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TEPC壁对重离子束微剂量学测量及相对生物学效应计算的影响

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原子能科学技术 2019年第6期53卷 1127-1134页

作者：戴天缘刘新国戴中颖贺鹏博马圆圆申国盛张晖陈卫强李强中国科学院近代物理研究所甘肃兰州730000 中国科学院重离子束辐射生物医学重点实验室甘肃兰州730000 甘肃省重离子束辐射医学应用基础研究重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049

组织等效正比计数器(TEPC)广泛应用于重离子束微剂量学测量,提供用于计算相对生物学效应(RBE)的基础数据。为研究TEPC壁对重离子束微剂量学测量及RBE计算的影响,在蒙特卡罗(MC)模拟中引入理想组织等效正比计数器(Ideal-TEPC),精确计算... 详细信息

组织等效正比计数器(TEPC)广泛应用于重离子束微剂量学测量,提供用于计算相对生物学效应(RBE)的基础数据。为研究TEPC壁对重离子束微剂量学测量及RBE计算的影响,在蒙特卡罗(MC)模拟中引入理想组织等效正比计数器(Ideal-TEPC),精确计算得到碳离子束不同水等效深度处的微剂量学量及RBE。Ideal-TEPC和常规TEPC的计算结果表明:TEPC壁会使碳离子束产生较大的辐射场畸变,且会使TEPC测量结果及RBE计算结果产生较大偏差,该偏差随贯穿深度的增加而增大。将TEPC壁视为具有固定水等效厚度的水层可在数值上抵消TEPC壁对RBE计算的影响,但在展宽Bragg峰(SOBP)后端会产生过修正现象。Ideal-TEPC结合MC模拟能有效避免TEPC壁效应及TEPC壁引起的辐射场畸变对重离子束微剂量学量和RBE计算的影响。

关键词：组织等效正比计数器微剂量学相对生物学效应重离子蒙特卡罗模拟

基于LNDM模型的碳离子束混合辐射场相同剂量平均LET下关键纳剂量学指标及RBE分析

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原子核物理评论 2021年第3期38卷 332-338页

作者：杨静芬张晖刘新国戴中颖陈卫强李强中国科学院近代物理研究所兰州730000 中国科学院重离子束辐射生物医学重点实验室兰州730000 甘肃省重离子束辐射医学应用基础重点实验室兰州730000 中国科学院大学北京100049

纳剂量学量正在成为新的表征辐射品质的量,也是用于精确计算相对生物学效应(RBE)的基础数据。具有相同剂量平均传能线密度(LET)离子束混合辐射场导致的生物学效应也未必相同。为研究关键纳剂量学指标[电离簇尺寸NICS≥1的条件概率密度... 详细信息

纳剂量学量正在成为新的表征辐射品质的量,也是用于精确计算相对生物学效应(RBE)的基础数据。具有相同剂量平均传能线密度(LET)离子束混合辐射场导致的生物学效应也未必相同。为研究关键纳剂量学指标[电离簇尺寸NICS≥1的条件概率密度分布的一阶矩(M^(C1)_(1))、NICS≥2的条件概率密度分布的一阶矩(M^(C2)_(1))、NICS≥2的累计概率(F^(C1)_(2))和NICS≥3的累计概率(F^(C2)_(3))]以及RBE在相同剂量平均LET混合辐射场中的分布,在蒙特卡罗(Monte Carlo,MC)模拟的基础上,结合单能离子束关键纳剂量学指标数据集,计算得到了不同能量碳离子束在不同贯穿深度处相同剂量平均LET混合辐射场中的M^(C1)_(1)、M^(C2)_(1)、F^(C1)_(2)、F^(C2)_(3)及RBE值。计算结果显示:在相同剂量平均LET混合辐射场中,不同能量碳离子束的F^(C2)_(3)没有发生显著变化,而M^(C1)_(1)、M^(C2)_(1)和F^(C1)_(2)变化显著,且随能量的增大而减小,并且随剂量平均LET的增加,M^(C1)_(1)、M^(C2)_(1)和F^(C1)_(2)变化差异逐渐变大。正是由于M^(C1)_(1)、M^(C2)_(1)、F^(C1)_(2)和F^(C2)_(3)的不同,在相同剂量平均LET混合辐射场中基于纳剂量学模型计算得到的RBE值也显著不同。这些结果表明,剂量平均LET并不能很好地用于描述离子束混合辐射场的品质,而关键纳剂量学指标则有望成为表征离子束混合辐射场品质的量。

