适用于适形治疗与调强治疗的质子束流配送系统

描述一个适用于适形治疗和调强治疗的散射式质子束流配送系统.它利用双散射系统扩展质子束,利用程序控制的二进制射程调节器和搓板式调制器调节和调制质子射程,利用程序控制的多叶光阑和为每个患者特制的准直器进行束流准直.     

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.     

蒙特卡罗模拟单阻止柱双散射体质子束流扩展方法

束流扩展是研究质子治疗大体积深度肿瘤的基础,利用Monte Carlo多粒子模拟软件Fluka2006.3b.10,计算质子经过单阻止柱双散射体后束流横向分布特性,与相同条件下由Highland公式经解析计算相比较.结果表明:在束流分布均匀性大于95%的范围内,Fluka计算得到的质子通量小于由Highland公式经解析计算得到的结果,膜薄的条件下二者符合好于膜厚的条件.束流扩展半径随着两个散射膜厚度的增加而增大,束流利用率先增加后减小,最大值是16.9%.     

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.     

双束流负载效应

分析研究了双束流储存环上的束流负载效应.束团纵向尾场的作用分别为:能量损失、同步频移和耦合束不稳定性,这里只研究前两个方面.以来团连续分布的束团串情形和均匀分布情形为例,给出了同步相移、频移与高次模参数及高频腔分布的关系.研究结果有助于优化高频腔的工作模式(通过调节调谐杆的位置来改变高次模的频率)和环上束团的分布,以减小束流负载效应.当高频腔关于对撞点对称分布时,正负电子的束流负载效应相同,可以用补偿单束流负载效应的方法来补偿正负电子束团的相位.     

质子散射角分布的蒙特卡罗模拟

利用Monte Carlo模拟软件Fluka2006.3b.2,模拟计算质子经单膜散射后粒子角分布及能量分布.讨论质子束能量、散射体材料及厚度对散射角分布的影响.结果表明：薄的高原子序数材料适合做散射体. 关键词： 质子治疗 束流扩展 单膜散射法 散射角     

重离子加速器示范装置被动式束流配送系统次级中子特征的蒙特卡罗研究

在碳离子放射治疗中,碳离子束在剂量配送过程中会与束流输运线相互作用,形成以中子辐射为主的外辐射场.由于中子是高LET射线,具有较高的相对生物学效应,减少碳离子放疗中产生的次级中子有助于降低放疗后正常组织并发症几率及二次肿瘤风险.利用蒙特卡罗方法对保守情况(能量为400 MeV/u,多叶光栅完全闭合)下碳离子治疗被动式束...     

HIRFL装置主动式点扫描束流配送系统的Monte Carlo模拟优化

为获得适用于HIRFL 装置主动式点扫描束流配送系统配送的碳离子束,利用Monte Carlo (MC) 工具SHIELD-HIT12A 研究了配送距离和微型脊形过滤器结构周期对治疗室等中心处束斑半高宽(FWHM) 和剂量平坦度的影响。模拟研究发现:束流配送距离越短,束斑FWHM越小,但剂量平坦度越差;微型脊形滤器结构周期是影响剂量平坦度的关键因素,周期越小,剂量平坦度越好。通过模拟研究得出:在HIRFL装置重离子治疗终端将真空窗设置在距等中心距离小于125 cm 时,采用结构周期为2 mm微型脊形过滤器可以满足主动式点扫描照射对束斑FWHM和剂量平坦度的要求。To obtain carbon ion beams suitable for the active spot scanning beam delivery system at the Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL), the Monte Carlo program SHIELD-HIT12A was used to study the influences of beam delivery distance and structure period of mini ridge filter on full width at the half maximum (FWHM) of beam spot and dose flatness at the isocenter of the treatment room. The present simulation study shows that the shorter was the beam delivery distance, the smaller was the FWHM of beam spot, but the worse was the dose flatness. The structure period of mini ridge filter was a key factor to account for the dose flatness at the isocenter. The smaller was the structure period of mini ridge filter, the better was the dose flatness. Based on the simulation results, we conclude that 2 mm structure period for a mini ridge filter statisfies the requirements on the FWHM of beam spot and dose flatness at the isocenter for the active spot scanning beam delivery system at HIRFL when the distance between the vacuum window and the isocenter is set shorter than 125 cm in the nozzle.     

