栅扫描重离子束治癌束流配送系统对运动靶区的适形放疗冰(Ⅰ)模拟计算

从理论上研究了在主动型栅扫描束流配送系统下,靶体运动对靶区剂量均匀性以及重离子治疗适形程度的影响.模拟计算了在实验测量得到的脉冲束流照射下,栅扫描系统引导束流对运动靶体实施照射后,靶体运动模式与靶区各等能量断层剂量分布均匀性的关系.由这些模拟计算结果,得到了一些针对运动靶体提高靶区剂量分布均匀性的策略.模拟计算提供了一种评估运动靶体上剂量分布的有效手段,其结果及内涵为今后该方向上的可行性实验研究奠定了坚实的基础.     

栅扫描重离子束治癌束流配送系统对运动靶区的适形放疗(Ⅱ)可行性实验

在栅扫描束流配送系统下, 进行了重离子束对运动靶体进行适形照射的可行性实验研究. 利用实时修正束流扫描参数的方法, 使得束流追踪靶体在横向上的运动; 在纵向上利用一个机械驱动的束流降能装置(称深度扫描器)迅速调节束流 能量, 使得重离子束高剂量的Bragg峰区落在运动靶体需治疗的断层之上. 实验结果表明: 栅扫描器主动补偿靶体横向运动及深度扫描器补偿靶体纵向运动是可行的.     

微型法拉第筒阵列束流均匀性测量

研制了一种用于测量强流脉冲电子束束流均匀性的微型法拉第筒阵列,其直径为22mm,由5个微型法拉第筒组成,最大可测束流密度为38A/mm2。利用该系统测量了二极管阳极靶面的束流密度,得到了阳极靶面束流均匀性的分布情况。结果显示,阳极靶面中心处束流密度高于靶面其他位置,靶面束流存在弱箍缩,束流局部均匀,大面积不均匀,束流密度呈径向分布。该结果与理论预期和仿真计算符合较好。     

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。     

离子推力器栅极透过率径向分布特性研究

栅极系统是离子推力器的主要组件,其透过率特性对推力器的效率和推力具有重要影响.为了进一步优化栅极性能和有效评估离子推力器效率,对离子推力器栅极透过率径向分布进行研究.采用particle-In-CellMonte Carlo Collision数值仿真方法对束流引出过程进行了模拟.分析了屏栅、加速栅以及栅极系统的透过率随栅孔引出束流离子数量的变化关系,结合放电室出口离子密度分布,进而分别得到屏栅透过率、加速栅透过率和栅极系统透过率的径向分布特性,最后进行实验验证.研究结果表明:屏栅透过率径向分布具有中心对称性,在推力器中心有最小值,从中心沿着径向逐渐增大;加速栅透过率径向分布与屏栅透过率变化趋势相反;栅极系统透过率受加速栅透过率的影响很小,其径向分布与屏栅透过率径向分布相近;离子推力器栅极总透过率随着束流增大而缓慢减小.研究结果可为离子推力器栅极优化提供参考.     

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.     

离子束治疗中的靶区运动补偿方法

相对于被动式束流配送系统,由患者呼吸因素而引起的肿瘤靶区运动会对主动式束流配送系统下的离子束放射治疗带来非常严重的影响,造成离子束辐射场剂量分布的严重畸变,甚至对肿瘤靶区周围的健康组织造成严重损伤,很大程度上影响离子束治疗的疗效。因此,在主动式束流配送系统下,建立针对由呼吸因素引起的运动肿瘤靶区的适形调强照射方法就显得必要,且具有重要意义。系统介绍了呼吸运动探测、4D-CT 以及目前主要的3 种运动补偿方法(多次扫描、呼吸门控和主动跟踪技术),并对这3 种方法在靶区适形度、稳健性以及技术复杂度等方面进行了比较。在靶区适形度方面主动跟踪技术优于门控技术,而门控技术又优于多次扫描技术;在稳健性方面多次扫描技术优于门控技术,而门控技术优于主动跟踪技术;在技术复杂度方面,多次扫描技术最简单,其次是门控技术,而主动跟踪技术最复杂。Active beam scanning results in serious distortion of ion-beam irradiation field in the presence of target motion and causes damage to healthy tissues round tumor target compared to passive beam shaping techniques. Therefore,it is necessary to establish suitable conformal irradiation methods for moving targets caused by the factor such as respiration in active ion beam scanning system. In this paper, motion detection, 4D-CT and three main ion beam specific mitigation techniques, namely rescanning, gating and beam tracking, are introduced. In addition, three motion mitigation techniques are compared comprehensively in terms of target conformation, robustness and mplementation complexity,respectively. For target conformation, the beam tracking is superior to gating, and gating is better than beam rescanning;the robustness decreases in the order rescanning-gating-beam tracking; for implementation complexity, beam rescanning is the most simple technology, followed by gating, while beam tracking is the most complex technique.     

