[医药卫生]三维剂量计算模型和治疗方案优化课件.ppt
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- 关 键 词:
- 医药卫生 三维 剂量 计算 模型 治疗 方案 优化 课件
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1、高能高能X()射线的三维剂量计算模型射线的三维剂量计算模型 IMRT治疗方案优化治疗方案优化.高能高能X()射线的三维剂量计算模型射线的三维剂量计算模型.治疗计划的设计步骤 体模阶段体模阶段 计划设计计划设计 计划确认计划确认 计划执行计划执行.射野剂量分布的数字表达射野剂量分布的数字表达 三维剂量计算模型中,最常用的剂量数据的表达方三维剂量计算模型中,最常用的剂量数据的表达方式是式是剂量网格矩阵剂量网格矩阵 直角坐标系直角坐标系 极坐标系极坐标系 扇形线坐标系扇形线坐标系 等离轴比线坐标系等离轴比线坐标系坐标系的选择取决于采用的剂量计算模型坐标系的选择取决于采用的剂量计算模型.1、直角坐标系
2、、直角坐标系 最直观最直观的网格矩阵表示方法的网格矩阵表示方法 网格点大小按网格点大小按剂量精度剂量精度选择选择 射野边缘,剂量变化梯度较射野边缘,剂量变化梯度较大的地方,应选较小网格点大的地方,应选较小网格点 缺点缺点:需存储的数据量较大:需存储的数据量较大.2、极坐标系、极坐标系 特别适用于特别适用于旋转照射旋转照射的剂的剂量计算量计算 剂量等中心处归一剂量等中心处归一Pijj.3、扇形线坐标系、扇形线坐标系 网格点网格点为源于放射源的扇为源于放射源的扇形线与平行于模体形线与平行于模体(或患者(或患者皮肤表面)皮肤表面)的平行线的平行线(深度线)(深度线)的交点的交点 扇形线扇形线间距间距
3、随偏离中心轴随偏离中心轴而变化,而变化,半影区扇形线较半影区扇形线较密密.4、等离轴比线坐标系、等离轴比线坐标系等离轴比线等离轴比线为位于同一离为位于同一离轴比线上诸点的剂量率与轴比线上诸点的剂量率与模体内同一深度处中心轴模体内同一深度处中心轴上剂量率之比为常数上剂量率之比为常数剂量网格点剂量网格点为平行于模体为平行于模体的不同深度线与相应离轴的不同深度线与相应离轴比线的交点比线的交点射野边缘等离轴比线靠得射野边缘等离轴比线靠得比较近,射野中心区域的比较近,射野中心区域的等离轴比线相距较远等离轴比线相距较远.剂量计算模型剂量计算模型组织的不规则轮廓和不均匀性密组织的不规则轮廓和不均匀性密度度次
4、级电子的输运和能量沉积次级电子的输运和能量沉积NoImageNoImageNoImage.剂量计算模型:剂量计算模型:不规则轮廓不规则轮廓和和不均匀性密不均匀性密度度基于基于修正修正基于基于模型模型次级电子能量沉积次级电子能量沉积.基于修正的剂量计算模式基于修正的剂量计算模式 以以参考条件下对标准野测量深度剂量、离轴比、参考条件下对标准野测量深度剂量、离轴比、散射因子等为基础,加之必要散射因子等为基础,加之必要修正修正后得到实际放射后得到实际放射物理条件和放射治疗对象剂量分布的剂量计算方法。物理条件和放射治疗对象剂量分布的剂量计算方法。.均匀模体中,均匀模体中,P点的剂量为:点的剂量为:Dm:
5、参考射野在等中心处的模体内最大剂量点处剂量;:参考射野在等中心处的模体内最大剂量点处剂量;OUF:射野输出因子;:射野输出因子;INSQ:距离平方反比因子;:距离平方反比因子;TMR:组织最大剂量比;:组织最大剂量比;OAR:计算点所在深度处的射野离轴比;:计算点所在深度处的射野离轴比;WC:楔形板、组织补偿器、射野挡块等对原射线的修正因子:楔形板、组织补偿器、射野挡块等对原射线的修正因子不均匀模体时,不均匀模体时,利用利用有效深度有效深度修正修正.矩阵法矩阵法 解析法解析法基于修正的剂量计算模式基于修正的剂量计算模式不规则轮廓不规则轮廓和和不均匀性密度不均匀性密度.矩阵法矩阵法 楔形板、射野
