隔山打牛——质子重离子肿瘤治疗技术

<正>质子重离子肿瘤治疗技术作为核物理基本规律转化为核技术并服务社会的典范,正被众多核科学大装置、科研机构、医疗机构和社会资本所重视。随着质子重离子医院在国内的快速建设,更多的肿瘤患者有可能通过质子重离子治疗技术解除疾病带来的痛苦,提高生活质量和重归正常生活。质子和重离子治疗中使用高能核射线束对肿瘤细胞具有“精准爆破”特点,但由于涉及核射线又会引起社会公众的强烈关注甚至恐慌心理。     

低能重离子损伤DNA

重离子束癌症治疗技术使用质子或能量约为每核子1MeV的氩和氖等离子．重离子治疗比其他方法优越之处在于重离子的大部分能量沉积在很小的空间区域中，即形成布拉格峰．而X射线一旦进人人体便连续地沉积能景．但是对于重离子在分子尺度上，特别是在超过布拉格峰的区域，如何使DNA造成辐射损伤这一点却知道得很少．这种损伤可因失去了大部分能量之后的重离子或由低能的次级离子所引起．这是值得担心的事，因为布拉格峰后面的组织通常是健康的．     

用重离子实验数据推算质子翻转截面和轨道翻转率

空间单粒子辐射环境主要由重离子和高能质子构成,但在地面利用两种离子评估器件单粒子效应敏感度成本太高,因此利用重离子实验数据推算质子敏感参数成为一个非常活跃的研究课题.利用Barak经验公式,在重离子实验获得器件的σ LET值曲线的基础上,计算了几种典型器件在不同能量下的质子翻转截面以及典型轨道上质子引起的翻转率,并同FOM方法预示的质子翻转率进行了比较,其结果将对卫星电子系统抗辐射加固设计具有重要参考价值. The radiation environments concerned with single event upset mainly consist of heavy ions from cosmic ray and large flux proton from solar events and planetary radiation belts. The most reliable calculation for SEE rate induced by proton and henvy ions are the way to use the experimentally measured data rospectively. But it is too expensive to test devices with both heavy ions and protons. So it is necessary to derive models for predicting proton cross sections and rates from heavy ion test data....     

高能质子引起器件单粒子效应的研究方法

简略介绍了高能质子在半导体芯片中引起单粒子效应的实验测量和理论分析方法,包括核反应分析方法、半经验方法,介绍了质子和重离子翻转截面间的关系,并用重离子实验数据预测器件在质子环境下的翻转率. This article introduces briefly the experimental and theoretical methods that have been used to study high energy proton induced single event effect in semiconductor devices. The theoretical methods including nuclear reaction analysis method and semi empirical method are presented. The relationship of upset cross section between proton and heavy ions is described. Finally, on orbit proton upset rates are predicted by using the heavy ion test data.     

基于重离子试验数据预测纳米加固静态随机存储器质子单粒子效应敏感性

为实现对纳米DICE (dual interlocked cell)加固器件抗质子单粒子能力的准确评估,通过对65 nm双DICE加固静态随机存储器(static random access memory, SRAM)重离子单粒子翻转试验数据的分析,获取了其在重离子垂直和倾角入射时的单粒子翻转(single event upset, SEU)阈值以及离子入射最劣方位角,并结合蒙卡仿真获取不同能量质子与器件多层金属布线层发生核反应产生的次级粒子LET(linear energy transfer)值最大值以及角度分布特性,对器件在不同能量下的质子单粒子效应敏感性进行了预测,质子单粒子效应实验结果验证了预测方法的有效性以及预测结果的准确性,并提出针对DICE加固类器件在重离子和质子单粒子效应试验评估中均应开展离子最劣方位角下的倾角入射试验.     

HIRFL上的放射性次级束流线

兰州重离子国家实验室的重离子研究装置(HIRFL)上第一阶段的放射性次级束流线是利用中能重离子炮弹碎裂(PF)在0°附近产生中能放射性丰中子和丰质子次级束流的实验装置.本文介绍了放射性次级束流(RNB)的产生、分离、传输和鉴别的原理,描述实验装置的结构、性能,报道了调试实验结果.     

