CN110412639B - 基于纳剂量学获得离子束辐照方案的方法 - Google Patents

基于纳剂量学获得离子束辐照方案的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110412639B
CN110412639B CN201910687821.XA CN201910687821A CN110412639B CN 110412639 B CN110412639 B CN 110412639B CN 201910687821 A CN201910687821 A CN 201910687821A CN 110412639 B CN110412639 B CN 110412639B
Authority
CN
China
Prior art keywords
ion beam
radiation effect
nano
irradiation
calibration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910687821.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN110412639A (zh
Inventor
戴天缘
李强
陈卫强
刘新国
戴中颖
贺鹏博
马圆圆
申国盛
张晖
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Modern Physics of CAS
Original Assignee
Institute of Modern Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Modern Physics of CAS filed Critical Institute of Modern Physics of CAS
Priority to CN201910687821.XA priority Critical patent/CN110412639B/zh
Publication of CN110412639A publication Critical patent/CN110412639A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110412639B publication Critical patent/CN110412639B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/02—Dosimeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T7/00—Details of radiation-measuring instruments

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Radiation-Therapy Devices (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于纳剂量学获得离子束辐照方案的方法，该方法包括以下步骤：在标定条件下，同时获取标定的纳米剂量学量并量化辐射效应；确定辐射效应参数；计算相应的纳剂量学量，应用辐射效应参数，优化辐照方案。本发明还包括验证已有离子束辐照方案是否需要调整的方法以及实施根据本发明获得的离子束辐照方案的主动式束流配送装置和被动式束流配送装置。

