臺灣博碩士論文加值系統

我國即將邁入高游離密度粒子的放射治療時代，包括質子治療與重離子治療。由於這些新興放射治療的處方劑量，是採用經過相對生物效應(RBE)加權後的生物劑量(單位是GyE)，因此使用適當的RBE值來加權物理劑量(吸收劑量)是相當重要的。因RBE值與生物端點(Biological endpoint) ，包括細胞效應及DNA雙股斷裂相關，故在研究高游離密度粒子治療時，細胞微劑量及DNA奈米劑量便可用於預測粒子射束的RBE值。本研究採用兩種模式(生物加權函數模式及DNA傷害模式)評估300 MeV/u碳離子射束在水假體中不同深度的RBE值。首先我們分別利用蒙地卡羅FLUKA程式及MCDS程式，計算細胞核內的線能能譜及DNA雙股斷裂之產率，然後利用生物加權函數及DNA傷害模式評估RBE值。結果顯示，兩種模式評估之300 MeV/u單能碳離子射束的RBE值，在表淺深度皆為1.2，但在布瑞格尖峰深度的最大值則分別為3.8和3.0。對於300 MeV/u 的SOBP射束而言，從SOBP前端至後端的RBE變化，分別為2.7至3.4(模式一)和2.3至2.8 (模式二)。雖然國內目前尚無碳離子治療的設施，但本研究的成果仍可作為未來規劃與臨床使用新設施之參考。

Modern development in radiotherapy emphasizes the densely ionized radiation therapy, such as proton and heavy ion therapy. For these treatment modalities, the patient dose is prescribed in terms of the biologically weighted absorbed dose (in units of GyE). To determine this dose, it is important to study the relative biological effectiveness (RBE). RBE values are related to cellular effects and DNA damages. For clinical applications, microdosimetry can be applied to predict the RBE values of heavy ion beams at different depths in tissue. In this study, both biological weighting function model and DNA damage model are used to evaluate the RBE values of unmodulated and modulated 300 MeV/u carbon ion beams at different depths in a water phantom. Monte Carlo FLUKA and MCDS code are applied. The results show that RBE values at the entrance surface are close to 1.2 for unmodulated and modulated carbon ion beams using both models. For the unmodulated beams, the maximum RBE values are about 3.8 and 3.0 using the biological weighting function model and DNA damage model, respectively. For modulated beams, the RBE values from the proximal end to the distal edge of the SOBP vary from 2.7 to 3.4 and 2.3 to 2.8, corresponding to the biological weighting function model and DNA damage model, respectively. These results could be applied to the clinical carbon ion therapy facilities.

目錄
國家圖書館授權書 iii
長庚大學授權書 iv
誌謝 v
中文摘要 vi
英文摘要 vii
目錄 viii
圖目錄 xii
表目錄 xvi
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究目的 2
1.3 文獻回顧 4
第二章 理論基礎 7
2.1 劑量學與微劑量學 7
2.2 微劑量學基本原理與概念 8
2.2.1 機率量與非機率量 8
2.2.2 游離輻射的質與量 9
2.3 微劑量學參數與基本單位 12
2.4 微劑量學能譜表示法 15
2.5 相對生物效應 20
2.5.1 定義介紹 20
2.5.2 細胞生物效應模擬理論 21
2.5.3 DNA傷害模擬理論 23
第三章 蒙地卡羅方法 26
3.1 蒙地卡羅方法介紹 26
3.2 FLUKA程式 27
3.2.1 簡介 27
3.3 MCDS程式 29
