软调制双散射质子治疗束流配送系统

质子治疗是一种新兴的放射治疗方法,它的主要优点是剂量分布特性优良,可以使高辐射剂量集中于肿瘤部位,减少对周围正常组织的损伤.这一优点的实现主要依靠束流配送系统,它包含质子能量调节与调制、束流扩展和准直等功能.现提出一种新的软调制双散射质子治疗束流配送系统.其特点是利用程序控制质子能量变化以改变质子在体内的射程从而展宽Bragg峰,同时利用两次散射获得较大面积的均匀照射野.它的优点是运行可靠、调节灵活,并特别有利于实现适形治疗.     

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     

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.     

发散型准直器限束孔应用于被动散射质子放疗可行性研究

被动散射质子放疗（Passive Scattering Proton Therapy,PSPT）是质子治疗的主要技术之一,束流通过准直器限束孔（Aperture）时因边缘散射效应导致患者体内剂量分布偏离理想状态。使用蒙特卡洛软件TOPAS（TOol for PArticle Simulation）对质子束流经过发散型与传统型准直器限束孔后进入水模体中的过程建模,分析两种准直器的边缘散射效应对剂量及中子能谱分布的影响,分别测试70,110,160,200,230,250 MeV能量下的质子束流,发现传统Aperture在70 MeV的质子束下边缘散射效应最明显,在距水箱表面0.5 cm深度处横向剂量曲线平坦度、均匀度分别达到4.63%,108.05%,随着深度增加边缘散射效应逐渐减弱,在布拉格峰位置处接近消失。使用发散型准直器限束孔后,在70 MeV下平坦度、均匀度分别降至1.28%,101.31%,对于100,160,200 MeV质子束均有不同程度改善。对于能量接近250 MeV的质子束,发散型准直器限束孔设置下横向剂量曲线并无优势。边缘散射效应导致的剂量不均随水深增加而减弱,对于各个能量质子,使用发散型准直器限束孔后次级中子减少。研究结果表明,发散型准直器限束孔应用于PSPT效果显著,为进一步应用于临床提供数据支撑。Passive Scattering Proton Therapy (PSPT) is one of the main technologies for proton radiation therapy. The dose distribution in the patient deviates from the ideal state due to the edge scattering effect when the beam passes through the aperture. In this paper, TOPAS, a Monte Carlo software, was used to simulate the passive scattering treatment head. The influence of the edge scattering effect of the two aperture sets on the dose distribution was compared. The proton beam at 70, 110, 160, 200, 230 and 250 MeV was tested respectively. We found that the scattering effect of the conventional aperture is most obvious at 70 MeV, and the flatness and hetergeneity of the lateral dose curve at the inlet of 0.5 cm of the tank reach 4.63%, 108.05%, respectively. The dose shift caused by the edge scattering effect decreases with increasing water depth and disappears at the Bragg peak. After using the divergent aperture, the flatness and uniformity at 70 MeV are reduced to 1.28% and 101.31%, respectively, and the 100, 160, and 200 MeV proton beams are improved in different extents. For a proton beam with an energy close to 250 MeV, there is no advantage in the lateral dose curve of the divergent aperture. For all energy protons, the secondary neutrons are reduced with divergent aperture. The results show that the divergent aperture is effective for PSPT and this study provides data support for further application in clinical practice.     

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。     

低能质子环束流与等离子体相互作用过程的一维混合模拟研究

运用一维混合模拟方法, 研究了垂直于等离子体磁场入射的低能质子环束流与等离子体的相互作用过程. 结果显示: 由质子环束流激发的等离子体波首先经历指数式快速增长的线性阶段, 随后出现饱和、衰减和相对稳定的非线性阶段. 在线性阶段, 质子束投掷角散射使波模共振作用迅速减弱, 波的增长很快出现饱和. 随后, 持续的投掷角散射, 使入射质子在速度空间从环状分布渐变为均匀分布, 同时初始阶段的右手共振不稳定性逐渐消失, 在最后相对稳定阶段只存在阿尔芬波. 研究发现, 背景等离子体的有效加热始于非线性阶段, 等离子体波的形成有助于将质子束动能转换为背景等离子体的热能.     

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。     

高能质子照相中基于角度准直器设计的理论研究

角度准直器在高能质子照相中有着重要作用,既可以利用准直器提高图像对比度,又能通过二次成像实现材料诊断及密度重建,因此减小通过准直器后通量值的误差具有重要意义.本文通过理论分析,提出了一种高能质子照相中准直器设计的方法,通过Geant4程序建立了1.6 GeV的质子成像系统,该系统分别使用理想准直器、拉伸型准直器和利用该方法设计的准直器,并对比通过客体后的通量分布.结果表明,在使用理想准直器和该方法设计的角度准直器时,二者得到的客体的通量分布符合较好,而使用拉伸型准直器时,与使用理想准直器得到的结果相差较大.因此利用理想准直器方法设计的准直器可以很好地减小通量误差.     

合肥光源利用电阻分流法的基于束流准直系统的研制

 介绍了合肥光源基于束流准直系统的研制,该系统利用可开关的电阻分流法构成,并采用固态继电器进行四极铁分流控制。利用该系统可以测量束流位置检测器的电中心相对相邻四极铁磁中心的位置偏移。给出了合肥光源基于束流准直系统的一些测量结果。     

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.     