Description

基于纳剂量学获得离子束辐照方案的方法
技术领域
本发明属于辐射应用领域，具体地涉及一种基于纳剂量学获得离子束辐照方案的方法以及通过该方法来验证已有辐照方案的方法。本发明还涉及用于实施通过本发明的基于纳剂量学获得离子束辐照方案的方法获得的离子束辐照方案的被动式束流配送装置和主动式束流配送装置。
背景技术
离子束(下文中有时也称之为束流)是指由带电粒子(包括质子、重离子等)构成的高能离子束流。离子束通常可以通过可以产生并形成离子束的加速装置人工制备。此外，自然界(尤其是外太空)中亦存在各类离子束射线。由于离子束特殊的物理学性质，其在材料科学，生物医学，农业等领域具有重要的应用前景。此外，在航空航天领域，太空离子束射线对宇航器以及航天员的影响亦是极为重要的。
与X，γ以及电子射线不同的是，不同能量的离子束，或某一能量离子束在材料中的不同深度处的辐射品质(即辐射授予物质的能量在微观空间内的分布，通常以传能线密度(LET)来表征)差别较大，这一差别会造成其产生的辐射效应的不同。以初始能量为330MeV/u的碳离子束为例，其辐射品质随深度的增加而增大，在2cm水等效深度处的相对生物学效应(RBE)(以人类唾液腺肿瘤HSG细胞10％存活为生物学终点)仅为在20cm水等效深度处相对生物学效应的约1/3。不同能量离子束或离子束在材料中不同深度处的辐射品质的变化，一直以来制约着离子束在各领域的应用。而另一方面，用实验手段获取不同类型离子、不同能量、不同剂量、不同材料等条件下的辐射效应几乎是不可能实现的。为解决这一问题，一系列解决方案被提出。如在离子束肿瘤治疗领域，Kanai等人提出的基于LET的辐照方案设计方法(T.Kanai,et al.(1997)Irradiation of mixed beam and design ofspread-out Bragg peak for heavy-ion radiotherapy.Radiation Research 147(1):78)认为，离子束辐射效应参数是LET的函数，进而进行相应的辐照方案设计。然而，实验已经证明，对于不同种类的离子束，即使LET相同，其辐射效应也是不同的。因此Kanai等人的模型在应用过程中受到了较大的限制。另一方面，Kase等人还提出了基于微剂量学的微剂量动力学模型(MKM)，该模型在一定程度上可以从离子束在微米尺度能量沉积的规律出发计算相应的辐射效应，进而进行辐照方案设计及有效剂量的计算。但由于该理论基本假设的限制，当辐射场的辐射品质发生变化时，该模型计算的部分辐射效应参数并不随之变化，使得该模型在高剂量率，大剂量照射等条件下不能得到较准确的辐照方案设计及有效剂量计算结果。此外，Scholz等人还提出了局部效应模型(LEM)，然而该模型存在仅采用了近似的离子束径迹结构进行相关计算，辐射损伤相互作用发生在微米尺度等问题，从而计算结果在某些情况下与实际差别较大。此外，由于该方法必须在已知辐射场的辐射成分的前提下才能进行应用，因而在未知辐射场中并不能加以应用。又如在辐射防护领域，为区别不同辐射品质射线，常引入辐射权重因子等参数，然而这些参数并不适用于精确度要求较高的情形。到目前为止，已知的离子束辐射效应计算方法不能满足在较宽辐射品质范围上实现较精确的离子束辐照方案设计及验证。
因此，需要对离子束辐射效应进行精确评估的方法，从而从本质上揭示离子束辐射效应并进行相关辐照方案设计，有助于拓展离子束的应用。
发明内容
为解决现有技术中的上述问题，本发明引入纳剂量学，以更低维度物理量为基础建立了一种获得离子束辐照方案的方法，在更精细的尺度上评估离子束的辐射效应。
因此，在第一个方面，本发明提供了一种基于纳剂量学获得离子束辐照方案的方法(在下文中，有时简称为“本发明的方法”)，所述方法包括以下步骤：
1)选取标定条件并获取标定用纳剂量学量：设定离子束辐照受照材料的应用场景，选取适合所述应用场景的标定条件和辐射效应量化指标，然后在标定条件下获取标定用纳剂量学量及其对应的辐射效应量化指标的具体数值，所述标定用纳剂量学量包括通过下列步骤得到的物理量；
A.获得所述离子束的电离簇尺寸概率密度分布P(v|Q)，优选通过公式(1)计算得到归一化的电离簇尺寸概率密度分布：
Figure BDA0002146921770000021
其中，Q为所述离子的辐射品质(在本发明中，辐射品质优选是LET)，v为电离簇尺寸；
B.通过公式(2)计算获得电离簇尺寸概率密度分布的一阶矩M1(Q)：
Figure BDA0002146921770000022
C.通过公式(3)计算获得电离簇尺寸v≥2的累积概率F2(Q)：
Figure BDA0002146921770000023
D.通过公式(4)计算获得电离簇尺寸概率密度分布的一个子集，即电离簇尺寸v≥2的情况的条件概率分布
Figure BDA0002146921770000031
Figure BDA0002146921770000032
E.通过公式(5)计算获得条件概率密度分布的一阶矩
Figure BDA0002146921770000033
Figure BDA0002146921770000034
2)获得步骤1)中所标定的所述应用场景下的辐射效应参数数值：利用步骤1)中获得的标定用纳剂量学量及其对应的辐射效应量化指标的具体数值，应用下面的公式(6)-(7)建立辐射效应量化指标与吸收剂量间的关系：
Figure BDA0002146921770000035
其中
Figure BDA0002146921770000036
采用罗杰斯蒂函数形式，即：
Figure BDA0002146921770000037