高能质子单粒子翻转效应的模拟计算

在分析质子与硅反应的基础上,提出质子单粒子翻转截面理论计算模型,建立了模拟计算方法.计算得到了不同能量的高能质子在存储单元的灵敏区内沉积的能量.指出高能质子主要通过与硅反应产生的重离子在存储单元灵敏区内沉积能量,产生电荷,导致单粒子效应,得到了单粒子翻转截面与质子能量以及随临界电荷变化的关系.并将计算得到的单粒子翻转截面与实验数据进行了比较.     

用12C离子模拟质子引起的单粒子效应

在理论分析的基础上 ,提出了一种利用兰州重离子加速器提供的高能12C离子模拟质子引起单粒子效应的途径 .在保证核反应机制是引起单粒子效应主要机制的前提下,用高能12C离子可以模拟质子在功率金属 -氧化物 -半导体场效应晶体管中引起的单粒子烧毁以及单粒子栅极击穿 ,获得质子单粒子效应的饱和截面 ,定性研究质子单粒子效应的角度效应 ,还可以作为高能质子单粒子效应实验前的预备实验 .该方法拓展了兰州重离子加速器加速的轻的重离子在单粒子效应实验研究方面的应用 ,对现阶段国内开展质子单粒子效应实验研究具有重要意义. The mechanisms for proton and heavy ion induced single event effect (SEE) are discussed and a method to simulate proton induced SSEE (PSEE) with high energy 12 C is proposed in this paper. The experiments which can be done by using this method include single event burnout (SEB) and single event gate rupture in power MOSFET, single event upset (SEU) and single event transient (SET) in less sensitive device and angle effect. The experimets with high energy ...     

HIRFL浅层肿瘤重离子治疗终端束流配送系统性能的实验验证

详细介绍了兰州重离子研究装置(HIRFL)浅层肿瘤重离子治疗终端的被动式束流配送系统, 对该束流配送系统重要组成部件及其整体的性能进行了实验验证. Bragg峰展宽装置脊形过滤器及能量调节装置射程移位器测试结果显示该设备的性能指标达到设计要求. 为验证该被动式束流配送系统的整体性能, 进行了束流成形实验, 模拟对肿瘤靶区的三维适形照射. 结果表明: 利用该束流配送系统可实施对肿瘤的三维适形放射治疗. HIRFL浅层肿瘤治疗装置束流配送系统性能的验证为下一步开展肿瘤重离子束治疗临床试验奠定了基础.     

基于FLUKA平台的重离子治癌模拟实验

重离子治癌是指利用大型重离子加速器产生的高能带电重离子束辐照病灶来治疗恶性肿瘤的一种新型放射治疗方法.与传统的常规放射治疗方法相比,重离子束治疗癌症具有特殊的布拉格峰和高RBE优势.相关研究目前已成为放射治疗领域的前沿和热点,同时作为核科学前沿也常被引入到相关专业教学中,由于使用大型重离子加速器的实验教学很难引入高校,为了更好地展示加速器在核医学实验和临床治疗中的使用过程和效果,本文利用FLUKA软件作为操作平台,模拟了用碳离子束治疗脑部肿瘤的实验过程,并根据模拟结果调节参数,给出优化的治疗方案,使学生更深刻的掌握重离子与物质相互作用过程以及重离子治癌的基本原理.     

重离子束治疗肿瘤临床研究

文章综述了重离子束在物理学、生物学、临床治疗等方面的优势,以及在放射生物学方面的基础实验研究内容。分析总结了国内外重离子束辐照治疗肿瘤的临床研究结果。其中,日本已接受治疗了约6 000 名不同类型的肿瘤患者,并取得较高的局部控制率和生存率;德国在头颈部肿瘤临床治疗方面取得了巨大的成功;在兰州重离子研究装置(HIRFL) 肿瘤治疗终端上,中国科学院近代物理研究所联合甘肃省肿瘤医院及兰州军区总医院对肿瘤患者的重离子治疗已进入临床试验阶段。甘肃省肿瘤医院治疗结果显示:43 例患者通过影像学检查评价疗效,客观有效率(CR+PR)为71.4%,主要急性放射损伤为1-2 级皮肤反应(红斑形成和脱皮),发生率为61.9%,治疗1 个月后随访结果显示重离子束(12C6+)对深部肿瘤具有较好的局部控制作用,且无严重不良反应发生。This article reviews the advantages of heavy ion in physical, biological and clinical aspects, discusses the radio-biological basis of experiment research, and summarizes clinical results of heavy ion beam treatment on tumor at home and abroad. Japan has accepted and treated about 6000 cancer patients of different types with high local control rates and survival ones. Germany has achieved great success in head and neck tumor clinical treatment. Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences (IMP-CAS), Tumor Hospital of Gansu Province and Lanzhou General Hospital of PLA have begun clinical trial on heavy ion treatment of deep-seated tumors after the shallow-seated tumor therapy has been done at HIRFL (Heavy Ion Research Facility in Lanzhou). The treatment results of Tumor Hospital of Gansu Province show that the objective response rate (CR+PR) is 71.4% and the rate of 1-2 levels radiation injury to skin reactions (erythema and desquamation) is 61.9% when we evaluate the 43 patients by means of maging. The results of case follow-up after treatment in 1 month indicate that the deep-seated tumor therapy with heavy ion beam has high local control rates without severe adverse effect.     

