重离子治癌终端的束流强度及剂量监测系统

 为实现重离子肿瘤治疗临床实验中对照射束流状态的实时监测,研制了束流强度及剂量监测系统,包括积分电离室、后续电流频率转换电路及LabVIEW数据获取处理三部分。利用闪烁体探测器和标准剂量计测试了系统的线性响应和得到剂量的准确性,结果表明：系统在束流临床照射流强范围内的线性响应好于90%,其实时反馈的临床照射剂量偏差小于5%。同时束流强度及剂量监测系统与安全控制系统相结合,保证束流照射状态满足临床照射的安全要求。     

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.     

初步的IMP重离子治疗计划系统

中国科学院近代物理研究所基于兰州重离子研究装置(HIRFL/HIRFL-CSR),在被动型束流配送系统下采用二维分层适形照射治疗技术开展重离子治癌临床试验研究。为了更好地利用重离子束在肿瘤放射治疗中的生物物理优势并保障重离子临床治疗试验的顺利实施,一个初级版本的重离子治疗计划系统已经设计完成。此计划系统是针对被动型束流配送系统下的二维分层适形照射治疗方式来进行设计的。介绍了此系统的设计框架、可提供的功能以及利用宽束算法进行剂量计算在此系统中的实现。通过人体仿真体模实验证实由该治疗计划系统给出的靶区计划剂量与实测剂量的偏差在5%之内。最后讨论了设计较为完备的重离子治疗计划系统仍需解决的问题。     

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。     

基于EPICS的CSRe束流诊断控制系统升级

兰州重离子加速器(HIRFL)冷却存储环的实验环（CSRe）提供高品质的束流用于高精度的质量测量、原子物理等实验研究,实现束流参数的准确测量是进行物理实验的前提保障。目前,CSRe加速器控制系统已升级为EPICS架构。介绍了基于EPICS的束流诊断控制系统现状,并利用升级后的控制系统测量了束流相关参数。其中,束流位置系统能够测量注入束流的逐圈位置信息,测量结果发现束流在注入过程中存在一定程度的震荡,影响注入效率。流强测量系统通过高分辨的数据采集卡实现对DCCT信号的精确测量,同时增加了D事例触发功能。升级后的控制系统,可以实现束流参数的测量,并集成于加速器控制系统的EPICS CSS界面。     

RIBLL束流诊断的发展

描述了重离子加速器放射性次级束流线束流诊断技术的新发展,它包括初级束流在线监测研制的非拦截式法拉第筒,监测低强度初级束流的塑料闪烁探测器,测量放射性次级束流剖面的大面积双维位置灵敏平行板雪崩室等.这些新研制的束流诊断装置的运用,明显提高了设置、调整、确定重离子加速器放射性次级束流线运行参数的速度和准确性,改善了放射性次级束流纯度和质量,并使得重离子加速器放射性次级束流线的运行更简洁、迅速和有效.     

RIBLLⅡ与CSRe中束流控制系统的设计

介绍了兰州重离子加速器冷却存储环（HIRFL-CSR）的实验环CSRe以及次级束线RIBLLⅡ中束流控制系统的设计。该系统主要采用了Java,COM,Oracle,ARM,DSP,FPGA等技术实现了对磁铁电源的实时、同步控制,已达到对束流的控制。该系统已经运行于现场的束流调试中,并在RIBLLⅡ的束流调试中运行正常、性能稳定。     