其中，L为所述离子束在受照材料中的辐射效应量化指标的数值，D(单位为Gy)为物理吸收剂量。ρ(单位为kg/m3)为受照材料的密度V(单位为m3)为受照材料的体积，ω(单位为J)为受照材料的平均电离功，Ps→l、k、r以及m0为辐射效应的四个自由参数，所述四个自由参数的数值根据步骤1)中所得到的离子束辐射效应量化指标及其对应标定条件下的所述标定用纳剂量学量通过最小二乘法得到；
3)获取用于实施辐照方案的离子束的纳剂量学量：在完成步骤1)和2)的步骤后，获得所述用于实施辐照方案的离子束的电离簇尺寸概率密度分布P(v|Q)，再结合公式(1)-(5)计算所述用于实施辐照方案的离子束的对应于指定的辐射靶区深度处的纳剂量学量；
4)获得离子束辐照方案：根据所述设定的应用场景，指定所需的对受照材料的辐照目标，根据步骤3)中获取的所述用于实施辐照方案的离子束的纳剂量学量以及通过步骤2)标定得到的所述辐射效应参数，结合公式(6)和(7)确定符合所述辐照目标的辐射效应，得到相应的离子束辐照方案。
在本发明中，应用场景包括，但不限于，离子束肿瘤放射治疗的治疗计划设计、光电半导体材料辐射效应评估、以及空间辐射效应的评估等。根据所应用的场景，受照材料可以包括，但不限于，生物样品、动物体(包括哺乳动物，特别是灵长类动物，尤其是人)、无机材料，有机材料等。
在本发明中可以使用的离子束包括，但不限于质子束和重离子束(包括原子序数大于等于2的核素对应的离子束，特别是碳离子束)。
在本发明中，所述标定条件可以为LET，其取值范围根据应用场景的不同而发生变化，例如，在离子治疗的场景下，其范围可以为0-1000keV/μm(不包括0)，或该范围内的各个子范围和具体数值，例如，0-500keV/μm(不包括0)，10-200keV/μm(不包括0)，等等。在航空航天应用的场景下其范围可以为0-10000keV/μm(不包括0)或更高，或者本领域中常用的该范围内的各个子范围和具体数值。
在本发明中，电离簇尺寸概率密度分布P(v|Q)可以通过本领域中公知的纳剂量计(例如文献“Garty G,Shchemelinin S,Breskin A,Chechik R,Assaf G,Orion I,Bashkirov V,Schulte R,Grosswendt B(2002)The performance of a novel ion-counting nanodosimeter.Nuclear Instruments&Methods in Physics ResearchSection a-Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 492,(1-2):212-235.”中所述的纳剂量计)依次测量离子束中所包含的各个带电离子在一个纳米体积元中发生的电离数目而得到，或可以通过径迹结构蒙特卡罗模拟(如“Ramos-MendezJA,Burigo LN,Schulte RW,Chuang C,Faddegon B(2018)Fast calculation ofnanodosimetric quantities in treatment planning of proton and iontherapy.Physics in Medicine and Biology.63:235015(14pp).”中所述的方法)计算得到。
在本发明中，对受照材料的辐射效应具体是指离子束在受照材料中指定的辐射靶区深度处的辐射效应，其量化指标的具体数值可以根据所选择的应用场景通过实验测量指定的辐射靶区深度来获得，搜索文献或相关数据库来确定。例如，对于离子束治疗的场景，辐射效应可以不同水等效深度处的细胞存活率为辐射效应的量化指标。该量化指标的具体数值可以通过实验测定或搜索文献或相关数据库来确定(实验方法及相关数据可参见，Furusawa Y,Fukutsu K,Aoki M,Itsukaichi H,Eguchi-Kasai K,Ohara H,Yatagai F,Kanai T,Ando K(2000)Inactivation of Aerobic and Hypoxic Cells from ThreeDifferent Cell Lines by Accelerated 3He-,12C-and 20Ne-Ion Beams.RadiationResearch154(5):485-496.)。又如在空间辐射生物效应的应用场景中，辐射效应可以DNA链断裂的数目为量化指标。该量化指标可通过已知的实验方法(Garty G,Schulte R,Shchemelinin S,Leloup C,Assaf G,Breskin A,Chechik R,Bashkirov V,Milligan J,Grosswendt B(2010)A nanodosimetric model of radiation-induced clustered DNAdamage yields.Physics in Medicine&Biology 55(3):761-781.)测量。
在本发明中，离子束辐照方案是指根据辐照目标所制定的辐照实施方法及过程。例如，实施例1和图3说明了获得及实施质子束和碳离子束的辐照方案的实例。
在一个优选的实施方案中，本发明的方法还包括在被动式束流配送装置上实施通过本发明的方法获得的离子束辐照方案的步骤。
在本发明中，所述被动式束流配送装置可以采用本领域中已知的类似装置，包括，但不限于，脊形过滤器(例如，Kanai T,Furusawa Y,Fukutsu K,Itsukaichi H,Eguchi-Kasai K,Ohara H(1997)Irradiation of Mixed Beam and Design of Spread-Out BraggPeak for Heavy-Ion Radiotherap.Radiation Research.147:78中所述的装置)，旋转降能装置(例如，中国专利申请号CN 200710018043.2中所述的装置)等。离子束通过被动式束流配送装置后将被调制成射程不同的一系列离子束，从而相互叠加形成展宽的Bragg峰，进而实现对辐射靶区的照射。