关键词：纳剂量学相对生物学效应碳离子放射治疗蒙特卡罗模拟

均匀磁场下碳离子笔形束的剂量变化分析及位置修正方法

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原子核物理评论 2020年第1期37卷 88-96页

作者：孟乾乾张小芳刘新国戴中颖李强陈卫强中国科学院近代物理研究所兰州730000 中国科学院重离子束辐射生物医学重点实验室兰州730000 甘肃省重离子束辐射医学应用基础重点实验室兰州730000 中国科学院大学北京100049

分析外加均匀磁场对于碳离子笔形束剂量分布的影响,并考虑修正这种影响,为磁共振成像引导碳离子放射治疗的临床应用提供指导。本文利用蒙特卡罗方法模拟计算了不同能量碳离子笔形束在不同强度磁场下的剂量分布情况,发现垂直于碳离子束... 详细信息

分析外加均匀磁场对于碳离子笔形束剂量分布的影响,并考虑修正这种影响,为磁共振成像引导碳离子放射治疗的临床应用提供指导。本文利用蒙特卡罗方法模拟计算了不同能量碳离子笔形束在不同强度磁场下的剂量分布情况,发现垂直于碳离子束入射方向的均匀磁场对于碳离子笔形束射程缩短的影响很小,磁场对碳离子束的主要影响是引起束流横向偏转,特别是碳离子束布拉格峰位置的横向侧移。横向侧移程度与碳离子束的能量和磁场强度相关,根据模拟结果,得到了一个计算碳离子束布拉格峰在磁场中相对横向偏转的方程,并提出一种校正外加磁场引起的碳离子束布拉格峰横移的角度修正方法。这些结果可用于指导磁共振图像引导碳离子放射治疗计划系统的研发。

关键词：放射治疗碳离子蒙特卡罗方法磁场剂量分布

Active spot-scanning test with heavy ions at HIRFL-CSR

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Chinese Physics C 2012年第8期36卷 784-791页

作者：戴中颖李强刘新国金晓东黄齐艳肖国青 Institute of Modern Physics Chinese Academy of Sciences Graduate University of Chinese Academy of Sciences Key Laboratory of Heavy Ion Radiation Biology and Medicine of Chinese Academy of Sciences

An active spot beam delivery system for heavy ion therapy has been developed based on the Cooling Storage Ring at HIRFL-CSR, where the pencil carbon-ion beams were scanned within a target volume transversely by a pair of orthogonal （horizontal and vertical） dipole magnets to paint the slices of the target volume and longitudinally by active energy variation of the synchrotron slice by slice. The unique techniques such as dose shaping via active energy variation and magnetic deflection constitute a promising three-dimensional conformal even intensity-modulated radiotherapy with heavy ions at HIRFL-CSR. In this paper, the verification of active energy variation and the calibration of steerable beam deflection are shown, as the basic functionality components of the active spot-scanning system. Additionally, based on the capability of creating homogeneous irradiation fields with steerable pencil beams, a radiobiological experiment like cell survival measurement has been performed aiming at comparison of the radiobiological effects under active and passive beam deliveries.

关键词： spot-scanning heavy ion radiotherapy beam delivery active energy variation

碳离子束射程快速验证方法的蒙特卡罗模拟研究

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原子核物理评论 2020年第4期37卷 901-907页

作者：车宇航孟乾乾张小芳刘新国戴中颖李强中国科学院近代物理研究所兰州730000 中国科学院重离子束辐射生物医学重点实验室兰州730000 甘肃省重离子束辐射医学应用基础重点实验室兰州730000 中国科学院大学北京100049