3.3.1 簡介 29
3.3.2 基礎概念 30
3.4 微劑量學模擬參數設定 33
3.4.1 碳離子射束 33
3.4.2 生物靶 36
3.4.3 物理參數設定 38
3.4.4 輸出歷程設定及能譜轉換 43
第四章 結果與討論 49
4.1 模擬參數設定 49
4.1.1 射束寬度 49
4.1.2 生物靶大小 51
4.2 300 MeV/u單能碳離子射束之微劑量學研究 55
4.2.1 碳離子射束的百分深度劑量 55
4.2.2 生物靶之水下位置 58
4.2.3 微劑量學能譜分析 59
4.2.4 生物加權函數模式之相對生物效應 62
4.2.5 DNA傷害模式之相對生物效應 65
4.3 300 MeV/u SOBP碳離子射束之微劑量學研究 72
4.3.1 300 MeV/u SOBP碳離子射源 72
4.3.2 生物靶水下之位置 75
4.3.3 微劑量學能譜分析 76
4.3.4 生物加權函數模式之相對生物效應 79
4.3.5 DNA傷害模式之相對生物效應 81
第五章 結論 85
參考文獻 87

圖目錄
圖 2-1 細胞核受到γ射線和α粒子射線作用 10
圖 2-2 以線性座標表示模擬1 MeV電子在1 μm水球體中的微劑量學能譜(Rossi &; Zaider, 1996 ) 16
圖 2-3 以對數座標表示模擬1 MeV電子在1 μm水球體中的微劑量學能譜(Rossi &; Zaider, 1996) 17
圖 2-4 以半對數座標表示模擬1 MeV電子在1 μm水球體中的微劑量學能譜(Rossi &; Zaider, 1996) 18
圖 2-5 以半對數座標表示模擬1 MeV電子在1 μm圓球體水介質中的微劑量學能譜(Rossi &; Zaider, 1996) 19
圖 2-6 相對生物效應與線性能量轉移的關係[1] 21
圖 2-7 線能與生物加權函數之關係圖[2] 25
圖 2-8 多種輻射源之微劑量學線能能譜和生物加權函數 25
圖 3-1 蒙地卡羅模擬基本架構 26
圖 3-2 DNA片段上的損傷劃分成群聚示意圖[13] 33
圖 3-3 1994年至2006年NIRS治療病患數與疾病治療深度分佈圖[30] 34
圖 3-4 SOBP碳離子射束的模擬幾何示意圖 35
圖 3-5 輻射與生物靶作用之示意圖 37
圖 3-6 不同截止能量對60Co能譜的影響[31] 40
圖 3-7 不同散射模型對137Cs能譜的影響[31] 41
圖 3-8 碳離子射束與生物靶的幾何示意圖 43
圖 3-9 線能對沉積粒子數的分佈關係 46
圖 3-10 線能頻率分佈之機率密度函數 47
圖 3-11 線能劑量貢獻之機率密度函數 48
圖 4-1 不同射束寬度的300 MeV/u碳離子射束絕對深度劑量圖 51
圖 4-2 300 MeV/u 單能碳離子在水下深度5 mm對不同靶大小的線能分佈 54
圖 4-3 300 MeV/u 單能碳離子在水下深度17 cm對不同靶大小的線能分佈 55
圖 4-4 300 MeV/u 碳離子射束的相對深度劑量 56
圖 4-5 300 MeV/u 碳離子及二次粒子的相對深度劑量 57
圖 4-6 生物靶之水下位置 58
圖 4-7 不同深度下300 MeV/u 碳離子射束線能頻率分佈能譜 59
圖 4-8 不同深度下300 MeV/u 碳離子射束線能劑量貢獻能譜 60
圖 4-9 不同深度下 300 MeV/u 碳離子射束線能劑量貢獻能譜 (重新繪圖) 61
圖 4-10 不同深度下 300 MeV/u 碳離子射束線能劑量貢獻能譜合併生物加權函數 63
圖 4-11 300 MeV/u 碳離子射束相對深度劑量與生物加權函數模式評估之RBE值 64
圖 4-12 最大劑量深度後之線能劑量貢獻能譜合併生物加權函數 65
圖 4-13 300 MeV/u碳離子射束在水下5 cm深度的通量能譜 67
圖 4-14 300 MeV/u碳離子射束在水下10 cm深度的通量能譜 67
圖 4-15 300 MeV/u碳離子射束在水下16.5 cm深度的通量能譜 68
圖 4-16 300 MeV/u碳離子射束在水下17.2 cm深度的通量能譜 68
圖 4-17 300 MeV/u 碳離子射束在水下不同深度之原始碳離子及二次粒子的DSB產率 69
圖 4-18 300 MeV/u碳離子射束相對深度劑量與DNA傷害模式評估之RBE值 70
圖 4-19 300 MeV/u碳離子射束於不同生物終點之RBE值比較 72
圖 4-20 300 MeV/u單能碳離子射束搭配不同厚度水假體的相對深度劑量圖 73
圖 4-21 個別加權後的300 MeV/u 碳離子射源與加總後之SOBP射束的相對深度劑量圖 75
圖 4-22 生物靶之水下位置 76
圖 4-23 不同深度下300 MeV/u SOBP碳離子射束之線能頻率分佈能譜 77
圖 4-24 不同深度下300 MeV/u SOBP碳離子射束之線能劑量貢獻能譜 78
圖 4-25 不同深度下 300 MeV/u SOBP碳離子射束之線能劑量貢獻能譜 (重新繪圖) 79
圖 4-26 不同深度下 300 MeV/u SOBP碳離子射束之線能 劑量貢獻能譜合併生物加權函數 80
圖 4-27 300 MeV/u SOBP碳離子射束相對深度劑量與生物加權函數模式評估之RBE值 81
圖 4-28 300 MeV/u SOBP碳離子射束在水下不同深度之原始碳離子及二次粒子的DSB產率 82