在另一个优选的实施方案中，本发明的方法还包括在主动式束流配送装置上实施通过本发明的方法获得的离子束辐照方案的步骤。
在本发明中，所述主动式束流配送装置可以采用本领域中已知的类似装置，包括，但不限于，点扫描束流配送装置(例如，Kanai T,Kawachi K,Kumamoto Y,et al.Spotscanning system for proton radiotherapy.Medical Physics,1980,7(4):365-369中所述的装置)，删扫描束流配送装置(例如，Furukawa T,Inaniwa T,Sato S,et al.Designstudy of a raster scanning system for moving target irradiation in heavy-ionradiotherapy.Medical Physics,2007,34(3):1085中所述的装置)等。
在第二个方面，本发明提供了一种验证已有离子束辐照方案是否需要调整的方法(下文中有时简称为“本发明的验证方法”)，所述方法包括：
1)根据已有离子束辐照方案所针对的应用场景，选取适合所述应用场景的标定条件和辐射效应量化指标；
2)执行上述本发明的获得离子束辐照方案的方法的步骤1)和步骤2)根据所选取的标定条件获取标定用纳剂量学量，并结合公式(6)、(7)和所述辐射效应参数对辐射效应量化；
3)执行上述本发明的获得离子束辐照方案的方法的步骤1)和步骤2)获取与所述已有离子束辐照方案相关的纳剂量学量，并结合公式(6)、(7)和辐射效应参数对辐射效应量化；
4)将步骤3)获得的量化的辐射效应与步骤2)获得的量化的辐射效应进行比较，如果满足预定的辐照目标，则所述已有离子束辐照方案不需要调整，如果不满足，则需要进行调整。
在第三个方面，本发明提供了一种被动式束流配送装置，所述装置包括：工控机、离子束加速装置、离子束引出装置、脊形过滤器或旋转降能装置，其中所述工控机包括中央处理单元，所述中央处理单元能够执行本发明的方法的步骤1)-步骤4)以获得离子束辐照方案并生成包含所述离子束辐照方案的控制信号，并将所述控制信号发送至所述离子束加速装置、所述离子束引出装置、所述脊形过滤器或旋转降能装置从而按照所述离子束辐照方案辐照靶区。
可以理解的是，本发明的被动式束流配送装置可以参照现有技术(例如，Kanai T,Furusawa Y,Fukutsu K,Itsukaichi H,Eguchi-Kasai K,Ohara H(1997)Irradiation ofMixed Beam and Design of Spread-Out Bragg Peak for Heavy-IonRadiotherap.Radiation Research.147:78和中国专利申请号CN 200710018043.2)进行配置。
在第四个方面，本发明提供了主动式束流配送装置，所述装置包括：工控机、离子束引出装置、引出能量可变的离子束加速装置、Bragg峰微小展宽装置、离子束剂量监测装置和扫描磁铁，其中所述工控机包括中央处理单元，所述中央处理单元能够执行本发明的方法的步骤1)-步骤4)以获得离子束辐照方案并生成包含所述离子束辐照方案的控制信号，并将所述控制信号发送至所述离子束引出装置、所述引出能量可变的离子束加速装置、所述Bragg峰微小展宽装置、所述离子束剂量监测装置和扫描磁铁从而按照所述离子束辐照方案辐照靶区。
可以理解的是，本发明的主动式束流配送装置可以参照现有技术(例如，Kanai T,Kawachi K,Kumamoto Y,et al.Spot scanning system for proton radiotherapy[J].Medical Physics,1980,7(4):365-369或Furukawa T,Inaniwa T,Sato S,et al.Designstudy of a raster scanning system for moving target irradiation in heavy-ionradiotherapy.Medical Physics.2007,34(3):1085.等)配置。
可以理解的是，在本发明中，工控机可以采用本领域中任何具有计算、分析、数据处理和控制功能(安装有本领域中常用的相应计算分析软件并配置有控制器)的工业控制计算机(系统)。本发明的方法和本发明的验证方法均可以通过编程以软件程序的形式存储在工控机中由中央处理器来执行。
本发明的有益效果：
本发明解决了现有技术无法从微观物理本质上揭示离子束辐射效应，进而获得辐照方案及验证的问题，不仅提高了离子束辐射效应评估，还提升了辐照方案设计及验证的可靠性，并且还拓展了现有技术的应用范围。
本质上，不同能量的离子束以及某一能量离子束在材料中不同深度处产生的辐射效应不同的根本原因在于其径迹结构(通常在纳米尺度进行描述)的不同。因此，为实现以更低维度物理量为基础的离子束辐照方案设计以及验证方法，本发明引入纳剂量学，从而从更加精细的尺度上评估离子束的辐射品质，建立获得离子束辐照方案的方法及验证方法，进而提高离子束辐射效应评估，提升辐照方案设计及验证的可靠性。
总体来说，本发明可以实现用离子束对辐射靶区的辐照方案设计，以达到预期的效应。同时，本发明还可以实现对已有辐照方案的验证。本发明可应用的领域包括：离子束肿瘤放射治疗的计划设计与验证，光电半导体等材料辐射效应的评估以及空间辐射效应的评估等。
附图说明
下面结合附图描述本发明的优选实施方案，本领域技术人员要理解的是下面结合附图所述的实施方案或实施例仅用于说明实现本发明的最佳实施方式，而非将本发明的范围限于这些实施方案。
图1图示了本发明的基于纳剂量学获得离子束辐照方案的方法的一个实施方案的流程图。
