利用蒙地卡羅(MC)方法評估非均向解析演算法(AAA)於極度不均質狀況下之劑量準確度

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研究生：	聶至謙 Nieh, Chih-Chien
論文名稱：	利用蒙地卡羅(MC)方法評估非均向解析演算法(AAA)於極度不均質狀況下之劑量準確度 Evaluation of accuracy of the Anisotropic Analytical Algorithm (AAA) under extreme inhomogeneities using Monte Carlo (MC) simulations
指導教授：	董傳中 Tung, Chuan-Jong 李宗其 Lee, Chung-Chi 趙自強 Chao, Tsi-Chian
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	原子科學院 - 生醫工程與環境科學系 Department of Biomedical Engineering and Environmental Sciences
論文出版年：	2009
畢業學年度：	97
語文別：	中文
論文頁數：	80
中文關鍵詞：	不均質、劑量評估、AAA 、高密度金屬、蒙地卡羅
相關次數：	點閱：2 下載：0
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隨著放射治療技術迅速發展，劑量計算演算法對於輻射與物質作用也考慮得更加周詳，以達到更準確之劑量給予。2005年，Varian Medical System提出一種新的光子劑量計算演算法-非均向解析演算法(Anisotropic Analytical Algorithm；AAA)取代舊有之筆射束卷積演算法(Pencil Beam Convolution；PBC)，以提供更加準確之劑量分佈計算。本研究主要利用蒙地卡羅方法(Monte Carlo；MC)評估AAA之計算準確性，探討於極度不均質的狀況下之劑量計算結果。首先，對MC劑量計算系統進行劑量驗證，再進一步建立極度不均質之數位假體，分別由AAA、PBC及MC羅模擬進行計算，最後再將劑量演算法與MC模擬之劑量分佈作比較。研究結果顯示，AAA相較於PBC，不論於極高或是極低密度造成不均質之狀況下，皆能提供較準確之計算結果。而PBC則是對於所有極度不均質附近之劑量計算皆不正確。相較於MC模擬，由於AAA假設光子劑量於深度及側向方向是獨立計算，並且沒有計算於假體內之二次電子遷移，這也使得在極度不均質界面附近無法完全考慮光子通量的衰減及帶電粒子不平衡之現象。

目錄
摘要 …………………………………………………………………….. i
誌謝 ………………………………………………………………..……ii
目錄 …………………………………………………………………iii
圖目錄 ………………………………………………………………….vi
表目錄 …………………………………………………………………xii
第一章     緒論 …….……………………………………………………..1
1.1    前言 ……………………………………………………………1
1.2    文獻回顧 ……………………………………………………... 4
1.3    研究目的 ………………………………………………………6
1.4    研究架構 ………………………………………………………7
第二章     研究原理 ………….…………………………………………..8
2.1非均向解析演算法(AAA) ……………………………………...8
    2.1.1 概述 ……………………………..……………………...8
    2.1.2 Configuration module ………………………………….9
    2.1.3 Dose calculation module ……………………………..10
    2.1.3.1 光子劑量計算 ………………………………….11
    2.1.3.2 電子劑量計算 ………………………………….13
    2.2 蒙地卡羅(MC)劑量計算系統 ………………………………15
    2.2.1 蒙地卡羅方法 ……………………..………………….15
2.2.2 蒙地卡羅劑量計算系統 ………..………...………….16
        2.2.3 物質與水之吸收劑量轉換 ……….…………………..17
2.3 不均質物質造成劑量擾動之現象 ..………………………...19
    2.3.1 概述 …………………………………………………...19
        2.3.2 由於不均質物質造成初始光子通量之影響 ..……….19
        2.3.3 由於不均質物質造成散射光子通量之影響 ………...20
        2.3.4 由於不均質物質造成界面處散射電子通量之影響 ...20
               2.3.5 射束通過不均質物質後造成後方深度劑量之影響 ...21
第三章 研究方法 ………………………………………….…………22
3.1蒙地卡羅劑量模型之建立與驗證 ..…………………………22
        3.1.1 量測與模擬均質水假體劑量分佈之實驗設計 …...…22
3.1.2 量測與模擬劑量分佈結果之評估方法 …...…………22
        3.1.2.1 Kappa test  ……….……………………………23
        3.1.2.2 Gamma evaluation .……………………………24
3.2 極度不均質物質分佈對劑量影響 ….………………………25
    3.2.1極度不均質數位假體之設計 …………..…………..…25
3.2.2 CT值與電子密度之轉換 …...……………………...…29
    3.2.3 百分深度劑量評估 ……………………………...……30
第四章 結果與討論 ………………………….………………………31
4.1蒙地卡羅劑量模型之建立與驗證 …………..………………32
4.1.1 量測與模擬劑量分佈結果之比較: 百分深度劑量曲線 ………………………………………………………32
4.1.2 量測與模擬劑量分佈結果之比較: 劑量剖面曲線 ……………………………………………………... 32
4.2 極度不均質物質造成劑量計算之影響 …………………….35
4.2.1 空腔對劑量計算之影響 ………….…………………. 35
4.2.2 肺組織對劑量計算之影響 …………………...………46
4.2.3 緻密骨對劑量計算之影響 ……….…………………..57
4.2.4 高原子序、高密度金屬物質對劑量計算之影響 ….…68
第五章 結論 …….……………………………………………………75
參考文獻 …….……………………………......................................77




