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。     

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。     

重离子束在医学治疗中的应用

重离子束治癌是重离子束在医疗领域中的一项典型的应用技术,文章从重离子束在物理学与生物学上的特点,描述了它对肿瘤治疗具有优越性,物理剂量深度分布在射程末端有一个能量沉积集中区,其深度和大小均可调节;在靶区的相对生物效率（RBE）高、氧增比（OER）低;射程歧离与横向散射小;利用正电子发射断层照相（PET）技术术可以实时在线监测;可以三维扫描进行适用形治疗,半致死损伤修复小;辐射敏感性不依赖细胞周期相,文章还介绍了这项技术的国内外进展,并对其未来进行了展望。     

重离子治癌相关研究

癌症是现代医学的难题,一直危害着人类的健康。放射治疗是癌症治疗的有效手段之一。由于重离子束在物理学和生物学性质上所具有的优势,它已成为放疗用的最佳射线。简述了重离子治癌的发展历程、现状以及特点,详细讨论了在医学物理和放射生物学研究领域值得关注的若干热点问题。     

重离子束治癌中深度剂量分布优化

针对兰州重离子研究装置所加速的120MeV/u ¹²C离子束,利用模拟退火优化算法进行了Bragg峰展宽的剂量优化.取相同的展宽区域(30mm),4种不同的步长(2,1,0.5,0.25mm)进行Bragg峰展宽模拟.对所得到的剂量平均值,均方差,入射口剂量,峰坪比等优化结果的参数做了比较.讨论了重离子束治癌临床上最优的Bragg峰展宽模型的选取.     

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.     

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.     

小肠电离辐射损伤研究进展

肠道的电离辐射损伤是腹部及盆腔肿瘤放射治疗过程中的剂量限制因素。综述了小肠电离辐射损伤的临床症状、小肠上皮及粘膜下层基质改变、信号分子表达变化、组织学变化和超微结构变化。简介了中国科学院近代物理研究所重离子束辐射生物医学重点实验室正在进行的有关小肠重离子辐射损伤及防护方面的研究工作。     

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.     

用于浅层肿瘤重离子治疗的终端束流诊断控制系统

 设计了中国科学院近代物理研究所利用兰州重离子研究装置（HIRFL）进行浅层肿瘤临床治疗试验研究中所使用的束流诊断安全控制系统。该系统包括束流强度监测及保护、剂量测量、扫描波形监测及保护3个部分。系统基于PXI系统及LabVIEW软件，给出了该系统的各部分结构。从系统建立时的多次测试结果以及实际临床治疗试验研究时的长期运行结果来看，该束流诊断控制系统在控制辐照剂量以及安全保护方面能够满足当前重离子加速器浅层肿瘤临床治疗试验的基本要求，为试验研究的顺利进行提供了可靠的保证。     

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.     

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.     

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.     

Heavy-ion cancer therapy

The HIMAC Heavy-Ion Medical Accelerator in Chiba was completed in 1993, and clinical trials of particle radiotherapy for cancer were started using carbon beams accelerated by HIMAC in 1994. Since then, about 2200 patients have been treated in the carbon radiotherapy up to the end of February 2005. A heavy-ion beam generates a Bragg peak in a medium, and it provides biological effects of high RBE and low OER in the Bragg peak region. In heavy-ion radiotherapy, therefore, the beam delivers a high radiation dose to a target volume highly locally. These are excellent advantages for radiotherapy over the case of X-rays. The clinical trials have proved that carbon radiotherapy brings various good results.     

多普勒展宽效应对康普顿相机成像分辨的影响

在重离子癌症治疗中,康普顿相机是一种非常有应用前景的在线监测离子射程的技术。由于康普顿相机使用晶体探测器来确定伽马射线的位置和沉积能量,因此对这些物理量的测量误差会影响康普顿相机的成像分辨率。除了这些测量误差,多普勒展宽效应也会对相机的成像分辨率产生影响。本文使用开源Geant4软件包分别对150和511 keV的伽马射线在几种晶体材料中产生的多普勒展宽效应进行了角分辨模拟。通过对反投影算法的优化和对成像空间中体素的细化,使得康普顿相机的成像分辨率能够达到1.0 mm以上。本工作还基于角分辨标度,推导了一个可快速估计康普顿相机成像分辨率的近似公式。