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面向可寻址平板X射线源的放疗剂量计算算法研究

摘要千伏级X射线放疗利用50~150 kV微型X射线源对靶区实施高剂量率照射,但现有设备因射野适形性差、三维剂量评估工具缺失等问题,制约其临床应用。可寻址平板X射线源(Flat-panel X-ray Source,FPXS)基于场发射电子源阵列与透射式阳极靶结构,通过栅极电压调控实现射野调制,可突破适形性瓶颈,但针对FPXS的精确剂量计算方法及计划系统尚未建立,影响剂量投递的准确性。基于此,本研究面向可寻址平板X射线源的放疗剂量计算算法研究,主要内容概括为:<br>  (1)剂量算法开发与验证。开发了基于GPU加速的FPXS蒙特卡罗剂量计算包(GPU-accelerated FPXS Monte Carlo Dose Calculation Package,gFPMCD)和笔形束剂量计算包(FPXS Pencil Beam Dose Calculation Package,FPPB)。gFPMCD通过束流模型构建、剂量系统初始化、光子初始状态确定、并行粒子输运模拟和剂量统计等核心环节,实现了在适形射野及复杂气隙模体中高精度剂量计算;FPPB则借助预存笔形束核与通量矩阵卷积实现快速计算,结合掩模优化提升非均匀介质精度。以通用MC程序GEANT4模拟为基准开展两个计算包验证实验:适形射野实验中,gFPMCD与FPPB计算平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)分别为0.49%与0.51%;可变气隙实验中,gFPMCD计算MAE(1.76%)优于FPPB(2.03%)。计算效率方面,gFPMCD与FPPB的单次计算耗时分别为20.51秒与1.61秒,相比GEANT4分别提高291倍与3700倍。结果表明,gFPMCD适用于复杂几何条件下剂量计算,FPPB适用于均匀介质中快速计算,证明二者在精度与效率上的互补优势。<br>  (2)剂量算法校准与计划系统集成。基于已搭建剂量学测量平台,通过电离室及胶片实验采集实测剂量分布,并利用胶片数据生成射野权重矩阵以修正剂量算法的输入参数,确保模拟剂量与实测分布一致。在此基础上,将校准后的剂量算法集成至 FPXS 专用计划系统(FPXS Brachytherapy Treatment Planning System,FPBTPS),完成图像引导与射野设计、前向计划和计划实施功能面板的设计。其中前向计划面板支持参数配置、二维剂量与等剂量线可视化及靶区剂量学评估。多类射野实验表明,校准后gFPMCD与胶片剂量曲线误差仅1.72%,显著优于FPPB的7.10%。系统功能测试表明,在圆形射野场景下,gFPMCD与FPPB的剂量计算耗时分别为21.0 s和2.3 s;图像切片加载延迟≤0.27s,剂量评估响应时间<0.003 s;靶区剂量学指标变异系数(Coefficient of Variation,CV)<2.13%。各模块运行稳定,高效满足临床精度与速度需求。<br>  本研究通过剂量算法开发、剂量算法校准与计划系统构建,建立了面向FPXS的剂量计算体系,推动FPXS放疗智能化精准应用。

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导师 徐圆
发布时间 2025-12-01(万方平台首次上网日期,不代表论文的发表时间)
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