可通过楔形装置把离子束(质子和重离子)纵向上的的深度剂量分布转换成横向上的剂量分布,进行离子束射程的快速测量及验证。本工作通过基于GEANT4内核的GATE蒙特卡罗模拟平台,模拟计算了不同能量碳离子束在用于制作楔形装置的铜、铝、铁... 详细信息

可通过楔形装置把离子束(质子和重离子)纵向上的的深度剂量分布转换成横向上的剂量分布,进行离子束射程的快速测量及验证。本工作通过基于GEANT4内核的GATE蒙特卡罗模拟平台,模拟计算了不同能量碳离子束在用于制作楔形装置的铜、铝、铁和有机玻璃等材料中的深度剂量分布,得到不同能量碳离子束在不同材料中Bragg峰位所处深度与能量之间的关系;模拟计算了不同能量碳离子束穿越单楔板、双楔板和大小组合楔板等楔形装置后横向上的剂量分布,得到了横向剂量峰值出现位置与碳离子束射程之间的关系。本文蒙特卡罗模拟研究为进一步开发重离子治疗当中的射程快速验证方法与设备奠定了坚实的基础。

关键词：重离子治疗蒙特卡罗模拟楔形装置射程验证横向剂量分布

碳离子在不同材料叶片的多叶光栅上产生的次级粒子研究

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原子核物理评论 2020年第2期37卷 217-224页

作者：张小芳孟乾乾戴中颖陈卫强刘新国李强中国科学院近代物理研究所兰州730000 中国科学院重离子束辐射生物医学重点实验室兰州730000 甘肃省重离子束辐射医学应用基础重点实验室兰州730000 中国科学院大学北京100049

在碳离子放射治疗中,碳离子束与治疗头设备和患者身体相互作用产生的次级粒子可以到达患者体内的许多区域,在产生的次级粒子中以中子和γ射线的产额为最大。在不影响束流配送功能的情况下,减少碳离子放疗中产生的次级中子和γ射线对于... 详细信息

在碳离子放射治疗中,碳离子束与治疗头设备和患者身体相互作用产生的次级粒子可以到达患者体内的许多区域,在产生的次级粒子中以中子和γ射线的产额为最大。在不影响束流配送功能的情况下,减少碳离子放疗中产生的次级中子和γ射线对于降低放疗后出现的正常组织并发症及二次肿瘤风险有着非常重要的意义。本文利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法模拟计算了被动式束流配送系统下,400 MeV/u碳离子束照射到由不同材料叶片构成的多叶光栅(MLC)形成典型的10 cm×10 cm方形射野时,在水模体中产生的次级中子和γ射线所沉积的剂量及空间分布等。模拟结果显示:碳离子束通过MLC形成射野后在水模体中产生的次级中子主要分布在水模体的入射端,次级γ射线较为均匀的分布在整个水模体内,且较多分布在具有展宽Bragg峰(SOBP)射野在水模体中贯穿时的坪区。对于MLC叶片材料的选择,则需根据实际情况对叶片厚度以及次级粒子当量剂量的要求来确定。本文通过模拟研究不同MLC叶片材料产生次级粒子的情况,为被动式束流配送系统中MLC叶片及其他元件的材料选择提供了科学依据。

关键词：碳离子放射治疗被动式束流配送系统次级粒子剂量分布蒙特卡罗模拟

碳离子束混合LET辐照的EBT3辐射变色胶片剂量修正方法

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原子核物理评论 2022年第4期39卷 527-532页

作者：白凯段星竹马圆圆张晖戴中颖李强刘新国兰州大学核科学与技术学院兰州730000 中国科学院近代物理研究所兰州730000 中国科学院重离子束辐射生物医学重点实验室兰州730000 甘肃省重离子束辐射医学应用基础重点实验室兰州730000 中国科学院大学北京100049

针对EBT3辐射变色胶片对碳离子束混合LET辐照的剂量欠响应比较了两种剂量修正方法。利用260 MeV/u的碳离子束通过被动降能得到多种剂量平均LET的碳离子束,利用这些碳离子束进行了胶片剂量响应刻度辐照,选择最佳的拟合公式得到了胶片剂... 详细信息