图2图示了实施例2中根据本发明的方法以HSG细胞10％细胞存活率为生物学终点的相对生物学效应(RBE)为基准获得的标定结果。
图3图示了实施例1中按照图1所示的方法流程以HSG细胞10％细胞存活率为生物学终点的相对生物学效应(RBE)为基准所获得的辐照方案。
图4图示了本发明的验证已有离子束辐照方案的方法的一个实施方案的流程图。
图5图示了实施例中采用本发明的验证方法对已有辐照方案的验证结果。
图6图示了本发明的被动式束流配送装置的一个实施方案的工作原理示意图。
图7图示了本发明的主动式束流配送装置的一个实施方案的工作原理示意图。
具体实施方式
下面借助于实施例对本发明进行解释和说明，要理解的是本发明可以在下述实施例的基础上作出各种改进和变化，这些改进和变化都包括在本发明的范围之内。实施例中未注明具体条件的，按照常规条件进行。
实施例1
在本实施例中，将以初始能量为175MeV质子束和初始能量为330MeV/u的碳离子束为例，在一定水等效深度处实现沿束流方向6cm范围内的HSG细胞10％预期存活为辐照效应采用本发明的方法获得相应的辐照方案。
图1是根据本发明的基于纳剂量学获得离子束辐照方案的方法的一个实施方案的流程示意图。
首先，在步骤S11，根据本实施例的应用场景，选取标定条件和辐射效应。在本实施例中，标定条件为LET(22.5keV/μm-483keV/μm)；辐射效应以碳离子束不同水等效深度处HSG的细胞存活率作为辐射效应的量化指标(参见Furusawa Y,Fukutsu K,Aoki M,Itsukaichi H,Eguchi-Kasai K,Ohara H,Yatagai F,Kanai T,Ando K(2000)Inactivation of Aerobic and Hypoxic Cells from Three Different Cell Lines byAccelerated 3He-,12C-and 20Ne-Ion Beams.Radiation Research.154(5):485-496.)。
在步骤S12，在步骤S11中确定的标定条件下，同时进行纳剂量学量的获取和辐射效应的量化。在本实施例中，为简化试验过程，纳剂量学量的获取采用蒙特卡洛模拟软件来计算。具体来说，应用由“International OpenGATE collaboration”提供的基于Geant4(v10.3)内核的蒙特卡洛模拟软件Gate(v8.0)计算质子束和碳离子束不同水等效深度处的次级粒子产额，然后根据次级粒子产额计算相应位置处的纳剂量学量(计算方法可参见，例如，Ramos-Mendez JA,Burigo LN,Schulte RW,Chuang C,Faddegon B(2018)Fastcalculation of nanodosimetric quantities in treatment planning of proton andion therapy.Physics in Medicine and Biology.63:235015(14pp).)。
在步骤S13，应用上述公式(6)和(7)进行纳剂量学量与辐射效应间的标定，应用最小二乘算法得到最优的HSG细胞的辐射效应参数。
本实施例中辐射效应参数的标定结果为：Ps→l＝2.0×10-11，k＝9.3×10-5,r＝3.602，m0＝3.296。
在步骤S14，根据公式(1)-(5)计算所述碳离子束的对应于指定的辐射靶区深度处纳剂量学量，应用在步骤S13获得的辐射效应参数，结合公式(6)和(7)确定符合所需的辐照目标的辐射效应并优化相应的辐照方案。在步骤S15，获得最终的辐照方案。
在本实施例中，辐照目标被指定为沿束流方向6cm范围内的HSG细胞10％预期存活。基于该标定结果，应用公式(6)对相应水等效深度处的辐射效应进行量化，公式(6)中V＝5.23·10-16m3，ρ＝103kg/m3，ω＝5.28·10-18，从而优化得到符合预期辐照目标的辐照方案。
如图3所示，将本实施例得到的辐照方案按照图中物理剂量(虚线)给予照射，所对应的生物有效剂量(即物理吸收剂量与RBE的乘积)，即可实现预期的辐射效应，即在140mm-200mm水等效深度处实现对HSG细胞10％预期存活的照射。
实施例2
在本实施例中，验证根据本发明的方法获得的离子束辐射效应计算结果与辐射细胞生物实验数据的吻合度。
本实施例中以HSG细胞10％细胞存活为生物学终点，以X射线为参考辐射，计算LET不同的碳离子束的RBE数值。RBE的计算公式如下：
RBE＝DX射线/D碳离子 (8)
其中DX射线和D碳离子分别为使HSG细胞存活率达到10％所需的X射线吸收剂量和具有相应LET数值的碳离子束的吸收剂量。DX射线＝4.08Gy(参照Furusawa Y,Fukutsu K,Aoki M,Itsukaichi H,Eguchi-Kasai K,Ohara H,Yatagai F,Kanai T,Ando K(2000)Inactivation of Aerobic and Hypoxic Cells from Three Different Cell Lines byAccelerated3He-,12C-and 20Ne-Ion Beams.Radiation Research.154(5):485-496.)。D碳离子的计算方法如下：应用实施例1中标定得到的辐射效应参数即Ps→l＝2.0×10-11，k＝9.3×10-5,r＝3.602，m0＝3.296，取单个细胞平均辐射损伤数目为辐射效应量化指标L，L与细胞存活S的关系为：
L＝-lnS＝-ln(10％)＝2.3 (9)