CAFe DUMP前刮束器的设计研制

位于中国科学院近代物理研究所的超导直线加速器样机CAFe是一台质子超导直线加速器实验样机,围绕该装置的束流实验研究将为下一步设计研究加速器驱动次临界洁净核能系统(ADS)专用的超导直线加速器打下基础并提供经验。为了实现CAFe的10 mA束流指标,需要设计研制专门的束流收集器(DUMP)和对应的刮束器。本工作就CAFe DUMP前刮束器的研制进行了系统的设计和计算工作。刮束器面向束流侧的材料采用Al6063,确保束流轰击后的剩余放射性活度处于安全范围。基于蒙特卡罗粒子输运模拟,开展放射性核素及剩余剂量分析。结果表明,退役时刮束器外围剂量为可接受的百微希沃特每小时量级。通过ANSYS的热分析,计算了不同束流情况下刮束器的温度分布及温度变化,研究了刮束器在正常运行时移除热量的能力和在异常状况下应急保护的能力。计算结果表明,刮束器可以满足安全移除强流高功率束流束晕的设计需求。在CAFe高功率束流实验中,刮束器及DUMP运行正常,束流监测指标与设计一致,证明研制的刮束器实现了安全移除束晕、监测束流参数和保护DUMP的功能。     

RIBLLⅡ与CSRe中束流控制系统的设计

 介绍了兰州重离子加速器冷却存储环（HIRFL-CSR）的实验环CSRe以及次级束线RIBLLⅡ中束流控制系统的设计。该系统主要采用了Java,COM,Oracle,ARM,DSP,FPGA等技术实现了对磁铁电源的实时、同步控制,已达到对束流的控制。该系统已经运行于现场的束流调试中,并在RIBLLⅡ的束流调试中运行正常、性能稳定。     

用于重离子治癌回旋引出的实时流强测量系统北大核心CSCD

为满足重离子治癌加速器装置(HIMM)回旋加速器引出段束流流强的测量需求,设计了新的束流流强测量系统,该系统利用积分电流变换器(ICT)及锁相放大器等配套电子学,能够实现束流流强的非拦截实时测量。文中首先分析了中能束线(MEBT)束流流强的测量需求,并对设计方案进行了实验室系统分析和在线束流强测量。实验室结果表明,锁相放大器的幅度和相位响应一致性满足测量需求。由于ICT对束流流强的测量是相对测量,先使用法拉第筒对ICT进行在线标定;标定前先对法拉第筒(FC)(20μA档位)和ICT系统的流强分辨在线测量,分别为6.45 nA和5.163 nA。由于束流抖动的影响,测量的束流的稳定性约90 nA,其对应的相对测量误差约8%,ICT系统响应时间小于1 ms。测量结果表明,该系统满足物理测量需求。回旋加速器高频系统参数变化引起ICT标定系数变化的工作将在进一步工作中展开。     

重离子放射治疗双微小展宽峰组合照射方法

在基于被动式束流配送系统的分层适形重离子治疗当中,需要利用微型脊形过滤器（mini ridge filter,mini-RF）将单能重离子束Bragg峰展宽为峰区近似高斯分布的微小展宽峰（mini spread-out Bragg peak,mini-SOBP）,从而达到减少照射分层数及照射时间的目的。采用较宽的mini-SOBP可以有效减少照射分层数,但会增大展宽Bragg峰（SOBP）远端剂量跌落距离,增加对靶区后方正常组织或危及器官的辐照剂量。这一问题可以通过双mini-SOBP的组合照射方法来解决。使用2种mini-RF对单能重离子束Bragg峰略微展宽得到2种半高宽（FWHM）且剂量分布近似高斯分布的mini-SOBP,通过基于放射生物学模型的剂量优化,证实了在SOBP平顶区按生物有效剂量均匀和物理吸收剂量均匀的展宽情况下,双mini-SOBP组合照射方法均可以在减少照射分层数的同时较大幅度地减小SOBP远端剂量跌落距离。In layer-stacking conformal heavy-ion therapy based on passive beam delivery system,it is necessary to minimize the layer numbers and reduce irradiation time for layer-stacking conformal heavy-ion therapy.Gaussian shaped mini spread-out Bragg peaks (mini-SOBP) were generated by mini ridge filters (mini-RF) for monoenergetic heavy ion beams.It is effective to minimize the layer number by using mini-SOBPs with the bigger full width at the half maximum (FWHM),but in this way the distal dose fall-off distance of a spread-out Bragg peak (SOBP) will be enlarged,increasing the radiation damage to normal tissue or organ at risk behind the target volume.This issue could be solved by using mini-SOBPs based combinatorial irradiation method.In this study,Gaussian shaped mini-SOBPs with two different FWHMs were generated by two different mini-RFs for monoenergetic heavy ion beams.Based on radiobiological model calculations and dose optimizations,the mini-SOBPs based combinatorial irradiation method was confirmed to reduce the distal dose fall-off distances of SOBPs while minimizing the layer numbers for layer-stacking conformal heavy-ion therapy.     