治癌离子同步加速器的物理设计

根据国际放射疗法的现状和发展, 为了进一步提升国内的肿瘤放射疗法, 研究设计了1台由两个完全相同的超周期组成的治癌专用离子同步加速器, 包括LATTICE、多圈注入系统、RF加速及三阶共振慢引出系统. 该加速器可以把质子加速到250MeV及碳离子加速到400MeV/u.     

基于自适应遗传算法的质子调强放疗扫描路径优化

研究和开发了基于自适应遗传算法的质子调强放疗扫描路径优化方法,并在此基础上对质子调强放疗扫描时间进行初步临床评估。利用自适应遗传算法具有的较强容错性和全空间最优搜索能力开发点扫描质子调强路径优化模块,并将其集成到自主研发的放疗计划系统,选取AAPM TG-119头颈部肿瘤和前列腺肿瘤模拟例题及两例临床病例进行测试,对比扫描路径优化前后质子放疗计划扫描路径长度。对于AAPMTG-119头颈部肿瘤和前列腺肿瘤模拟例题,总扫描路径长度分别降低了27.17%和18.72%,临床头颈部肿瘤和前列腺肿瘤病例总扫描路径长度分别降低了25.36%和32.95%,优化前后路径长度降低比率与零权重扫描点及肿瘤解剖结构有关。基于自适应遗传算法的扫描路径优化方法可减少质子调强放疗计划扫描时间,从而缩短病人治疗时间,可广泛应用于质子重扫描临床技术。The objective of this research is to study and develop a proton spot scanning path optimization method using an improved genetic algorithm for proton therapy and to evaluate the scanning time under clinical conditions. An Improved Adaptive Genetic Algorithm (IAGA) based scanning path optimization module was developed and integrated into the home-grown treatment planning system. Four cases, including two AAPM TG-119 standard cases and two clinical cases, were selected to compare their scanning path length before and after scanning path optimization. For the two AAPM TG-119 cases, the optimized scanning path length dropped by 27.17% and 18.72%, and for the corresponding clinical cases, the optimized scanning path length dropped by 25.36% and 32.95% respectively. The performance of scanning path optimization was affected by the number of zero-weight spots and connected regions in the scanning map. IAGA based scanning path optimization can reduce the total scanning path length in intensity modulated proton therapy and, therefore, can be used in spot rescanning to accommodate organ motion.     

医用质子直线加速器的设计研究

讨论用于治癌的低束流高能量质子直线加速器的初步物理设计.采用短脉冲和高重复频率的S波段的加速结构,类似于医用电子直线加速器.总长26m,由离子源、RFQ、DTL、SCDTL及SCL组成,能量经70—200MeV有八档可调,平均束流强度10—40nA.     

HIRFL的辐照治癌终端

为了进行重离子束流的肿瘤治疗和生物效应的研究,HIRFL正在建造一个辐照治癌终端.主要介绍了该终端的束流制备方法和束流线的布局、性能参数和束流光学设计计算结果. A new experimental terminal is being constructed at HIRFL for research program of proton and heavy ion therapies and irradiation effects of living things . The beam preparation method and the layout, performance and beam optics calculation of the beam line are presented.     

弧形调强放射治疗对剂量计算方法的要求

在弧形调强放射治疗的治疗计划设计中, 由于包含有很多照射方向, 调强最优化的射束元矩阵计算需要很大的计算量和存储量, 为提高计算效率常使用简化剂量计算模型计算射束元矩阵, 因此有必要研究简化模型对治疗计划质量产生影响。 对一个模拟例子和一个临床实例, 使用没考虑散射效应的原射线剂量计算模型计算射束元矩阵, 由此进行最优化计算。 在得到最优化强度分布后, 通过比较原射线剂量计算模型和微分卷积剂量计算模型得到的剂量分布, 研究了不同射束数目条件下, 使用简化剂量计算模型计算射束元剂量矩阵对最终的剂量分布质量的影响。 结果表明, 在射线束很多的情况下(对应弧形调强照射）, 用简化的剂量计算模型, 即不考虑散射来计算射束元剂量矩阵, 会导致靶区剂量分布的质量大大低于预期的剂量分布质量, 因此, 弧形调强放射治疗的最优化计算中, 有效考虑散射的影响是必要的。 In the treatment planning for arc intensity modulated radiation therapy, because many irradiation directions are involved, the computing time and storage space needed for calculating beamlet dose matrices in optimization is quite heavy. In order to improve the computation efficiency, the simplified dose calculation is often used for the calculation of the dose matrices. Thus, it is deserved to study how this simplification could influence the quality of the treatment plan. In this paper, a simulation and a clinical case are adopted. Using the primary dose calculation model without taking into account the scattering effect to generate the dose matrices of beamlets, the optimization for beam intensity profile are firstly carried out. Then, based on the obtained intensity profile, the dose distributions are recalculated by using the primary dose calculation model and the differential convolution superposition dose calculation model which is more accurate but more time consuming. By comparing dose distributions obtained by this two models, the influence of using simplified model for dose matrix calculation on beam profile optimization is studied. The results demonstrate that when the beam number is large(corresponding to the arc modulated radiation), using the simplified model for the calculation of dose matrix of beamlets will reduce the quality of dose distribution greatly comparing with the expected dose distribution quality. Thus it is very necessary to correctly take into account the scattering effect in beam profile optimization for the arc intensity modulated radiation therapy.     

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.