屏栅边缘小孔孔径对离子推力器性能的影响

提出并实验验证了一种通过减小屏栅边缘小孔孔径消除双模式离子推力器中束流离子对三栅极系统减速栅边缘小孔溅射刻蚀的方法.基于30 cm双模式离子推力器,在小推力高比冲和大推力高功率两种工作模式下实验对比研究了屏栅边缘小孔孔径对推力器放电损耗、束流平直度和减速栅边缘小孔刻蚀速率和刻蚀范围的影响.当束流半径95%外的屏栅小孔孔径缩小26%后, 30 cm双模式离子推力器在小推力高比冲模式和大推力高功率模式下放电损耗分别减小10%和21%;束流平直度分别下降3%和10%;减速栅边缘小孔存在离子溅射刻蚀的小孔排数由边缘5排减小到最边缘1排,刻蚀速率明显减小,并且当工作900 h后最边缘小孔刻蚀现象也消失.实验结果表明:减小屏栅边缘小孔孔径是一种解决双模式离子推力器小推力高比冲模式下束流离子对三栅极系统减速栅边缘小孔溅射刻蚀的有效方法,而且不会降低推力器效率,但是会造成束流均匀性变差.     

质子治疗装置的束流扩展研究

对扩展质子束流的双环双散射体方法进行了探讨, 研究了它的束流分布函数与束利用率和束分布均匀性的关系, 以及照射野形成距离的改变和束偏离对束流分布的影响. 计算了散射体的厚度与照射野的关系, 并提出了用液体散射体代替固体散射体的可能性.     

散裂靶中质子束窗的散射效应

 质子束窗是在高功率靶区中的一个分界窗,它将质子输运线上高真空区域和氦容器中的氦环境分开。在其他散裂中子源中质子束窗的热效应以及机械问题都已经被研究过了,但质子束在该窗中散射效应的研究却很少被报导,然而在靶设计中如果没有处理好质子束窗的散射效应会有很大的问题。报导了质子束窗散射效应的模拟计算结果,包括不同质子束窗的材料和结构选择,并以中国散裂中子源（CSNS）为例,介绍了在CSNS一期和二期中质子束窗采用周边水冷的铝合金单层结构,CSNS三期采用中间水冷的铝合金夹层结构。文中给出了不同结构的质子束窗和不同的与靶距离散射效应对靶上经非线性磁铁均匀化的束流分布的影响的模拟计算结果。模拟结果显示质子窗的散射效应对束流损失和靶上的束流分布有重要的影响。     

基于TPS和蒙特卡罗计算的12C肿瘤放射治疗In-beam PET剂量监测研究

In-beam PET成像是碳离子放射治疗剂量监测的有效手段,可以对碳离子放疗过程的物理剂量分布和生物剂量分布进行实时监测。结合放射治疗计划系统(TPS)和蒙特卡罗(MC)模拟分别对静态均匀水模体和腹部肿瘤CT图像进行治疗计划设计、MC计算和PET成像,比较TPS肿瘤靶区剂量分布、MC模拟剂量分布和PET成像三者之间的一致性。TPS和MC模拟中相对生物学效应(RBE)的计算均采用线性二次模型(LQ)。研究结果显示,TPS和MC计算的静态均匀水模体、单野治疗腹部肿瘤的物理剂量、RBE加权剂量在SOBP区域的平均误差均在0.5%和2%以内。碳离子束流能量为120~400 MeV/u时,束流方向剂量深度分布与PET成像在SOBP区域的位置差异均在8 mm以内。In-beam PET可作为碳离子放射治疗中位置验证和剂量验证的有效手段。     

100 MeV质子束流品质诊断及剂量测量准确性评估方法研究

质子辐射生物学效应是太空放射生物学和质子束放疗研究的重要基础,可为空间环境下人员的危险性评估以及质子治疗优化设计提供科学依据。依托加速器建立相应的生物样本辐照技术是开展此类研究的前提条件。中国原子能科学研究院最近建立的100 MeV强流质子回旋加速器提供的中能质子束流为目前国内能量最高,特别适合用于太空放射生物学和质子治疗相关研究。本研究中,利用在束和离线等多种手段建立了中能质子束流诊断和剂量测量方法,对加速器引出的100 MeV质子照射野大小、均匀性等束流品质以及剂量测量系统准确性进行了分析和评估。结果表明,对光子剂量响应好的LiF(Mg, Ti)热释光探测器,对90 MeV质子同样具有良好的剂量响应关系,可作为中能质子剂量准确性评估的手段之一。在5.0 cm×5.0 cm照射野范围内,加速器引出的100 MeV质子束流的均匀性好于90%,在线剂量测量系统准确性好于93%,束流品质和剂量测量条件基本满足辐射生物学的要求,可为质子辐射生物学效应研究的开展提供可靠保障。     

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。     

靶上束流性能和束流传输系统参数间的关系

为了在靶上得到一定尺寸并对称分布的束流,束流传输系统应该满足一些条件.本文分析了不同初始条件下,传输系统应该满足的条件.     