6、挡块、组织补偿楔形板、射野挡块、组织补偿器、曲面和不均匀组织对剂量器、曲面和不均匀组织对剂量分布的影响,按一维校正因子分布的影响,按一维校正因子逐点逐点计算与修正。计算与修正。等剂量线叠加在矩阵网格上,等剂量线叠加在矩阵网格上,形成形成射野剂量矩阵射野剂量矩阵。多个射野剂量矩阵的叠加,形多个射野剂量矩阵的叠加,形成多野照射的剂量分布成多野照射的剂量分布.解析法解析法 剂量分布通常表示为两个函数的乘积。剂量分布通常表示为两个函数的乘积。二维情况下二维情况下:射野中心平面上点射野中心平面上点(x,z)处的剂量;处的剂量;射野中心轴上与计算点射野中心轴上与计算点P在同一深度处的点在同一深度处的点P的
7、剂量;的剂量;深度深度 z 处距离射野中心轴处距离射野中心轴 x 处的离轴比;处的离轴比;三维情况下三维情况下:NoImageNoImageNoImageNoImage.矩阵法矩阵法和和解析法解析法依赖于实验条件和实验模型,用于实际剂依赖于实验条件和实验模型,用于实际剂量计算时,通常要根据实际情况进行量计算时,通常要根据实际情况进行校正校正,如射野形状、,如射野形状、源皮距、人体曲面、非均匀组织、楔形板等源皮距、人体曲面、非均匀组织、楔形板等 主要用于计算主要用于计算二维平面二维平面上的剂量分布上的剂量分布.剂量计算模型剂量计算模型基于模型的剂量计算模式基于模型的剂量计算模式1.原射线和散射线
8、剂量分离法原射线和散射线剂量分离法2.卷积法卷积法3.蒙特卡罗法蒙特卡罗法次级电子输运次级电子输运次级电子沉积次级电子沉积.1、原射线剂量和散射线剂量分离法、原射线剂量和散射线剂量分离法 在在电子平衡电子平衡的条件下,将体模中任意一点的剂量分的条件下,将体模中任意一点的剂量分为为原射线剂量原射线剂量和和散射线剂量散射线剂量两部分,即体模内的吸收剂两部分,即体模内的吸收剂量为:量为:原射线剂量计算:指数衰减规律原射线剂量计算:指数衰减规律散射线剂量计算散射线剂量计算:1.散射空气比散射空气比(SAR)或或散射最大剂量比散射最大剂量比(SMR),散射模体比散射模体比(SPR)2.微分散射空气比微分
9、散射空气比(differential scatter-air ratio,DSAR).半经验公式模型半经验公式模型 原射线剂量原射线剂量:用零射野的:用零射野的组织空气比组织空气比(TAR)表示表示 最大剂量空气比最大剂量空气比(TMR),组织模体比,组织模体比(TPR)散射线剂量散射线剂量:用:用散射空气比散射空气比(SAR)表示表示 散射最大剂量比散射最大剂量比(SMR),散射模体比,散射模体比(SPR)射野内任一点的剂量为:射野内任一点的剂量为:Dm计算点处空气中的吸收剂量;计算点处空气中的吸收剂量;d为组织深度;为组织深度;r为计算点深度处的圆形野半径;为计算点深度处的圆形野半径;PO
10、AR为模体中深度为模体中深度d处原射线的离轴比处原射线的离轴比NoImage.半经验公式模型半经验公式模型在在均匀模体均匀模体中或中或不规则野不规则野的剂量计算,有较高计的剂量计算,有较高计算精度算精度没有考虑计算点周围不均匀组织对剂量的影响,没有考虑计算点周围不均匀组织对剂量的影响,不能用于三维计算不能用于三维计算.对半经验公式模型的改进对半经验公式模型的改进等效组织空气比等效组织空气比(ETAR)法法1.有效深度有效深度d:修正扇形线方向上不均匀组织引起的深度变化修正扇形线方向上不均匀组织引起的深度变化2.有效射野有效射野r:组织密度和散射点与计算点间相对位置的函数组织密度和散射点与计算点
11、间相对位置的函数不均匀组织引起的剂量校正因子不均匀组织引起的剂量校正因子CF为:为:第第i,j,k个体素单元的散射线对个体素单元的散射线对计算点剂量贡献的相对重要性计算点剂量贡献的相对重要性 扇形线上第扇形线上第i个不均匀组个不均匀组织的相对电子密度织的相对电子密度.微分散射空气比微分散射空气比(DSAR)微分散射空气比微分散射空气比(DSAR):散射体积单元:散射体积单元V内的散射空气比内的散射空气比均匀介质均匀介质中某一点的散射剂量为中某一点的散射剂量为DSAR在受照体积内的在受照体积内的积分积分关键关键:把体模分成一系列的子层面,然后导出各子层面对计算:把体模分成一系列的子层面,然后导出