重离子束适形放射治疗技术

重离子束适形放射治疗技术主要包括束流配送系统和治疗计划系统等 .前者是实现重离子束适形放射治疗的硬件设施 ,后者为适形治疗的软件支撑系统 ,两者缺一不可 .鉴于重离子束与物质相互作用在物理学及生物学效应上表现出的特殊性,重离子束治癌中特别引入了面向生物学效应的适形治疗和束流的正电子断层在线监控技术. The conformal radiotherapy techniques mainly include the two systems that are beam delivery and treatment planning. The formal is the hardware basis while the later is the software supplement for heavy ion conformal therapy, they are dependent on each other to realize the cancer conformal therapy with heavy ion beam. Because of the specificities of interaction between heavy ion and target on both physics and biological effects, the heavy ion cancer therapy especially involves...     

重离子束用于肿瘤放射治疗的基础理论

通过与低传能线密度辐射治疗对比分析建立了重离子束肿瘤放射治疗的基础理论,提出了一些提高重离子束放射治疗疗效和减少对正常组织损伤的技术措施,旨在为已开展的重离子治癌临床研究提供理论依据． The basic theory of tumor radiotherapy with heavy ion beam was introduced in contrast to low LET irradiation therapy. Some useful methods are also suggested to improve the curative effect of heavy ion therapy and to spare the normal tissue around the tumor.     

离子与生物分子相互作用的微观动力学理论

对X射线、γ射线、电子、中子、质子和重离子等对生物体系的辐照研究现状进行了评论。重离子辐照中特有的倒转深度剂量分布,即Bragg峰,成为放射治疗的理想工具。通过对重离子辐照生物组织物理过程的分析,提出了重离子与生物分子相互作用的三步物理过程,即核相互作用导致的核碎裂、库仑相互作用的电子激发和生物分子在周围环境相互作用下的弛豫,最终导致生物分子新结构的形成。由于物理过程是后期辐照化学过程、生物过程的基础,因此建立描述离子与生物分子相互作用物理过程的微观动力学理论是十分迫切的。The status of studying biology system therapy with X-rays, γ-rays, neutron, proton, and heavy ions is reviewed. The depth dose profile, called Bragg profile, makes heavy ion an ideal tool for radiotherapy. The physical process of therapy with heavy ions is analyzed and a 3-step interaction processes of heavy ions with biomolecules is proposed, that is, nuclear fragmentation in nuclear interaction, electron excitation in Coulomb interaction, and the biomolecules relaxation in surroundings, finally leads to a new structure of biomolecule. Since this physical process is the base of the following chemical process and biological process, a dynamical microscopic approach is strongly demanded to be built.     

用于重离子治癌的大面积平行板雪崩计数器

简单介绍了重离子治癌的原理, 叙述了一种用于重离子治癌的大面积平行板雪崩计数器, 它主要由入射窗、 x位置栅极、 中心阳极、 y位置栅极和出射窗组成. 使用C3F8气体, 气压700 Pa, 阳极电压为700 V, 两阴极接地, 电子学成形时间常数为2 μs, 测试得到的位置分辨修正后为0.54 mm(FWHM). 通过与国内外同类装置比较, 认为这一分辨已经满足了重离子治癌装置的要求. he principle of the heavy ion therapy is introduced in this article. In order to precisely determine the irradiation profiles and positions of scanned heavy ion beams, we developed a large area parallel plate avalanche counter(PPAC). The detector consists of one anode, two cathodes and two windows with 250 mm×250 mm active area . It was measured at an anode voltage of 700 V and with flowing C3F8 gas at the pressure of 700 Pa. A position resolution of 0.54 mm by correction was obtained with an α source. As compared with the similar devices, we consider the position resolution of the PPAC can satisfy the requirement of the facility of heavy ion therapy.     