针对EBT3辐射变色胶片对碳离子束混合LET辐照的剂量欠响应比较了两种剂量修正方法。利用260 MeV/u的碳离子束通过被动降能得到多种剂量平均LET的碳离子束,利用这些碳离子束进行了胶片剂量响应刻度辐照,选择最佳的拟合公式得到了胶片剂量刻度曲线。使用RE(Relative Efficiency)量化了EBT3胶片随LET的剂量欠响应,并使用RE剂量修正法修正了混合LET辐照胶片的剂量。此外,根据剂量刻度曲线公式中拟合参数随不同LET所占剂量比例的变化规律,提出了拟合参数剂量修正法并修正了混合LET辐照胶片的剂量。最后比较了这两种方法的结果,表明拟合参数方法得到的剂量偏差在5%以内,优于RE方法10%以内的剂量偏差。

关键词： EBT3辐射变色胶片碳离子束剂量刻度曲线混合LET辐照剂量修正方法

碳离子放射治疗中细胞存活实验数据处理方式对生物剂量分布计算值的影响

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原子核物理评论 2023年第4期40卷 619-627页

作者：段星竹马圆圆张晖戴中颖李强刘新国中国科学院近代物理研究所兰州730000 中国科学院重离子束辐射生物医学重点实验室兰州730000 甘肃省重离子束辐射医学应用基础重点实验室兰州730000 中国科学院大学北京100049

探究了细胞克隆存活实验中不同数据处理方法对线性平方(LQ)模型参数拟合值的影响及其用于治疗计划中所得生物剂量分布计算值的影响。依据LQ模型拟合T98G细胞碳离子辐照细胞克隆存活实验的数据,分别按照是否考虑细胞存活率标准差和以两... 详细信息

探究了细胞克隆存活实验中不同数据处理方法对线性平方(LQ)模型参数拟合值的影响及其用于治疗计划中所得生物剂量分布计算值的影响。依据LQ模型拟合T98G细胞碳离子辐照细胞克隆存活实验的数据,分别按照是否考虑细胞存活率标准差和以两种不同方式考虑贴壁效率得到4组LET-α和LET-β数据,并选择其中3组构建了3套matRad治疗计划系统的基础数据用于治疗计划研究。在仅考虑0 Gy贴壁效率时,是否考虑细胞存活率标准差拟合,在LET较低时对α值影响较小,对β值影响较大;在LET较大时,对α值影响较大,对β值影响较小。在考虑细胞存活率标准差时,两种不同方式考虑贴壁效率拟合的结果偏差较小,除200 keV/μm外,两组α值的相对偏差不超过±10%。Planset2与Planset1相比,总是高估了D_(max),D_(min)和D_(95)。结果表明,是否考虑细胞存活率标准差与以两种不同方式考虑贴壁效率相比,前者对拟合得到的α,β系数影响更大。治疗计划系统中不同基础数据间生物剂量分布计算值的相对偏差范围,小于拟合实验数据获得的各组α,β值的相对偏差范围。

关键词：碳离子束 RBE LQ模型治疗计划生物剂量

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

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原子核物理评论 2022年第1期39卷 114-120页

作者：黄盛聪张晖车宇航刘新国陈卫强李强戴中颖中国科学院近代物理研究所兰州730000 中国科学院重离子束辐射生物医学重点实验室兰州730000 甘肃省重离子束辐射医学应用基础重点实验室兰州730000 中国科学院大学北京100049

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... 详细信息

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流配送系统引发的外源性中子在等中心点周围不同位置的注量谱及剂量当量谱进行模拟计算,评估了次级中子辐射的剂量当量贡献;同时探究了多元限束装置即多叶光栅不同开口大小对次级中子剂量当量的影响。模拟结果显示:高能中子(≥15 MeV)对所有模拟位置的中子剂量当量占比最高可达26%。实际治疗条件下,当多叶光栅开口由闭合状态扩大至15 cm×15 cm,等中心点和横向远端位置的次级中子剂量当量强度下降约85%,而束流方向远端位置下降约70%。这些结果可用于指导不同治疗条件下次级中子的研究,为治疗条件下评估患者所受非治疗辐射提供依据。

关键词：碳离子放射治疗被动式束流配送次级中子蒙特卡罗方法