圖 4-29 300 MeV/u SOBP碳離子射束相對深度劑量與DNA傷害模式評估之RBE值 83
圖 4-30 300 MeV/u碳離子SOBP射束於不同生物終點之RBE值比較 84

表目錄
表 3-1 ICRU 軟組織成分表 46
表 3-2 能量區間畫分設定 52
表 4-1 不同射束寬度設定的模擬粒子數及效率 57
表 4-2 不同靶大小在水下深度5 mm的模擬比較 60
表 4-3 不同靶大小在水下深度17 cm的模擬比較 61

1. Bushberg, C.F., The essential Physics of Medical Imaging, 2nd ed,2003.
2. Loncol, T., et al., Radiobiological effectiveness of radiation beams with broad LET spectra: microdosimetric analysis using biological weighting functions. Radiation Protection Dosimetry, 1994. 52(1-4): p. 347-352.
3. Goodhead, D.T., Spatial and temporal distribution of energy. Health Phys, 1988. 55(2): p. 231-40.
4. Wilson, R.R., Radiological use of fast protons. Radiology, 1946. 47(11): p. 487-491.
5. Fokas, E., et al., Ion beam radiobiology and cancer: Time to update ourselves. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Reviews on Cancer, 2009. 1796(2): p. 216-229.
6. Skarsgard, L.D., Radiobiology with heavy charged particles: a historical review. Phys. Med. , 1998. 14(Suppl 1): p. 1-19.
7. IAEA-TECDOC-1560, Dose Reporting in Ion Beam Therapy, 2007, International Atomic Energy Agency, Vienna, Austria.
8. Prescribing, Recording, and Reporting Proton-Beam Therapy, 2007, International Commission on Radiation Units and Measurements.
9. Rossi, H.H. and M. Zaider, Microdosimetry and its applications. Springer,1996.
10. Scholz, M. and G. Kraft, The physical and radiobiological basis of the local effect model: a response to the commentary by R. Katz. Radiat Res, 2004. 161(5): p. 612-20.
11. Kraft, G., M. Kramer, and M. Scholz, LET, track structure and models. A review. Radiat Environ Biophys, 1992. 31(3): p. 161-80.
12. Pihet, P., et al., Biological weighting function for RBE specification of neutron therapy beams. Intercomparison of 9 European centres. Radiation Protection Dosimetry, 1990. 31(1-4): p. 437-442.
13. Semenenko, V.A. and R.D. Stewart, A Fast Monte Carlo Algorithm to Simulate the Spectrum of DNA Damages Formed by Ionizing Radiation. RADIATION RESEARCH 2004. 161: p. 451-457.
14. Turner, J.E., Atoms, Radiation, and Radiation Protection. 3rd ed.2007: John Wiley &; Sons, Inc.
15. Srdo, D., Experimental technique of measurement of microscopic energy distribution in irradiated matter using Rossi counters. Radiation research, 1970. 43 (2): p. 302-319.