圖目錄
圖1-1依據不均質修正演算法在處理初始光子、散射光子與電子以及在計算時間上的分類圖(AAPM TG-65 Report No. 85) ………...2
圖1-2 頭頸部癌症病患之CT影像，於(a)圖中鍵號指示空氣的位置；(b)圖中鍵號則指示金屬人工替換物的位置 …………………….7
圖2-1 AAA之劑量計算架構圖 ………………………………………..8
圖2-2 AAA劑量演算法描述光子射束相空間資訊之射源、分佈及入射通量模型 ………………………………………………………10
圖2-3寬射束及計算體積範圍劃分之概念 ………………………….11
圖2-4多能量散射核心(poly-energetic scatter kernel) …….………12
圖3-2 不均質數位假體之剖面圖，大小為30×30×20 cm3之水假體，其中包含一大小分別為(a) 30×30×1、(b) 30×30×5、(c) 1×1×1及(d) 1×1×5 cm3 之不同物質，光子射束6 MV，照野3×3及10×10 cm2，SSD為100 cm，Varian 21EX LINAC………...…..27
圖3-3 CT與密度轉換曲線 ………………………………..…………30
圖4-1 不同入射電子能量下，模擬百分深度劑量曲線與實際測量值之比較圖(照野:10×10 cm2，SSD=100 cm，Varian 21EX LINAC) ……………………………………………………………31
圖4-2 入射電子能量為6.3 MeV時，於深度1.5、5、10、15、25 cm時，不同入射電子徑向分佈模擬之劑量剖面曲線與實際測量值之比較圖(光子射束6 MV，照野:10×10 cm2，Varian 21EX LINAC) ……………………………………………………………33
圖4-3 (a)照野3×3 cm2，空腔大小30×30×1 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中空腔周圍之放大圖 ……………………………………………37
圖4-4 (a)照野10×10 cm2，空腔大小30×30×1 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中空腔周圍之放大圖 ……………………………………………38
圖4-5 (a)照野3×3 cm2，空腔大小30×30×5 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中空腔周圍之放大圖 ……………………………………………49
圖4-6 (a)照野10×10 cm2，空腔大小30×30×5 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中空腔周圍之  放大圖 …………………………………………40
圖4-7 (a)照野3×3 cm2，空腔大小1×1×1 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中空腔周圍之放大圖 …………………………………………………42
圖4-8 (a)照野3×3 cm2，空腔大小1×1×5 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中空腔周圍之放大圖 …………………………………………………43
圖4-9 (a)照野10×10 cm2，空腔大小1×1×1 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中空腔周圍之放大圖 ……………………………………………44
圖4-10 (a)照野10×10 cm2，空腔大小1×1×5 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中空腔周圍之放大圖 ……………………………………………45
圖4-11 (a)照野3×3 cm2，肺組織大小30×30×1 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中肺組織周圍之放大圖 ………………………….……………..47
圖4-12 (a)照野10×10 cm2，肺組織大小30×30×1 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中肺組織周圍之放大圖 ………………………..…………..48
圖4-13 (a)照野3×3 cm2，肺組織大小30×30×5 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中肺組織周圍之放大圖 ………………………….……………..49
圖4-14 (a)照野10×10 cm2，肺組織大小30×30×5 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中肺組織周圍之放大圖 …………………………..………..50
圖4-15 (a)照野3×3 cm2，肺組織大小1×1×1 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中肺組織周圍之放大圖 …………………………….…………..53
圖4-16 (a)照野10×10 cm2，肺組織大小1×1×1 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中肺組織周圍之放大圖 ………………………….……………..54
圖4-17 (a)照野3×3 cm2，肺組織大小1×1×5 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中肺組織周圍之放大圖 ………………………….……………..55
圖4-18 (a)照野10×10 cm2，肺組織大小1×1×5 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中肺組織周圍之放大圖 ………………………….……………..56
圖4-19 (a)照野3×3 cm2，緻密骨大小30×30×1 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中緻密骨周圍之放大圖 ………………………………………...59
圖4-20 (a)照野10×10 cm2，緻密骨大小30×30×1 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中緻密骨周圍之放大圖 ……………………….….………..60
圖4-21 (a)照野3×3 cm2，緻密骨大小30×30×5 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中緻密骨周圍之放大圖 …………………………………………61
圖4-22 (a)照野10×10 cm2，緻密骨大小30×30×5 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中緻密骨周圍之放大圖 ...............................................….62
圖4-23 (a)照野3×3 cm2，緻密骨大小1×1×1 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中緻密骨周圍之放大圖 …………………………….…………..64
圖4-24 (a)照野10×10 cm2，緻密骨大小1×1×1 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中緻密骨周圍之放大圖 ………………………….……………..65
圖4-25 (a)照野3×3 cm2，緻密骨大小1×1×5 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中緻密骨周圍之放大圖 …………………………………….…..66
圖4-26 (a)照野10×10 cm2，緻密骨大小1×1×5 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中緻密骨周圍之放大圖 …………………………………….…..67
圖4-27 (a)照野3×3 cm2，高密度金屬物質大小30×30×1 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中高密度金屬物質周圍之放大圖。[註：MC_=3 g/cm3指模擬物質為緻密骨，其質量密度設定為3 g/cm3] …………...71
圖4-28 (a)照野10×10 cm2，高密度金屬物質大小30×30×1 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中高密度金屬物質周圍之放大圖。[註：MC_3 g/cm3指模擬物質為緻密骨，其質量密度設定為3 g/cm3] ………..….72
圖4-29 (a)照野3×3 cm2，高密度金屬物質大小1×1×1 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中高密度金屬物質周圍之放大圖。[註：MC_3 g/cm3指模擬物質為緻密骨，其質量密度設定為3 g/cm3] ……….…..73
圖4-30 (a)照野10×10 cm2，高密度金屬物質大小1×1×1 cm3之假體中，AAA、PBC與蒙地卡羅模擬中心軸百分深度劑量曲線之比較，(b) a圖中高密度金屬物質周圍之放大圖。[註：MC_3 g/cm3指模擬物質為緻密骨，其質量密度設定為3 g/cm3] ……….…..74


表目錄
表2-1百分深度劑量曲線及劑量剖面對於入射初始電子之平均能量、徑向分佈及能量分佈之敏感度 ………….…………………17
表2-2各種不同能量之光子射束於均質水假體下相對於不同物質之平均碰撞阻擋平領比值 …………………………………………19
表3-1假體物質之種類及其相對應之質量密度、電子密度、CT值及平行於射束方向之厚度 …………………..…………….………28
表3-2 人體部分組織成分 …………………………………………...28
表3-3 假牙金屬樣品組成成份(Degubound®4) …………………….28
表4-1 不同入射電子能量下，模擬之百分深度劑量曲線與實際測量值比較之Kappa value(6 MV光子射束，照野:10×10 cm2) ……32
表4-2入射電子能量為6.3MeV時，於不同深度下、不同入射電子徑向分佈模擬之劑量剖面與實際測量值比較的percentage gamma ……………………………………………………...……34
表4-3入射電子能量為6.3MeV時，於不同深度下、不同入射電子徑向分佈模擬之劑量剖面與實際測量值比較的mean gamma及weighted mean gamma ……...…………………………………34

                                

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