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研究生:柯承邑
研究生(外文):Cheng Yi Ke
論文名稱:利用質子治療引發正子影像應用於質子劑量驗證之研究
論文名稱(外文):Study of range verification using PET imaging induced in proton therapy based on Monte Carlo simulation
指導教授:蕭穎聰
指導教授(外文):I. T. Hsiao
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:醫學影像暨放射科學系
學門:醫藥衛生學門
學類:醫學技術及檢驗學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
論文頁數:89
中文關鍵詞:質子治療正子斷層掃描質子深度驗證
外文關鍵詞:Proton therapyProton PETProton range verification
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質子治療逐漸成為腫瘤治療重要選擇之一,其優於傳統的光子或電子治療,在於有布拉格峰的劑量分佈,可降低對正常組織的傷害。然而,布拉格峰如果位置不正確,造成的傷害會是更加嚴重的,所以質子劑量的深度驗證就顯得非常重要。我們可以透過質子所引發的正子訊號,利用正子斷層攝影(PET)去收集這些資訊,去回推劑量的深度。PET目前做為質子劑量驗證主要方法之一,在許多研究提出不同的驗證方法,本實驗目的是想探討PET掃描時間不同,對於11C、15O、13N所提供的訊號,會不會影響深度驗證的結果,以及探討不同重建劑量的方法,對於劑量分佈以及深度驗證是否會有影響。實驗方法主要是利用GATE蒙地卡羅模擬去模擬不同能量、物質及其他條件,再利用MATLAB去做後續的處理。
結果顯示,對於短半衰期15O(半衰期: 2分鐘)含量較高的物質,在不同時間下的PET訊號分佈,在0~5分鐘的PET訊號數比起10~20分鐘的訊號數提升1.65倍。在利用反卷積方法做重建劑上,Lucy Richardson, regularized filter和Wiener filter 在深度驗證其誤差範在1~2mm以內,而在整體劑量分佈驗證則是Lucy Richardson 和regularized filter比起Wiener filter會有較好的結果。這些結果對於臨床的質子劑量驗證可以提升其準確性。


The advantages of proton therapy, in contrast to conventional radiotherapy from photons and electrons, are based on the characteristic proton Bragg peak. However, the advantages are hampered by uncertainties in the proton range caused by many factors. As a quality assurance (QC) process, verification on correctness of the dose delivery and irradiation field position is necessary after proton therapy. Position emission tomography (PET) as a tool for verifying dose distribution in proton therapy after treatment has became one of the research interests among associated research groups recently. The aim of this study is to study the range difference between proton and PET activity based on Monte Carlo simulation.
The results indicated that the proton dose range is dependent on PET acquisition time, and also on irradiated materials. The acquired 15O signal leads to least range difference between PET activity and proton dose range, and thus PET activity acquired from earlier scanning time frame (2-5min) is with both high-counting statistics and less biological washout. The study also showed that the three de-convolution methods are able to provide results with acceptable range errors for proton range verification.


目錄
指導教授推薦書
口試委員審定書
中文摘要 iii
Abstract iv
目錄 v
圖目錄 viii
表目錄 x
第1章 簡介 1
1.1 傳統治療 1
1.2 質子治療 2
1.3 質子劑量深度驗證 3
1.4 正子斷層掃描 5
1.5 PET劑量深度驗證 9
1.6 實驗目的 11
第2章 實驗方法概述 13
2.1 蒙地卡羅運算 13
2.1.1 Geant4簡介 14
2.1.2 GATE siumlation 14
2.2 高斯冪定律方程式 15
2.3 濾波方程式(FILTER FUNCTION)[6] 17
第3章 實驗步驟 19
3.1 質子系統模擬 19
3.2 環境和假體設定 19
3.2.1 質子射束 20
3.2.2 數據收集 20
3.3 PET系統模擬 21
3.3.1 環境和假體設定 21
3.3.2 PET結構設定 21
3.3.3 核種射源設定 22
3.3.4 數據結果收集 22
3.4 資料後處理及影像重建 22
3.4.1 List mode data重新分裝 23
3.4.2 衰減校正(Attenuation correction) 23
3.4.3 序列子集均值最大演算法(OSEM) 25
3.5 影像處理 26
3.6 參考深度 26
3.7 重建劑量 27
3.7.1 Lucy Richardson 28
3.7.2 Regularized filter 29
3.7.3 Wiener filter 30
3.7.4 差異評估 31
第4章 實驗結果 32
4.1 模擬質子劑量結果 32
4.2 PET影像結果 32
4.3 不同材質值結果 38
4.4 劑量重建結果 43
第5章 討論與結論 51
5.1 實驗結果討論 51
5.1.1 PET影像 51
5.1.2 不同物質對PET訊號影響 53
5.1.3 劑量重建 53
5.1.4 實驗限制 55
5.2 實驗結論 56
5.3 未來研究 57
參考文獻 58
附錄………………………………………………………………………………………………....62