连同通过精确的径迹结构蒙特卡罗模拟结合公式(1)-(5)计算得到的具有不同LET数值的碳离子束的相关纳剂量学量带入公式(6)即可计算得到D碳离子的具体数值。从而可以根据公式(8)计算具有LET数值的碳离子束的RBE数值，结果如图2实线所示。图2中的空心圆圈显示的是辐射细胞生物实验数据(参照Furusawa Y,Fukutsu K,Aoki M,ItsukaichiH,Eguchi-Kasai K,Ohara H,Yatagai F,Kanai T,Ando K(2000)Inactivation ofAerobic and Hypoxic Cells from Three Different Cell Lines by Accelerated3He-,12C-and20Ne-Ion Beams.Radiation Research.154(5):485-496.)。从图2中可以看出，通过本发明的方法计算所得的辐射效应结果在较宽的LET范围内与实验数据相吻合，因此可以在实际辐照前可以对已有辐照方案加以验证，其验证结果作为实际辐照的参考。
实施例3
在本实施例中，测试本发明的验证方法。
在本实施例中，将对应用Kanai等人的方法(T K,Y F,K F(1997)Irradiation ofmixed beam and design of spread-out Bragg peak for heavy-ionradiotherapy.Radiation Research.147(1):78)得到的一个可以应用初始能量为260MeV/u的碳离子束实现在一定水等效深度处沿束流方向6cm范围内的HSG细胞10％预期存活的已有辐照方案进行验证。
图4是本发明的验证方法的一个实施方案的流程示意图。如图4中所示，在步骤S21，选取标定条件；在步骤S22，在标定条件下，同时进行纳剂量学的获取和辐射效应量化；在步骤S23，根据公式(6)和(7)确定辐射效应参数。
在本实施例中，首先选取标定条件并进行辐射效应的量化，标定方法同实施例1，标定得到的辐射效应参数依然为Ps→l＝2.0×10-11，k＝9.3×10-5,r＝3.602，m0＝3.296。
在步骤S24中，根据已有辐照方案，应用辐射效应参数结合公式(6)对辐射效应量化；在步骤S25中，将步骤S24中获得的量化的辐射效应与步骤S22获得的量化的辐射效应进行比较从而获得验证结果。
具体在本实施例中，在基于Geant4的蒙特卡洛模拟中对该辐照方案进行构建，从而可以计算得到不同水等效深度处的次级粒子产额，然后根据公知方法(例如，Ramos-Mendez JA,Burigo LN,Schulte RW,Chuang C,Faddegon B(2018)Fast calculation ofnanodosimetric quantities in treatment planning of proton and iontherapy.Physics in Medicine and Biology.63:235015(14pp).)计算相应位置处的纳剂量学量。最后，结合标定结果和上述公式(6)计算相应水等效深度处的辐射效应，然后与Kanai等人提出方法的计算结果对比，即可实现对该辐照方案的验证。验证结果如图5所示。从图5中再次可以看出，本方法的辐射效应计算结果与实验结果符合较好。本次验证提示已有辐照方案在辐照靶区部分区域(如60mm-80mm)未达到目标辐照效应，本验证结果可供实际辐照参考。
实施例4
在本实施例中，举例说明了本发明的被动式束流配送装置的工作原理。
图6显示了本发明的被动式束流配送装置的一个实施方案的工作原理示意图。从图6中可见，被动式束流配送装置可以包括工控机14、离子束加速装置11、离子束引出装置12、脊形过滤器或旋转降能装置15等部件。图6图示了如何通过本发明的被动式束流配送装置实施根据本发明的方法获得的辐照方案，如图6所示，在工控机14中获得辐照方案后，工控机14向离子束加速装置11、离子束引出装置12和脊形过滤器或旋转降能装置15等发送控制信号18，从而控制从离子束加速装置11引出的离子束具有相同的能量和相同的射程13。离子束通过脊形过滤器或旋转降能装置15时，在脊形过滤器或旋转降能装置15上根据工控机14发送的控制信号18中所包含的辐照方案设置具有不同厚度和不同宽度的降能材料，可以实现将从离子束引出装置12引出的具有相同能量和射程的离子束调制成权重比例符合辐照方案的射程不同的一系列离子束16，从而相互叠加形成展宽的Bragg峰17，进而实现对辐射靶区的照射。
实施例5
在本实施例中，举例说明了本发明的主动式束流配送装置的工作原理。
图7显示了本发明的主动式束流装置的一个实施方案的工作原理示意图。从图7中可见，主动式束流配送装置包括工控机25、引出能量可变的离子束加速装置21、离子束引出装置22、Bragg峰微小展宽装置23、扫描磁铁24、离子束剂量监测装置26等部件。
图7图示了本发明的主动式束流装置如何通过本发明的主动式束流配送装置实施根据本发明的方法获得的辐照方案，与被动式束流配送装置不同，在工控机25中获得辐照方案后，工控机25向引出能量可变的离子束加速装置21、离子束引出装置22、Bragg峰微小展宽装置23和扫描磁铁24等发送控制信号29，从而控制引出能量可变的离子束加速装置21按照控制信号29中所包含的辐照方案产生不同能量不同数目占比的离子束，这些不同能量不同数目占比的离子束28被离子束引出装置22引出后，通过Bragg峰微小展宽装置23进行微小的纵向展宽，被扫描磁铁24按照辐照方案调制偏转方向，从而实现对离子束辐射靶区27不同深度处具有一定厚度的层进行照射，从而实现对整个辐射靶区27进行预期效应的照射。
虽然已经举例说明和描述了本发明的具体实施方案，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明实质和范围的情况下可以做出多种其他改变和变型。因此，在随附的权利要求书中包括属于本发明范围内的所有这些改变和变型。