16. Radiation quantities and units,in Report 33, 1980, International Commission on Radiation Units and Measurements: Washington, D.C., U.S.A.
17. Microdosimetry, in Report 36, 1983, International Commission on Radiation Units and Measurements: Bethesda, Maryland, U.S.A.
18. Fundamental quantities and units for ionizing radiation, in report 85, 2011, International Commission on Radiation Units and Measurements.
19. Chetty, I.J., et al., Report of the AAPM Task Group No. 105: Issues associated with clinical implementation of Monte Carlo-based photon and electron external beam treatment planning. Med Phys, 2007. 34(12): p. 4818.
20. Allison, J., et al., Geant4 developments ans applications. ,Nuclear Science, IEEE Transactions on, 2006. 53(1): p. 270-278.
21. Nelson, W.R., et al., The EGS4 Code System. ,Stanford Linear Accelerator Center, 1985.
22. MCNP -- a General Monte Carlo Code for Neutron and Photon Transport. ,Los Alamos National Laboratory, 1986.
23. Salvat, F., et al., PENELOPE 2006: A Code System for Monte Carlo Simulation of Electron and Photon Transport. ,Nuclear Energy Agency, Organisation for Economic Co-operation and Development, 2006.
24. Ferrari, A. and E.O.f.N. Research, Fluka: a multi-particle transport code ,CERN, 2005.
25. Vlachoudis, V., FLAIR: A POWERFUL BUT USER FRIENDLY GRAPHICAL INTERFACE. Proc. Int. Conf. on Mathematics, Computational Methods &; Reactor Physics, Saratoga Springs, New York,, 2009.
26. Semenenko, V.A. and R.D. Stewart, Fast Monte Carlo simulation of DNA damage formed by electrons and light ions. Phys. Med. Biol., 2006. 51: p. 1693-1706.
27. Stewart, R.D., et al., Effects of Radiation Quality and Oxygen on Clustered DNA Lesions and Cell Death. RADIATION RESEARCH, 2011. 175: p. 000-000.
28. Lomax, M.E., M.K. Gulston, and P. O'Neill, Chemical aspects of clustered DNA damage inuction by ionising radiation. Radiat. Prot. Dosi., 2002. 99: p. 63-68.
29. AMALDI, U. and G. FRAFT, European Development in Radiotherapy with Beams of Large Radiobiological Effectiveness. Radiat. Res., 2007. 48(Suppl.): p. 27-24.
30. AMADLI, U., History of hadrotherapy in the world and Italian developments. Rivista Medica, 2008. 14(1).
31. Rollet, S., et al., Monte Carlo simulation of mini TEPC microdosimetric spectra: Influence of low energy electrons. 2010.
32. Rollet, S., et al., Microdosimetric assessment of the radiation quality of a therapeutic proton beam: comparison between numerical simulation and experimental measurements. Radiat Prot Dosimetry, 2011. 143 (2-4): p. 445-449.
33. B¨ohlen, T.T., et al., FLUKA simulations of the response of tissue-equivalent proportional counters to ion beams for applications in hadron therapy and space. PHYSICS IN MEDICINE AND BIOLOGY, 2011.
34. NIST. Stopping power and range tables for electrons http://physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/ESTAR.html.
35. Seltzer, S.M., An Assessment of the Role of Charged Secondaries from Nonelastic Nuclear Interactions by Therapy Proton Beams in Water1993, U.S. Department of Commerce: National Institute of Standards and Technology.
36. Reza Taleei, et al., A Monte Carlo evaluation of carbon and lithium ions dose distributions in water. International Journal of Radiation Biology, 2012.
37. Bradley, P.D., The development of a Novel Silicon Microdosimeter for high LET radiation therapy. University of Wollongong, 2000.
38. Eric J. Hall, Amato J. Giaccia, Radiobiology for the Radiologist, Sixth Edition, 2006.
39. Tissue substitutes in radiation dosimetry and measurement, Bethesda, Md., U.S.A., International Commission on Radiation Units and Measurements, 1989.