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。     

100 MeV强流质子回旋加速器束流调试靶系统

中国原子能科学研究院正在建造一台100 MeV,200 A的强流质子回旋加速器,需要使用束流调试靶来调试加速器,为此设计了一套束流功率为20 kW的质子束调试系统。对该系统的束流输运线、靶材料的选取、靶结构、水冷计算、屏蔽结构等作了介绍。给出了整条束流输运线的匹配计算结果;通过对质子打靶后的中子产额、角通量、靶的活化等方面的比较,最终选用铝作为靶材料;根据加速器引出束流能量和功率,设计了分层式靶结构,同时对靶进行了水冷计算;打靶产生的出射粒子平均能量较高,导致产生的辐射剂量很大,考虑到对环境与工作人员的影响及费用,需要对其进行局部屏蔽,给出了屏蔽计算结果及屏蔽结构的设计。     

A Proton Beam Delivery System for Conformal Therapyand Intensity Modulated Therapy

A scattering proton beam delivery system for conformal therapy and intensity modulated therapy is described. The beam is laterally spread out by a dual-ring doublescattering system and collimated by a program-controlled multileaf collimator and patientspecific fixed collimators. The proton range is adjusted and modulated by a programcontrolled binary filter and ridge filters.     

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.     

C-ADS中质子束窗散射效应和热力学计算

质子束窗是C-ADS中隔离加速器的真空环境与靶的非真空环境的重要部件。质子束窗材料及其冷却介质造成的束流散射效应是造成束流在靶外损失的主要因素,由于质子束窗中的高能量沉积和高辐照效应,束窗的热力学计算显得尤为重要。计算结果表明：当质子束窗和散裂靶距离为1.5 m时,通过选取合理的结构参数,多管道型质子束窗结构可以将靶外束流损失控制在1%以内。束窗中总的应力,包括由于温度升高造成的热应力、冷却剂的静压,以及束窗两侧加速器真空与外部非真空环境的压强差造成的应力,可以有效控制在所用材料的许用应力之内。并通过计算讨论给出C-ADS中质子束窗的初步设计参数。     

带有质量分析系统的强流质子束低能传输线研究

强流质子源与低能传输线（LEBT）是作为CIADS注入器的超导强流质子直线加速器的关键前端系统。目前LEBT采用双螺线管匹配结构设计,并安装有限制锥,但仍然不能避免少量H₂+和H₃+进入后端加速装置,这对直线加速器长期运行稳定性与可靠性会产生一定影响。为此,在LEBT加入分析磁铁对混合束（H+,H+2,H₃+）进行分离再注入后端加速器腔体,将是一个有效的方案。本研究对经过带有30度分析磁铁的LEBT的强流质子束的束流品质进行了模拟与实验测量。结果表明,分析磁铁高阶磁场的影响使经过分析磁铁的强流质子束束流品质变差,并且该影响随着束流包络的增大而增大。这些结果为CIADS注入器的低能传输线设计提供了参考依据。High current proton source and the low energy beam transport(LEBT) are the key front-end systems for CIADS injector:high current proton linac accelerator. CIADS injector's LEBT adopts double solenoid matching structure, using a limit cone which can partially avoid H₂+ and H₃+ which injecting into the back-end linac accelerator may impact the long-term stability and reliability of the whole system. It will be an effective method to separate the hybrid ions (H+, H₂+, H₃+) by adding a dipole magnet at LEBT. In this article, we simulated and mesasured the high current proton beam quality behind the LEBT with a 30 degree dipole. The results show that the the proton beam quality is significantly effected by high-order magnetic fields of the dipole magnet, and the effect increases with the increase of the beam envelope. The achieved result is useful for the LEBT design of CIADS injector.     

APTR质子同步加速器RFQ直线注入器的优化设计

为实现质子治疗装置的国产化和小型化,基于已完成安装调试的上海先进质子治疗装置（APTR）,开展质子治疗注入器系统的升级设计研究,利用PARMTEQM设计软件和快聚束策略,针对APTR同步加速器RFQ直线注入器进行动力学设计模拟。RFQ工作频率为325 MHz,流强18 mA,对从离子源引出的低能质子束流进行匹配俘获、横向聚焦、纵向聚束和预加速,引出能量为3.0 MeV。通过优化预注入器RFQ动力学设计方案和极头参数,有效避免参数共振,减小束流损失,使其整体传输效率达到98.0%,在水平和垂直方向上的发射度增长分别为1.2%和3.3%,出口束流满足下一级腔体的注入需求,开展设计模拟验证和相关冗余度分析,为质子同步加速器的治疗设备和直线注入系统提供参照依据。     

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.