Claims (12)

1.一种基于纳剂量学获得离子束辐照方案的方法，包括以下步骤：
1)选取标定条件并获取标定用纳剂量学量：设定离子束辐照受照材料的应用场景，选取适合所述应用场景的标定条件和辐射效应量化指标，然后在标定条件下获取标定用纳剂量学量及其对应的辐射效应量化指标的具体数值，所述标定用纳剂量学量包括通过下列步骤得到的物理量；
A.获得所述离子束的电离簇尺寸概率密度分布P(v|Q)，通过公式(1)计算得到归一化的电离簇尺寸概率密度分布：
Figure FDA0002679962670000011
其中，Q为所述离子的辐射品质，v为电离簇尺寸；
B.通过公式(2)计算获得电离簇尺寸概率密度分布的一阶矩M1(Q)：
Figure FDA0002679962670000012
C.通过公式(3)计算获得电离簇尺寸v≥2的累积概率F2(Q)：
Figure FDA0002679962670000013
D.通过公式(4)计算获得电离簇尺寸概率密度分布的一个子集，即电离簇尺寸v≥2的情况的条件概率分布
Figure FDA0002679962670000014
Figure FDA0002679962670000015
E.通过公式(5)计算获得条件概率密度分布的一阶矩
Figure FDA0002679962670000016
Figure FDA0002679962670000017
2)获得步骤1)中所标定的所述应用场景下的辐射效应参数数值：利用步骤1)中获得的标定用纳剂量学量及其对应的辐射效应量化指标的具体数值，应用下面的公式(6)-(7)建立辐射效应量化指标与吸收剂量间的关系：
Figure FDA0002679962670000018
其中
Figure FDA0002679962670000019
采用罗杰斯蒂函数形式，即：
Figure FDA00026799626700000110
其中，L为所述离子束在受照材料中的辐射效应量化指标的数值，D为物理吸收剂量，单位为Gy；ρ为受照材料的密度，单位为kg/m3；V为受照材料的体积，单位为m3；ω为受照材料的平均电离功，单位为J；Ps→l、k、r以及m0为辐射效应的四个自由参数，所述四个自由参数的数值根据步骤1)中所得到的离子束辐射效应量化指标及其对应标定条件下的所述标定用纳剂量学量通过最小二乘法得到；
3)获取用于实施辐照方案的离子束的纳剂量学量：在完成步骤1)和2)的步骤后，获得所述用于实施辐照方案的离子束的电离簇尺寸概率密度分布P(v|Q)，再结合公式(1)-(5)计算所述用于实施辐照方案的离子束的对应于指定的辐射靶区深度处纳剂量学量；
4)获得离子束辐照方案：根据所述设定的应用场景，指定所需的对受照材料的辐照目标，根据步骤3)中获取的所述用于实施辐照方案的离子束的纳剂量学量以及通过步骤2)标定得到的所述辐射效应参数，结合公式(6)和(7)确定符合所述辐照目标的辐射效应，得到相应的离子束辐照方案。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述标定条件是范围在0-10000keV/μm，但不为0的传能线密度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述应用场景为离子束肿瘤放射治疗，所述标定条件为范围在0-1000keV/μm但不为0的传能线密度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述离子束包括质子束和重离子束。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述重离子束包括原子序数大于等于2的核素对应的离子束。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述重离子束包括碳离子束。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述电离簇尺寸概率密度分布P(v|Q)通过纳剂量计测量得到，或通过径迹结构蒙特卡罗模拟计算得到。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法还包括在被动式束流配送装置上实施步骤4)获得的离子束辐照方案的步骤。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法还包括在主动式束流配送装置上实施步骤4)获得的离子束辐照方案的步骤。
10.一种验证现有离子束辐照方案是否需要调整的方法，包括以下步骤：
1)根据已有离子束辐照方案所针对的应用场景，选取适合所述应用场景的标定条件和辐射效应；
2)执行根据权利要求1-7中任一项中所述的步骤1)和步骤2)根据所选取的标定条件获取标定的纳剂量学量，并结合公式(6)、(7)和所述辐射效应参数对辐射效应量化；
3)执行根据权利要求1-7中任一项中所述的步骤1)和步骤2)获取与所有已有离子束辐照方案相关的纳剂量学量，并结合公式(6)、(7)和辐射效应参数对辐射效应量化；
4)将步骤3)获得的量化的辐射效应与步骤2)获得的量化的辐射效应进行比较，如果满足预定的辐照目标，则所述已有离子束辐照方案不需要调整，如果不满足则需要进行调整。
11.一种被动式束流配送装置，所述装置包括：工控机、离子束加速装置、离子束引出装置、脊形过滤器或旋转降能装置，其中所述工控机包括中央处理单元，所述中央处理单元能够执行权利要求1-7中任一项所述的方法的步骤1)-步骤4)以获得离子束辐照方案并生成包含所述离子束辐照方案的控制信号，并将所述控制信号发送至所述离子束加速装置、所述离子束引出装置、所述脊形过滤器或旋转降能装置从而按照所述离子束辐照方案辐照靶区。
12.一种主动式束流配送装置，所述装置包括：工控机、离子束引出装置、引出能量可变的离子束加速装置、Bragg峰微小展宽装置、离子束剂量监测装置和扫描磁铁，其中所述工控机包括中央处理单元，所述中央处理单元能够执行权利要求1-7中任一项所述的方法的步骤1)-步骤4)以获得离子束辐照方案并生成包含所述离子束辐照方案的控制信号，并将所述控制信号发送至所述离子束引出装置、所述引出能量可变的离子束加速装置、所述Bragg峰微小展宽装置、所述离子束剂量监测装置和所述扫描磁铁从而按照所述离子束辐照方案辐照靶区。
CN201910687821.XA 2019-07-29 2019-07-29 基于纳剂量学获得离子束辐照方案的方法 Active CN110412639B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910687821.XA CN110412639B (zh) 2019-07-29 2019-07-29 基于纳剂量学获得离子束辐照方案的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910687821.XA CN110412639B (zh) 2019-07-29 2019-07-29 基于纳剂量学获得离子束辐照方案的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110412639A CN110412639A (zh) 2019-11-05
CN110412639B true CN110412639B (zh) 2020-12-01