碳离子辐照对神经胶质瘤干细胞杀伤的研究

虽然重离子束治癌已经被证明有着射程精确、入口坪区剂量小、相对生物学效应高等显著优点,但重离子辐照对肿瘤干细胞所产生的辐射生物学效应特性依旧不明确。本研究使用人源神经胶质瘤干细胞来研究在面对肿瘤干细胞时,重离子相对于传统X射线是否有明显的生物学优势。实验结果证明,在神经胶质瘤干细胞中,2 Gy碳离子造成的DNA损伤的修复率比X射线造成的损伤修复率要低;MTT实验则证明经过碳离子辐照的肿瘤干细胞活力要比X射线辐照的肿瘤干细胞低得多。综上所述,面对神经胶质瘤干细胞,碳离子能更有效地靶向肿瘤干细胞从而相对于传统X射线有明显的生物学优势。这些发现对于更好地理解重离子束治癌相关的生物学效应有重要的作用。Though heavy-ion therapy has demonstrated significant benefits such as well-defined range, small entrance dose and high relative biological effectiveness, the characteristics of radio-biological effects on cancer stem cells induced by heavy-ion treatment is not completely clear. In this paper, we used human glioma cancer stem cells to investigate whether heavy ions offered a biological advantage, by effectively targeting cancer stem cells, in comparison to conventional X-rays. Our results showed that the repair rate of DNA damage generated by 2 Gy of carbon ions was lower than that generated by X-rays in glioma stem cells. MTT assay showed that the viability of cancer stem cells irradiated by carbon ions was significant lower than that irradiated by X-rays. Taken together, carbon ions showed a biological advantage over X-rays by effectively targeting glioma cancer stem cells. These findings have significant importance in understanding the biological effects related to heavy-ion therapy.     

利用基于~1H NMR的代谢组学分析研究重离子辐射对大鼠额叶皮质区的影响

太空辐射尤其是重离子辐射可造成DNA的破坏、细胞死亡、以及一些癌症的发生,是人类深空探索进程中急需克服的难题. 本文通过重离子加速器产生¹²C⁶⁺重离子束对大鼠头部进行一定剂量的辐射,模拟空间重离子辐射对中枢神经系统(CNS)的生物学效应. 采用基于¹H NMR的代谢组学方法对辐射大鼠大脑额叶皮质区进行了测定分析,结合数据的统计分析和检验,发现了包括一些重要CNS神经递质在内的代谢物含量发生明显变化. 这些代谢物主要为：牛磺酸、乳酸、谷氨酸、4-氨基丁酸、以及磷酸胆碱等. 结合差异蛋白质组结果分析,包括4-氨基丁酸、谷氨酸、乳酸、牛磺酸等在内的代谢物参与的主要生物途径,如神经递质的合成途径,以及神经递质受体介导的信号途径可能受重离子辐射的负面影响. 这些发现将为进一步阐明重离子辐射效应的分子机制提供有利信息,从而为从生物学途径探寻有效重离子辐射防护措施提供依据.     

利用基于~1H NMR的代谢组学分析研究重离子辐射对大鼠额叶皮质区的影响

太空辐射尤其是重离子辐射可造成DNA的破坏、细胞死亡、以及一些癌症的发生, 是人类深空探索进程中急需克服的难题. 本文通过重离子加速器产生 ~(12)C~(6+)重离子束对大鼠头部进行一定剂量的辐射, 模拟空间重离子辐射对中枢神经系统(CNS)的生物学效应. 采用基于 ~1H NMR的代谢组学方法对辐射大鼠大脑额叶皮质区进行了测定分析, 结合数据的统计分析和检验, 发现了包括一些重要CNS神经递质在内的代谢物含量发生明显变化. 这些代谢物主要为: 牛磺酸、乳酸、谷氨酸、 4-氨基丁酸、以及磷酸胆碱等. 结合差异蛋白质组结果分析, 包括4-氨基丁酸、谷氨酸、乳酸、牛磺酸等在内的代谢物参与的主要生物途径, 如神经递质的合成途径, 以及神经递质受体介导的信号途径可能受重离子辐射的负面影响. 这些发现将为进一步阐明重离子辐射效应的分子机制提供有利信息, 从而为从生物学途径探寻有效重离子辐射防护措施提供依据.     