重离子治疗肿瘤点扫描控制系统

为了实现重离子治疗肿瘤点扫描,对扫描磁铁进行相应的控制。治疗计划进行剂量与肿瘤适形数据的生成,并传输至点扫描控制器与剂量控制器。同时也向点扫描控制器中存入事例数据,以纳入整个加速器控制时序,等待同步时间事例系统的事例触发。点扫描控制器根据剂量控制器的脉冲控制换点治疗操作以及进行换点治疗的扫描磁铁插值算法平滑处理。剂量控制器对气体电离室前端电子学已经刻度的剂量脉冲进行计数。当达到治疗剂量时,控制法拉第筒来阻挡束流,实现点扫描安全治疗。实验证明在现有的电源与磁铁等设备条件以及束流品质下,点扫描控制系统能实现2mm点间距扫描。     

重离子治癌中的三维剂量成形方式

介绍了重离子治癌装置ＨＩＭＡＣ和ＨＩＴＡＧ的三维剂量成形方式;对一种正在设计中的重离子对肿瘤的照射方式进行了分析,旨在为ＨＩＲＦＬ及ＨＩＲＦＬ－ＣＳＲ所提供的离子束设计三维剂量成形方案． Three dimensional dose shaping methods in heavy-ion therapy facilities,HI MAC and HITAG are introduced.A new tumor irradiation pattern with heavy ion beam which is being designed is analyzed.It aims at choosing suitable three dimensional dose shaping planning for heavy ion beam supplied by HIRFL and the proposed HIRFL-CSR.     

重离子治疗计划系统的构想

对重离子柬治癌的优势进行简要的回顾，并着重介绍了用于重离子放射治疗的治疗计划系统。治疗计划系统是一套软件系统，不同的硬件设施应有与其相匹配的软件系统，即治疗计划系统。在此基础上，针对兰州重离子加速器的特点提出一些关于治疗计划系统方面的构想。After a brief review concerning the advantages of heavy ions in radiotherapy, more interests are concentrated on treatment planning system （TPS） for heavy ion radiotherapy. Compared to the hardware devices such as accelerator and beam delivery system, the TPS is a set of software system, and different therapy facilities require their corresponding TPSs. Based on the specialities of the Heavy Ion Research Facility in Lanzhou （HIIRFL）, some suggestions on the TPS for tumor therapy at HIRFL finally are given.     

重离子束治癌

本文回顾了辐射治癌的历史发展和国内外动态,讨论了重离子束与常规辐射相比在肿瘤治疗上的优势,提出了为治疗应用的重离子束的主要参数以及在兰州重离子研究装置（ＨＩＲＦＬ）拟建的冷却储存环（ＣＳＲ）上建立治疗实验室的初步考虑． Historical background and trends at home and abroad for radiation therapy arelooked back in the paper. The advantages of heavy ion beam in comparision with conventional radiation in tumour treatment are discussed. The main parameters of heavy ion beams fortherapy application and a tentative idea constructing treatment rooms at Cooling StorageRing(CSR) of Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL) are proposed.     

低能重离子剂量-存活率效应及其拟合模型探讨

低能重离子注入生物体是20世纪80年代中期发展起来的一种诱变手段, 在诱变育种和放射医学等领域有巨大的应用前景。 物理辐照的剂量与存活率之间的关系是辐射生物学效应的最重要的关系之一, 低能离子与生物体相互作用的剂量 存活率曲线表现为特殊的马鞍型。 介绍了低能重离子的马鞍型剂量 存活率效应及其数学模型, 并探讨了模型拟合中存在的一些问题。 Low energy heavy ion implantation is an organism mutation method developed in middle of 1980s, which has a potential application in breeding and radiation therapy. The dose survival curve is a characteristic effect in radiobiology. Implanted with low energy heavy ions, organisms could manifest a Saddle like dose survival curve. In this article, the Saddle like dose survival effect and its modeling has been described, and several topics in model simulation are discussed.