12、各子层面对计算点的微分表达式,由这些微分表达式计算出各子层面对计算点点的微分表达式,由这些微分表达式计算出各子层面对计算点的散射贡献的散射贡献.微分散射空气比微分散射空气比(DSAR)柱形环单元内柱形环单元内r r 内的散射内的散射空气比:空气比:柱形环单元柱形环单元r r 内的散射空内的散射空气比沿深度气比沿深度d的变化,即的变化,即V内的散内的散射空气比射空气比对对r,z求和可求得求和可求得P点的散射剂量点的散射剂量.微分散射空气比微分散射空气比(DSAR)对对不均匀组织不均匀组织,P点的散射剂量点的散射剂量散射体积单元的组织密度散射体积单元的组织密度水的密度水的密度散射体积单元中原射线的
13、改变量散射体积单元中原射线的改变量达到达到P点散射线的衰减的改变量点散射线的衰减的改变量.2、卷积法、卷积法 剂量计算是通过将放射性的剂量计算是通过将放射性的光通分布光通分布(fluence distribution)与一个与一个点扩展函数点扩展函数(point spread distribution)或或卷积核卷积核相相卷积来实现卷积来实现表示体模中点表示体模中点(x,y,z)处的剂量处的剂量 表示射野的光通分布表示射野的光通分布表示点表示点扩展函数扩展函数或或卷积核卷积核.MU:加速器监测剂量计数加速器监测剂量计数CF:参考射野在最大剂量点处的校准剂量率参考射野在最大剂量点处的校准剂量率W
14、:第第i个子野中第个子野中第j个个FSPB的权重的权重ROF:射野输出因子:射野输出因子TMR:组织最大剂量比:组织最大剂量比ISF:反平方校准因子反平方校准因子.卷积核的获取卷积核的获取 直接实验测量法直接实验测量法(粗糙的方法)(粗糙的方法)采用适当的限光和准直装置,把准直器散射降到最低,把测量得到的小采用适当的限光和准直装置,把准直器散射降到最低,把测量得到的小野剂量分布的二维截面剂量分布作为二维卷积核野剂量分布的二维截面剂量分布作为二维卷积核 有限面积的近似卷积核有限面积的近似卷积核 高斯函数逼近法高斯函数逼近法 用高斯函数的解析式逼近三(二)维卷积核用高斯函数的解析式逼近三(二)维卷
15、积核 小角度散射小角度散射Monte Carlo模拟法模拟法(高精度方法)(高精度方法)等同于在均匀介质中用等同于在均匀介质中用Monte Carlo方法进行剂量计算方法进行剂量计算 解卷积法解卷积法(简单可靠)(简单可靠)从测量数据中用解卷积方法抽取卷积核的方法从测量数据中用解卷积方法抽取卷积核的方法 卷积核包含了全部光子与物质作用的全部物理信息,获取容易可靠卷积核包含了全部光子与物质作用的全部物理信息,获取容易可靠.3.蒙特卡罗法蒙特卡罗法(Monte Carlo)原理:原理:用用Monte Carlo方法来模拟大量单个光子在输运过程中与物方法来模拟大量单个光子在输运过程中与物质的作用过程
16、,通过对作用过程的随机采样,对每一次作质的作用过程,通过对作用过程的随机采样,对每一次作用应用放射物理定律来预测和统计作用的结果。用应用放射物理定律来预测和统计作用的结果。Monte Carlo技术是用随机抽样技术模拟三个过程:技术是用随机抽样技术模拟三个过程:1.1.原射线的能谱及其离轴分布;原射线的能谱及其离轴分布;2.2.原射线及散射线光子在介质中的输运过程;原射线及散射线光子在介质中的输运过程;3.3.模拟由光子与物质相互作用后产生的次级电子的输运和能模拟由光子与物质相互作用后产生的次级电子的输运和能量沉积过程。量沉积过程。lMonte Carlo是一种适用性最强的三维剂量计算方法,但
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