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研究領域




凝膠劑量計與影像讀取開發

張貼者:2016年6月28日 下午11:00MEPIP MEPIP

在放射治療劑量驗證方面,我們主要使用三維凝膠劑量計以驗證放射治療計畫的準確性。於「Investigation of the dose characteristics of an n-NIPAM gel dosimeter with computed tomography」的研究中,我們利用電腦斷層掃描儀(computed tomography, CT)讀取凝膠,發現n-NIPAM凝膠的劑量反應於1 ~ 15 Gy時,線性度高達0.992以上,且其具有低能量依存性、低劑量率依存性與生物毒性之特色,非常適合用於放射治療三維劑量驗證。此外,亦於「Verification on dose profile variation of a 3-D-NIPAM polymer gel dosimeter」與「Best fit refractive index of matching liquid for 3D NIPAM gel dosimeters using optical CT」的研究中,我們利用光學電腦斷層儀(optical computed tomography, OCT)評估NIPAM類凝膠用於放射治療的可行性,並找尋OCT掃描時所使用匹配液的最佳折射率。於「Evaluating the characteristics of a novel DEMBIG gel dosimeter using computed tomography」的研究中,我們開發了一種新型的凝膠劑量計稱為DEMBIG,並利用CT評估其線性度與靈敏度。於超音波熱治療方面,我們需要將正常組織控制在37 - 45 °C以內,以避免組織傷害,然而,臨床上尚無儀器可以進行熱劑量的驗證,於「A preliminary study of the thermal measurement with nMAG gel dosimeter by MRI」的研究中,我們大膽的將nMAG凝膠劑量計用於熱劑量評估,初步研究成效相當良好。

醫學物理、放射治療領域整合

張貼者:2016年6月18日 下午11:42MEPIP MEPIP   [ 已更新 2016年8月24日 下午11:13 ]




利用醫學物理與影像物理整合放射治療、放射診斷與核子醫學

電腦斷層影像品保、資訊整合與量化

張貼者:2016年6月18日 下午11:24MEPIP MEPIP   [ 已更新 2016年8月24日 下午11:14 ]

過去半個世紀游離輻射已廣泛應用於醫學領域上,以達到放射診斷與治療的目的,其中人體組織的物理參數以及光子與物質的作用機率,在醫學物理的相關應用扮演非常重要的角色;在近接放射治療中,我們需要知道核種所放出γ射線的能量、組織的能量吸收係數以及電子密度,以計算腫瘤的能量沉積 [1-4];在放射診斷方面,我們需要求得X光與組織的作用機率以及有效原子序,以求得組織器官的等價劑量與全身有效劑量 [5-7];在核子醫學方面,單光子電腦斷層與正子電腦斷層的影像必須進行衰減矯正,以正確顯示放射性示蹤劑的分布情形,而衰減矯正的過程中需要知道線性衰減係數的相關資訊 [8,9]。 隨著粒子加速器的發展,質子治療與重粒子治療亦逐漸普及,於2000年,利用醫療用粒子加速器的治療人數已超越了研究用加速器的治療人數 [10],並以每年10% 的趨勢成長。質子與物質的作用方式與光子不同,剛進入介質時僅沉積少量的動能,接著在特定深度會沉積大量的能量,稱為布拉格峰 [11]。在質子治療的劑量計算中,我們須要獲得特定能量質子的阻擋本領,以計算布拉格峰的位置與腫瘤劑量,因此,為了準確的計算輻射劑量,質子作用係數的評估至為關鍵。 為了獲得組織物理參數與輻射作用係數的相關資訊,常利用電腦斷層儀 (computed tomography, CT) 掃描組織等效材質,以建立CT值與組織物理參數的關聯性。廣泛使用的組織等效材質包括:以聚丙烯 (polypropylene, PP) 與聚甲基丙烯酸甲酯 (polymethyl methacrylate, PMMA) 模擬軟組織 [12,13]、以磷酸鉀水溶液 (potassium phosphate, K2HPO4) 模擬骨骼等 [14,15]。然而,這些等效材質多半針對高能光子所設計,材質的電子密度與人體組織接近,但元素組成則可能與人體組織有顯著的差異 [16-18],因此利用組織等效假體所建構的電子密度、輻射作用係數與CT值之間的關係便可能產生誤差。另一方面,製作與人體組織相同密度與元素組成相當的等效物質,仍是具有挑戰性的課題,若改變等效材質中碳、氫、氧、氮的比例,亦將導致電子密度的等效性消失 [17],製作上實有困難之處。 國際間亦有研究使用雙能CT (dual energy CT) [19,20]、能譜式CT (spectral CT) [21,22]、與相位對比式CT (phase contrast CT) [23],以計算人體組織的組成資訊與相關的作用係數。然而,使用雙能CT法會增加病人的吸收劑量、能譜式CT具有量子斑駁的問題 [24]、相位對比式CT僅處於實驗階段,尚無法於臨床應用。現今,電腦斷層掃描已廣泛應用於臨床診斷上,若可由一般的CT掃描儀準確地量化組織物理參數,將可大幅提升CT的臨床加值應用。然而,每一部CT所產生的X光能譜都不盡相同,因此必須克服光子能量的問題,才能提升組織參數量化的準確性,同時避免增加病人的輻射劑量與掃描時間。 本計畫提出一套由一般CT影像進行組織物理參數與輻射作用係數定量評估的方法,此方法可排除不同CT掃描儀之間能譜差異的影響,使不同的CT可在同樣的水平下進行量化比對。全程計畫預計分三年執行,第一年將建立能譜定性分析與CT掃描X光能譜重建技術,搭配已知的組織元素組成與密度,評估組織器官的標準CT值;第二年將建立CT值與組織物理參數之間的轉換函數,同時評估管電壓、管電流等因子對參數轉換的影響;本計畫第三年將利用組織參數搭配參數化物理模型,以建立CT值與光子作用係數、質子阻擋本領之關聯性。透過本計畫的執行將可建立一套CT影像轉換為多方位資訊的技術,藉以拓展電腦斷層在放射診斷、放射治療、核子醫學與劑量評估等臨床加值應用。

除此之外,電腦斷層掃描所造成的診斷劑量已躍居放射診斷劑量中的第一位,更是造成民眾集體劑量的主因之一。於「Radiation dose evaluation of dental cone beam computed tomography using an anthropomorphic adult head phantom」的研究中,我們利用電腦斷層影像建構成人頭頸部假體,用以評估牙科電腦斷層掃描的有效劑量,結果指出在65、75與85 kVp下的有效劑量分別為72、100與134 µSv。於「The Association between Leukemia and X-ray in Children – A Nationwide Study」的研究中,我們利用健保資料庫發現男童在接受診斷X光掃描後,會顯著的增加其罹患白血病的風險,因此建議減少兒童不必要的醫療曝露。我們亦使用KINECT動態量測身體的APD與LATD以作為病人專一化劑量的修正。


乳房攝影與劑量評估

張貼者:2016年6月18日 下午11:23MEPIP MEPIP   [ 已更新 2016年8月24日 下午11:15 ]

乳房X光攝影為臨床乳癌篩檢的第一線工具,如何達到良好的影像品質且同時抑低輻射劑量是當今重要的課題。

利用蒙地卡羅技術完成均勻乳腺假體於乳房X光攝影之吸收劑量轉換因子,此成果與美國放射學會所提出的劑量轉換因子差異於6%以內。於國科會計畫「利用蒙地卡羅技術評估乳房X光攝影中不均勻乳腺分布之吸收劑量」中,完成不均勻乳房假體模型的建置,並進一步評估在乳腺分布不均勻的情況下,吸收劑量與ACR轉換因子之差異,並提出不均質乳腺劑量修正因子,成果發表於「Evaluation of the normalized absorbed dose for inhomogeneous breast tissue in MRI and mammography」。本研究成果能廣泛的應用於臨床之中,檢查前即可預先評估受檢者當次攝影所接受的劑量,提供臨床更快速的劑量計算,同時改善劑量評估的準確度。

此外,核醫乳房攝影對於癌細胞具有高的敏感度與專一性,且可獲得遠端轉移部位的資訊,是具有潛力的乳癌篩檢方式之一。然而,乳腺與乳管組織具有較高的輻射敏感度,乳腺劑量可能提高致死癌症發生的風險。因此,準確地評估核醫乳房攝影所造成的乳腺劑量是很重要的。  本研究利用區域增長法模擬不同的乳房體積與腺體比例,並以二維樹與分支矩陣的概念隨機產生乳管模型,以建構一系列的擬真軟體乳房假體。接著,利用二維投影,並以碎形維度(Fractal dimension, FD)評估ASBP的紋理結構。最後,利用蒙地卡羅技術模擬99mTc與18F 分布於20%~50%腺體比例的ASBP中,乳房造成乳腺(S(g<-b))、乳腺造成乳腺(S(g<-g))、乳腺造成乳管(S(d<-g))的組織S 值。  在乳房體積為500、750與1000 ml下,ASBP的平均FD分別為2.25、2.32與2.35,與真實乳房的碎形維度接近。當射源為18F與99mTc時,ASBP的乳房自吸收S值與OLINDA/EXM的結果最大差異分別為12.0%與14.4%。當射源為18F,乳房體積為500、750與1000 ml時,乳房造成腺體(S(g<-b))與腺體造成腺體(S(g<-g))的S值比值分別40.4%、36.8%、45.5%。當射源為99mTc射源時,S(g<-b)與S(g<-g)的平均比值分別40.0%、40.6%、42.6%。除此之外,我們亦評估了腺體造成乳管的S值。  透過本研究所建立的擬真軟體乳房假體,我們可以準確地評估乳房、乳腺與乳管S值,以提供核醫乳房攝影劑量評估的參考依據。


蒙地卡羅模擬

張貼者:2016年6月18日 下午11:22MEPIP MEPIP   [ 已更新 2016年8月24日 下午11:16 ]

在放射治療的劑量模擬方面,治療計畫的劑量計算常使用點劑量核仁法,然而不同的蒙地卡羅模擬程式求得的點核仁不盡相同,因此,於「Dose point kernel simulation for monoenergetic electrons and radionuclides using Monte Carlo Techniques」的研究中,我們比對了MCNP 5與FLUKA兩套模擬軟體的能量沈積,在單能電子下平均絕對百分誤差可達9.64%。最後,我們利用FLUKA模擬了重離子治療時的布拉格尖峰,以了解粒子治療時的最佳治療深度。

在劑量評估的研究方面,參考人假體常被應用於劑量的模擬與評估,於「醫學影像應用於台灣參考人假體最佳化研究」的國科會計畫中,我們分析國人器官與組織的平均質量,並利用化學劑量校準法,計算電腦斷層影像中組織的元素組成與密度,以提升參考人假體於劑量評估的準確性,我們實驗室已完成建置高加索參考人假體與台灣參考人假體(國內唯一),可精進體內、外曝露輻射劑量評估的準確性。目前,質子治療正蓬勃的發展,實驗室亦完成質子治療的模擬。


放射治療技術與劑量評估

張貼者:2016年6月18日 下午11:22MEPIP MEPIP   [ 已更新 2016年8月24日 下午11:17 ]

在放射治療的相關研究方面,於「Correction of respiratory motion for IMRT using aperture adaptive technique and visual guidance: a feasibility study」的研究中,我們提出一套放射治療呼吸運動矯正法,利用自製的視窗程式訓練病人呼吸週期與強度,同時配合多葉準直儀(multileaf collimator, MLC)的適應性運動,以提升腫瘤給予劑量的準確性。接續前面的研究,於「An alternative effective method for verifying the multileaf collimator leaves speed by using a digital-video imaging system」的研究中,我們為了評估MLC葉片移動速度所造成的劑量誤差,提出了利用數位攝影的量測方法,作為例行性直線加速器品質保證之規範。在「Total body irradiation with step translation and dynamic field matching」的研究中,我們發展了一套可以在小型放射治療室中執行,且無須特殊輔具的全身照射技術,主要的原理是利用MLC將一個大的照野,轉換成多個互補的小型動態照野,並使照野邊緣能夠互相重疊,以確保劑量的均勻性。 在放射治療劑量評估方面,於「Dose evaluation of boron neutron capture synovectomy using the THOR epithermal neutron beam: a feasibility study」研究中,我們利用蒙地卡羅模擬技術評估清華大學中子反應爐的輸出,以確保其中子通量適合用於硼捉中子滑膜切除術上。放射治療計畫的劑量計算常使用點劑量核仁法,然而不同的蒙地卡羅模擬程式求得的點核仁不盡相同,因此,接續上述研究,於「Dose point kernel simulation for monoenergetic electrons and radionuclides using Monte Carlo Techniques」的研究中,我們比對了MCNP5與FLUKA兩套模擬軟體的能量沈積,在單能電子下平均絕對百分誤差可達9.64%。最後,我們利用FLUKA模擬了重離子治療時的布拉格尖峰,以了解粒子治療時的最佳治療深度。

在放射治療劑量驗證方面,我們主要使用三維凝膠劑量計以驗證放射治療計畫的準確性。於「Investigation of the dose characteristics of an n-NIPAM gel dosimeter with computed tomography」的研究中,我們利用電腦斷層掃描儀(computed tomography, CT)讀取凝膠,發現n-NIPAM凝膠的劑量反應於1 ~ 15 Gy時,線性度高達0.992以上,且其具有低能量依存性、低劑量率依存性與生物毒性之特色,非常適合用於放射治療三維劑量驗證。此外,亦於「Verification on dose profile variation of a 3-D-NIPAM polymer gel dosimeter」與「Best fit refractive index of matching liquid for 3D NIPAM gel dosimeters using optical CT」的研究中,我們利用光學電腦斷層儀(optical computed tomography, OCT)評估NIPAM類凝膠用於放射治療的可行性,並找尋OCT掃描時所使用匹配液的最佳折射率。於「Evaluating the characteristics of a novel DEMBIG gel dosimeter using computed tomography」的研究中,我們開發了一種新型的凝膠劑量計稱為DEMBIG,並利用CT評估其線性度與靈敏度。於超音波熱治療方面,我們需要將正常組織控制在37 – 45 °C以內,以避免組織傷害,然而,臨床上尚無儀器可以進行熱劑量的驗證,於「A preliminary study of the thermal measurement with nMAG gel dosimeter by MRI」的研究中,我們大膽的將nMAG凝膠劑量計用於熱劑量評估,初步研究成效相當良好。



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