Family

ID=68363676

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910687821.XA Active CN110412639B (zh) 2019-07-29 2019-07-29 基于纳剂量学获得离子束辐照方案的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110412639B (zh)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010101489A1 (en) * 2009-03-04 2010-09-10 Zakrytoe Aktsionernoe Obshchestvo Protom Multi-field charged particle cancer therapy method and apparatus
US8858888B2 (en) * 2012-12-19 2014-10-14 James Francis Ziegler Radiation microdosimeters correlated with biological cells and cell components
CA2940653A1 (en) * 2014-02-27 2015-09-03 Vijay Kuchroo T cell balance gene expression, compositions of matters and methods of use thereof
WO2017151662A1 (en) * 2016-03-02 2017-09-08 Viewray Technologies, Inc. Particle therapy with magnetic resonance imaging

Also Published As

Publication number Publication date
CN110412639A (zh) 2019-11-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Reynolds et al. Dose response of selected ion chambers in applied homogeneous transverse and longitudinal magnetic fields
Furukawa et al. Design study of a raster scanning system for moving target irradiation in heavy‐ion radiotherapy
Krämer et al. Treatment planning for heavy-ion radiotherapy: physical beam model and dose optimization
Winterhalter et al. Validating a Monte Carlo approach to absolute dose quality assurance for proton pencil beam scanning
US10420957B2 (en) Method for determining an effect of a particle beam on a material
Pflugfelder et al. Quantifying lateral tissue heterogeneities in hadron therapy
WO2017081768A1 (ja) 粒子線治療装置及び治療計画補正方法
Bartzsch et al. Influence of polarization and a source model for dose calculation in MRT
Stasica et al. A simple approach for experimental characterization and validation of proton pencil beam profiles
Fourkal et al. Energy optimization procedure for treatment planning with laser‐accelerated protons
Sikora Virtual source modelling of photon beams for Monte Carlo based radiation therapy treatment planning
Chicilo et al. Dose profiles and x-ray energy optimization for microbeam radiation therapy by high-dose, high resolution dosimetry using Sm-doped fluoroaluminate glass plates and Monte Carlo transport simulation
CN110412639B (zh) 基于纳剂量学获得离子束辐照方案的方法
Wulff et al. Investigation of correction factors for non-reference conditions in ion chamber photon dosimetry with Monte-Carlo simulations
González‐Castaño et al. A convolution model for obtaining the response of an ionization chamber in static non standard fields
Bortolussi et al. Boron concentration measurement in biological tissues by charged particle spectrometry
Mitchell et al. Proton depth-dose dosimetry
Knobloch et al. Experimental helium‐beam radiography with a high‐energy beam: Water‐equivalent thickness calibration and first image‐quality results
Bedford et al. A phase space model of a Versa HD linear accelerator for application to Monte Carlo dose calculation in a real‐time adaptive workflow
Mihai et al. Comparison features for proton and heavy ion beams versus photon and electron beams
Ou et al. Gate/Geant4-based Monte Carlo simulation for calculation of dose distribution of 400 MeV/u carbon ion beam and fragments in water
Akbari et al. Impact of transverse magnetic fields on water equivalent ratios in carbon-ion radiotherapy
Hilgers et al. Investigation of the track structure of therapeutic carbon ion radiation at HIT using the PTB ion counting nanodosimeter. Part 1: Ionization cluster size distributions along the pristine Bragg peak of a 3.5 GeV carbon ion beam
Kirby Radiation dosimetry of conventional and laser-driven particle beams
Yu et al. A method for converting microdosimetric spectra in diamond to tissue in proton therapy

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Dai Tianyuan

Inventor after: Li Qiang

Inventor after: Chen Weiqiang

Inventor after: Liu Xinguo

Inventor after: Dai Zhongying

Inventor after: He Pengbo

Inventor after: Ma Yuanyuan

Inventor after: Shen Guosheng

Inventor after: Zhang Hui

Inventor before: Dai Tianyuan

Inventor before: Li Qiang

Inventor before: Chen Weiqiang

Inventor before: Liu Xinguo

Inventor before: Dai Zhongying

Inventor before: He Pengbo

Inventor before: Ma Yuanyuan

Inventor before: Shen Guosheng

Inventor before: Zhang Hui

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant