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当今,癌症已成为威胁我国人民健康的头号杀手且死亡率较高,放射治疗作为三大主流肿瘤治疗技术之一,一直不懈追求高精度、高疗效和低副作用,而硼中子俘获治疗(BNCT)技术作为一种特殊的放疗手段,随着加速器中子源技术的发展迎来了新的春天。但生物体内硼浓度的在线监测是BNCT技术中准确进行剂量学评估的关键技术难点,本课题将从BNCT治疗过程中发出478 ke V瞬发γ射线的机制出发研究基于瞬发γ射线单光子发射计算机断层成像(PGSPECT)系统的硼浓度在线实时监测方法,并就PG-SPECT系统中的若干关键技术展开具体研究。主要研究内容及成果如下:(1)结合中国辐射仿真人体模型利用蒙特卡罗方法验证了PG-SPECT系统在BNCT中开展在线实时监测硼浓度的理论可行性。首先利用MCNP和Geant4两种不同蒙特卡罗程序对BNCT过程中从软组织中发射的瞬发γ射线展开研究,交互验证了Geant4模拟产生瞬发γ射线产额的准确性;然后针对BNCT治疗脑部肿瘤时采用机械准直器对478 ke V瞬发γ射线进行探测的系统建模,通过最大似然期望最大化(MLEM)重建算法对脑部肿瘤开展图像断层重建。研究结果表明,利用PG-SPECT系统开展BNCT中478 ke V瞬发γ射线探测,可重建实现治疗过程中的硼浓度分布监测。(2)为开展BNCT中利用PG-SPECT系统实现硼浓度在线实时监测的实验验证提供中子源项条件,利用蒙特卡罗方法实现了对TRIGA Mark II反应堆热柱的优化设计。探究了采用SSW和SSR二次源模拟方法对蒙特卡罗程序模拟反应堆中子输运过程的有效性;对比分析了四种不同热柱优化方案对热中子通量以及次生γ射线的影响规律;综合考虑二者得到长为30 cm的含锂聚乙烯、直径为4 cm的圆形束流口为热柱的优化方案,此方案下束流口的热中子通量为6.08×107#/(cm2·s),并根据此优化设计方案完成了TRIGA Mark II反应堆热柱改造工作。(3)利用改造后的TRIGA Mark II反应堆热柱通道搭建了实验探测平台,开展了基于碲锌镉(CZT)探测器PG-SPECT系统的实验测试,结合蒙特卡罗方法和实验测量完成了对CZT探测器的基本性能表征,得到其在511 ke V的光子能量分辨率为4.01%。进一步实验结果表明,在采用BPA药物进行BNCT治疗条件下,通过重新设计热柱内热中子屏蔽方案(移除硼层),利用5×5×20 mm~3的CZT探测器成功分辨出BPA样品中所产生的478 ke V瞬发γ射线,从而实验验证了BNCT实际治疗过程中利用CZT探测器进行瞬发γ射线探测的可行性,为后续采用CZT探测器搭建PG-SPECT系统提供理论基础。(4)进一步提出基于康普顿相机的PG-SPECT系统进行BNCT中硼浓度在线实时监测,利用蒙特卡罗程序包Geant4深入研究了散射探测器与吸收探测器各几何参数与康普顿相机探测效率的关联规律,进而得到优化的Si/Ge康普顿相机由3 cm厚、10 cm宽的硅散射探测器与10 cm厚、10 cm宽的锗吸收探测器组成,两个探测器间距离为1 cm。针对BNCT治疗黑色素肿瘤时采用康普顿相机进行478 ke V瞬发γ射线探测,构建基于列表模式最大似然期望最大化法(LM-MLEM)的快速重建算法,并对重建结果展开系统研究。研究结果表明,基于康普顿相机的PG-SPECT系统开展BNCT中478 ke V瞬发γ射线成像实现硼浓度在线实时监测是可行的,利用多角度康普顿相机信息重建获得图像伪影明显减少,随着探测角度数目的增加,重建所获得的图像更准确;基于Open GL研发了基于GPU并行的重建加速程序,大大缩短了重建时间。本文的研究工作将为BNCT治疗条件下,基于瞬发γ射线的硼浓度监测方法研究提供理论支持与实验参考,并推动硼中子俘获治疗过程中硼浓度的在线实时测量的临床转化,从而为早日实现精准高效的硼中子俘获治疗提供技术手段支持。