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相比较光子放疗,质子深度剂量曲线的布拉格峰特性使质子放疗能提供更加适形的靶区剂量分布,同时也可以显著降低肿瘤周围正常组织所受到的辐射剂量。而主动扫描则比被动散射方案能够提供更好的靶区适形剂量分布,但对于剂量计算的精准度也提出了更多的要求。虽然目前我国的质子放疗事业发展得如火如荼,但是在开发具有自主知识产权的质子放疗计划系统(Treatment Planning System,TPS)软件这方面还存在明显的欠缺。本论文的研究目的是开发一款使用笔形束算法的主动扫描质子治疗剂量计算程序。具体研究任务包括:(1)对已有的质子剂量计算算法进行调研和分析;(2)基于质子笔形束(Pencil-Beam Algorithm,PBA)剂量算法,编写质子剂量计算程序;(3)对PBA算法进行修正,提高其在临床质子剂量计算上的精度;(4)将PBA质子剂量计算程序集成到DeepPlan TPS中,并验证DeepPlan的计算精度。本论文分别采用了 Gottschalk和Soukup提出的公式计算多次库伦散射和大角度核散射造成的质子侧向剂量分布,并基于蒙特卡洛模拟的深度剂量曲线数据库,使用C#编程语言编写一个用于主动扫描质子治疗剂量计算的程序。并针对不同能量和不同束斑大小,对质子束的侧向剂量分布进行修正并考虑能散的影响。提出修正公式对射程移位器和空气间隙的影响进行修正;采用划分子射束的方法提高非均匀介质中的剂量计算精度。最后,把修正后的剂量计算软件集成到DeepPlan软件框架中,作为DeepPlan的剂量计算模块。主要研究结果:(1)总结回顾了现有质子剂量计算方法的特点,以及它们在临床上的适用性。(2)用C#语言编写了一个基于PBA算法的质子剂量计算程序,使用该程序计算了不同能量,不同束斑下的质子束在水中的剂量分布,并和蒙特卡洛模拟结果进行对比,验证了程序的正确性。(3)比较了经过修正后的PBA质子剂量计算程序和蒙特卡洛模拟的结果。经过修正后,在水中质子束的剂量分布和蒙特卡洛模拟结果之间的偏差小于2%。质子束在分别具有1 MeV和5 MeV能谱宽度的情况下,和蒙特卡洛模拟的剂量分布之间的偏差小于2%。质子束在穿过不同厚度射程移位器和空气间隙的情况下,剂量分布的计算结果与蒙特卡洛模拟之间的最大偏差小于5%。(4)将PBA质子剂量计算程序集成到DeepPlan TPS中,使用DeepPlan计算了一个前列腺例题的剂量分布,并与蒙特卡洛模拟结果相比较,2 mm/2%的伽马通过率为97%。研究结果和创新性:本论文针对质子放疗的临床应用,对现有的质子PBA剂量算法进行了一系列修正,开发完成了一个能够用于临床主动扫描质子剂量计算的PBA剂量计算程序,并将其整合到DeepPlan TPS中。本论文对PBA质子剂量算法进行了深入的研究,满足了国内在质子TPS方面研究的需求。