圖目錄
圖 1 1光子和電子劑量分佈圖 2
圖 1 2 質子劑量分佈圖 3
圖 1 3互毀反應與正弦圖 6
圖 1 4不同結構之PET,由做至右依序為IN-BEAM PET, IN-ROOM-PET 及 OFF-LINE PET 8
圖 2 1 QV方程式於V值關係變化圖 16
圖 3 1假體幾何位置圖 19
圖 3 2 PET幾何結構圖 21
圖 3 3訊號重新分裝流程圖 23
圖 3 4 光子被偵檢器偵測圖 24
圖 3 5 衰減校正流程圖 25
圖 3 6疊代影像重建法大致流程圖 26
圖 3 7參考深度示意圖 27
圖 3 8 160MEV 質子劑量曲線擬合結果 27
圖 3 9 160MEV 0~5分鐘總訊號曲線擬合結果 28
圖 4 1質子劑量分佈圖,能量增加,布拉峰值越深 32
圖 4 2不同時間PET核種訊號比例圖 34
圖 4 3 110MEV水假體不同時間收取以及不同核種影像分佈圖,15O訊號在0~5分鐘為主,5~20分鐘為11C 35
圖 4 4 160MEV水假體不同時間收取以及不同核種影像分佈圖,15O訊號在0~5分鐘為主,5~20分鐘為11C 36
圖 4 5 225MEV水假體不同時間收取以及不同核種影像分佈圖,15O訊號在0~5分鐘為主,5~20分鐘為11C 37
圖 4 6 160 MEV PMMA不同時間收取以及不同核種影像分佈圖,以 11C為主要訊號 39
圖 4 7 160 MEV 肺組織不同時間收取以及不同核種影像分佈圖,15O訊號在0~5分鐘為主,5~20分鐘為11C 40
圖 4 8 160 MEV 腦組織不同時間收取以及不同核種影像分佈圖,15O訊號在0~5分鐘為主,5~20分鐘為11C 42
圖 4 9 濾波方程式曲線 45
圖 4 10 110 MEV水假體劑量重建曲線 46
圖 4 11 160 MEV水假體劑量重建曲線 47
圖 4 12 225 MEV水假體劑量重建曲線 48
圖 5 1PET訊號深度與劑量深度的差值 52


表目錄
表 1 1 臨床PET應用掃描時間 9
表 3 1物質密度及組成比例 20
表 3 2GE DISCOVERY ST PET 系統幾何參數 22
表 3 3 核種設定參數 22
表 4 1 不同能量和不同時間下各核種的訊號數比例 33
表 4 2 水假體PET總訊號數和質子劑量的遠端落下參考深度 38
表 4 3 不同材質的PET總訊號數和質子劑量的遠端落下參考深度 43
表 4 4 質子劑量擬和參數 44
表 4 5 PET訊號擬和參數 44
表 4 6 濾波方程式參數 45
表 4 7重建劑量深度與模擬劑量深度比較 49
表 4 8重建劑量與模擬劑量的差異 50



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