обработка дерева траекторий.

При построении дерева траектории используются следующие правила:

частица источника – фотон, фазовые координаты для всех частиц источника r r (r0, E0). Непосредственно в точке источника происходит взаимодействие частицы с веществом, т.е. построение траектории происходит для источника первых столкновений.

Построение дерева траекторий может производиться любой программой, реализующей метод Монте-Карло для фотон-электрон-позитронных каскадов.

PL обработка дерева траекторий, которая состоит из двух этапов: построение обратной подобной траектории от случайной точки на текущем звене траектории, которая совмещается с детекторной точкой и вычисление вклада в дозу в детекторной точке от текущего звена траектории. Подобными траекториями будем называть траектории, которые построены в гетерогенной водной среде по следующему принципу:

1. Импульсные фазовые координаты основной и подобной траектоr r r рии совпадают Eisimilar = Eiprimary = Ei 2. Оптические длины каждого звена основной и подобной траектории совпадают.

Для построения обратной подобной траектории, проходящей через точr ку детектора rD, на текущем i-м звене основной траектории выбираем случайную точку на текущем звене траектории. Затем совмещаем выбранную точку с точкой детектора.

В случае воксельной геометрии уравнение поиска расстояния до узловой точки li выглядит следующим образом N 0 k li = lk k=, (1) N l = lk k=N – число пересеченных вокселей, k – плотность водной среды в k-м вокселе, lk –расстояние пройденное в k-м вокселе, вдоль направления (-ui ).

Вклад в поглощенную дозу от текущего звена траектории в текущейдетекторной точке вычисляется следующим образом.

r r (Ei)h Esource r CpGywi (r0similar E0)li / (2) vi Ssource, CpGy –переводной множитель из МэВ/г в пГр, wi -вес звена на траектории.

r (Ei) = Eia(Ei) Функционал если текущее звено – трек гамма-кванта, для vi которого перенос заряженных частиц не учитывается, 0 если текущее звено – трек гамма-кванта, для которого перенос заряженных частиц учитывается;

r (Ei) 1 dE = (Ei) если текущее звено – трек заряженной частицы. li –длина vi dx Esource = текущего звена траектории, Ep(E)dE –средняя энергия источника в MэВ. Ssource – площадь виртуального источника. Функция источника r h(r0similar, E0) представляется в виде (E0 ) l r h(r0similar, E0)= (E0 )exp (3) H O (E0)– полное сечение взаимодействия первичного гамма-кванта со срег r дой, l расстояние в от точки первого взаимодействия r0similar до границы смвоксельной геометрии в направлении обратном движению первичного гампГрсмма–кванта. Размерность дозы есть.

МэВ Исходя из этой модели, метод обобщается на случай гетерогенной среды следующим образом. Во-первых, при построении обратных подобных траекторий использовать не плотность вещества, а «электронно-эквивалентную» плотность, которая вычисляется исходя из соотношения:

hetero hetero Ne equal =, (4) water Ne hetero • – плотность вещества в неоднородности hetero • Ne – число электронов в единице объема вещества в неоднородности water • Ne – число электронов в единице объема воды NovaXYZ MCPL 4,4,3,3,2,2,1,1,0,0,02468 Z, см Рисунок 1 Глубинное распределение поглощенной дозы от источника 6 MV соответственно в воде. Расположение химической неоднородности {2 см < z< 5 см}, состав неоднородности – алюминий.

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»