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质子束在深度方向的剂量分布的布拉格峰特性有利于放射治疗中精确调节剂量分布，使得质子治疗装置已成为当前国际上肿瘤放射治疗的较先进的主流设备之一。基于国内对质子治疗装置的强烈需求和自建质子治疗装置的空白，首台自行研发的装置——上海先进质子治疗示范装置现已开始设计建造。治疗头和旋转支架的优化是质子治疗装置中的关键部分。本文结合运用蒙特卡罗软件Geant4探索了治疗头内部的束流调制和传输，并基于此进行了迷你型脊形过滤器和旋转机架的束流光学的设计。
在对质子治疗装置治疗头的内部器件进行详细地分析和讨论的基础上，介绍了上海先进质子治疗示范装置的治疗头。
本文对笔束扫描治疗头中的迷你型脊形过滤器进行优化设计。在设计中不仅采用常用的迭代最小二乘法进行优化，还首次引入了数学中的二次规划方法建立目标函数并进行设计。运用Geant4进行模拟计算的结果表明采用这两种方法设计的器件都能有效地降低SOBP的纹波，并且设计出的器件的形状跟文献中器件的形状很相似，其中采用二次规划方法设计的器件更接近于三角形，更有利于加工。接着运用这两种方法计算了含有噪声的数据，发现二次规划方法相对于最小二乘法，不仅噪声前后深度剂量分布的相对差异小，而且迷你型脊形过滤器的形状差异也较小。这表明了二次规划方法的鲁棒性较好。此外，还模拟了两种方法设计的器件对等中心处横截面方向的剂量分布影响，结果显示两者差异很小，几乎相同。
本文在对旋转机架常用的束流光学匹配方法进行研究的基础上，结合治疗头以及肿瘤对质子束的调制以及传输过程，对旋转机架的束流光学进行优化设计。以能量为70MeV和200MeV的束流为例，运用Geant4分别对将真空窗前束流匹配为圆束流方法、将真空窗前的束流匹配为非圆束流方法以及将等中心处束流匹配为圆束流方法进行模拟计算。结果表明，采用这三种方法，在旋转机架旋转不同角度时，等中心处侧面方向上的束流轮廓都近似圆形的高斯分布，其中采用圆束流匹配时束斑最好，并在此基础上确定了旋转机架的光学结构设计。