95MeV/u的12C炮弹产生的二次束流强度研究

使用GANIL双消色差谱仪LISE,系统研究了95MeV/u的¹²C束流轰击铍、铜和金靶所产生的二次束流强度.实验结果和程序LISE及INTENSITY的计算结果作了比较.结果表明:对于β稳定线附近的二次束流,由程序LISE及INTENSITY计算得到的二次束流强度峰值和实验结果基本相符.但对于远离β稳定线的二次束流,计算结果高于实验值.产生二次束流的最佳靶厚相应于束流在靶子中损失大约30%的能量.铍靶产生的二次束流强度高于其余两种靶子.     

引入守恒格式的自相似解进行ICF辐射驱动时变对称性分析

引入守恒格式的自相似解计算黑腔X射线能流时空分布,通过视角因子方法计算靶丸表面入射能流分布,从而进行惯性约束聚变辐射驱动时变对称性分析。分析了光斑运动、激光脉冲波形及靶丸装配偏差对靶丸辐照均匀性的影响。以二阶分量时间积分值为优化目标,最佳腔长计算值与内爆对称性调节实验结果相符,内爆腔靶组合参数扫描得到的最佳长径比与NIF目前实验值相当,模型有效性得到验证。     

氘-氚中子源辐照旋转靶剂量演化模拟计算

首次将蒙特卡罗自动建模系统(MCAM)、蒙特卡罗粒子输运程序(MCNP)及自主研发的活化程序BURNDOT相结合,实现了中子输运、材料活化、光子输运模拟计算的耦合。对14MeV氘-氚(D-T)中子源旋转靶室剂量演化分析,计算了氘-氚中子源辐照旋转靶室的瞬发中子、γ三维辐射剂量场分布及连续辐照8小时后缓发γ剂量变化情况,并考察了材质、栅元、主要核素对缓发γ剂量贡献的影响,得到了旋转靶的剂量时空演化规律,把计算结果与欧洲活化程序FISPACT-2007进行了对比。     

碳离子治疗中分野照射技术的Monte Carlo模拟

为阐述分野照射治疗方式应用于中国科学院近代物理研究所(IMP) 肿瘤重离子临床治疗试验研究的理论基础,利用Monte Carlo (MC) 软件包Gate/Geant4 模拟计算了碳离子束分野照射分衔接处的横向剂量分布,得到了患者摆位误差±1.0 mm范围内的横向剂量分布和分野衔接处中心剂量随分野间距的变化关系,计算了分野间距5.0 mm的横向剂量分布。将分野间距5.0 mm的分野照射与整野照射的MC结果进行比较,发现:在靶区范围内两者模拟的剂量偏差在6.8% 以内,符合程度较好,并提出了在患者定位精确度较高的情况下(即患者治疗体位摆位误差在±1.0 mm范围) 解决分野衔接处剂量热点问题的可行方法,从而较大幅度地提高了分野照射时靶区范围内的剂量均匀性。To characterize the theoretical basis of eld patching technique in carbon ion beam therapy, Monte Carlo software package Gate/Geant4 was used to simulate the lateral dose distribution of matched elds. The lateral dose distribution of the matched elds within 1.0 millimeter of patient positioning error and the relationship between the central dose of the matched elds and the eld patching gap were obtained. Moreover, the lateral dose pro le of eld patching irradiation with 5.0 mm gap was simulated. While comparing the lateral dose distribution of eld patching irradiation with 5.0 mm gap with the undivided eld irradiation, a good agreement between both results with a maximum dose deviation of 6.8% was observed within the target volume.Hence a feasible method for solving the issue of dose hotspots during eld patching under the condition of higher patient positioning accuracies (patient positioning error within 1.0 millimeter) was proposed and the dose homogeneit within the target volume could be greatly improved when eld patching technique is adopted in carbon ion beam therapy.     

氘-氚中子源辐照旋转靶剂量演化模拟计算

首次将蒙特卡罗自动建模系统(MCAM)、蒙特卡罗粒子输运程序(MCNP)及自主研发的活化程序BURNDOT相结合,实现了中子输运、材料活化、光子输运模拟计算的耦合。对14MeV氘-氚(D-T)中子源旋转靶室剂量演化分析,计算了氘-氚中子源辐照旋转靶室的瞬发中子、γ三维辐射剂量场分布及连续辐照8小时后缓发γ剂量变化情况,并考察了材质、栅元、主要核素对缓发γ剂量贡献的影响,得到了旋转靶的剂量时空演化规律,把计算结果与欧洲活化程序FISPACT-2007进行了对比。     

Si微电阻桥温度分布与热传导特性的显微Raman光谱研究

采用显微Raman光谱方法对红外目标模拟器中重掺杂Si微电阻桥单元的热传导特性进行研究，根据Si桥的实际特性建立相应的Raman散射模型，通过测量Raman峰位的移动得到高功率激光辐照下测量点的温度.对Si桥桥面分别进行了沿某些特殊线段的逐点线扫描和覆盖全部桥面的面扫描，得到各点的温升及其分布.用基于有限元分析的软件结合Si桥结构参数对各测量点的温升进行了模拟计算，其结果在热导分布的基本趋势上与实验相一致.实验细致地揭示了热导分布的局域起伏，反映出实际器件的不均匀性，为改进器件设计、优化器件性能提供了实验依据. 关键词： Raman光谱 Si桥 温度分布 热导