中国科学院近代物理研究所重离子束治癌进展

介绍了中国科学院近代物理研究所在重离子束治癌研究和治疗装置研制方面的最新进展, 以及中国科学院近代物理研究所重离子束治癌的发展规划。     

环境温度对合肥光源束流轨道稳定性的影响

 环境温度是影响电子束流轨道稳定性的重要因素之一，国内外大多数加速器实验室为此都建立了较为完备的环境温度监测系统和恒温空调系统。合肥光源(HLS)是第二代光源，全环闭合轨道垂直方向上要求稳定在100 mm以内。为定量研究和分析环境温度对合肥光源的电子束流轨道的影响，建立了环境温度监测系统。着重介绍了环境温度监测系统的组成、辐射干扰问题以及数据分析方法。数据分析结果表明：环境温度与束流位置之间具有较强的相关性，垂直方向环境温度每变化1 ℃,束流位置变化10～20 mm。     

C离子束放射治疗肿瘤的进展

重离子(C离子)用于肿瘤放射治疗具有物理学和生物学两方面的优势, 被誉为面向21世纪最佳放疗用射线。 综合论述了世界各国重离子束治癌的发展历史, 在日本国立放射医学综合研究所(NIRS)提供的临床试验数据基础上分析了C离子束治疗的适应症以及对正常组织的放射损伤。 此外, 通过分析潜在患者人数和治疗相关硬件与软件设备, 对C离子束治癌的运用前景做了初步评估。Heavy ions (carbon ions) were considered currently as the best radiation in radiotherapy for their two superiorities in the physical and biological properties. This paper firstly put the focus on the history of development of heavy ion radiotherapy in the world, then a comprehensive analysis of the indications and radiation damages of normal tissues in clinical trails of heavy ion therapy was made based on the published data by NIRS. Moreover, the prospect of using carbon ions in radiotherapy was estimated by analyzing the potential patients’ number, its related instruments and etc.     

High-resolution nuclear track mapping in detailed cellular histology using CR-39 with the contact microscopy technique

In radiation cancer therapies using energetic charged particles such as proton/heavy-ion therapy and boron neutron capture therapy (BNCT), studies on radiation-induced biological response at cellular level are important because the radiation damage from energetic charged particles is highly localized along their paths and the radiation sensitivity is quite different in each cellular organelle. In such studies the information on the position of charged particle impact in biological cells is necessary. A novel method for high-resolution nuclear track mapping in detailed cellular histology has been developed. In this technique, biological specimens mounted on CR-39 plates are exposed to energetic charged particles. The irradiated samples are exposed to UV, and then etched for a short time. Both etch pits of nuclear tracks and relief for transmission UV image of the specimen can be observed on the CR-39 surface with an atomic force microscope (AFM) at about 100 nm resolution.     

Photonuclear reactions: Modern status of the data

Photonuclear reaction data play an important role in basic and applied research. Radiation shielding design, radiation transport analysis, activation analysis, astrophysical nucleosynthesis, safeguards and inspection technologies, human body radiotherapy absorbed dose calculations, beam monitoring in heavy-ion dissociation research at ultrarelativistic energies, etc., could be mentioned. However, there exist quite evident systematic discrepancies in both shapes and magnitudes between photonuclear cross sections measured in various laboratories. These discrepancies noticeably reduce the accuracy and reliability of data. A systematic overview of various types of data contained in the international database is given. The modern status of the data is discussed. The reasons for significant discrepancies between various photonuclear data are analyzed and methods to reduce them are suggested.