基于被动式束流配送系统的离子束调强放射治疗技术研究

Due to the biological and physical superiorities, ion beam radiotherapy has become one of the froefront and hotspots in the field of radiation therapy research. Hypofractionated ion beam therapy has become a trend, whose technical prerequisite is the advanced dose conformality. Although the technique of the intensity-modulated particle therapy (IMPT) based on the active beam delivery system is the future development direction, most of the ion beam centers still use the passive beam delivery technique at present. Because of the use of forward planning approach for multi-field irradiation based on the passive beam delivery system, it's basically impossible to increase the conformality of the dose distribution further. The purpose of this project is to study the MLC-based intensity-modulated ion beam radiotherapy technique，which is borrowed from the idea of the photon IMRT technique, to improve the dose conformality when using multi-field irradiation with ion beams based on the existing passive beam delivery system. According to the characteristic of the ion beam therapy, it plans to establish the MLC-based IMPT technique using the different types of modulated ion beams in this project, such as pristine Bragg peak, mini spread-out Bragg peak(mini-SOBP), full-width SOBP and etc. The difficulty in implementing the MLC-based IMPT technique lies in how to keep the dose of the secondary particles at an acceptable level, such as neutron, gamma ray and etc. It is beneficial to lay the technical foundation for hypofractionated ion beam therapy and reduce the cost of ion beam treatment when the project was successfully conducted.

由于生物及物理上的优势，离子束放射治疗成为放疗研究领域的前沿与热点之一。低分割离子束放射治疗已经成为一种趋势。高的剂量适形度是低分割放疗的技术前提。虽然主动式离子束调强放疗技术是今后的发展方向，但是目前大多数离子束治疗中心仍使用被动式束流配送技术。由于在被动式束流配送系统下多野照射一般采取正向计划方式，进一步提高剂量适形度基本不可能。本项目旨在借用光子调强放疗的概念，在现有的被动式束流配送系统下，开展基于多叶光栅的离子束调强放射治疗技术的研究，以提高被动式束流配送系统下多射野剂量适形度。根据离子束放疗技术特点，本项目拟利用不同调制类型的束流，如单能Bragg峰，微小展宽Bragg峰，全展宽Bragg峰等，实现被动式离子束调强放射治疗技术，其难点在于如何控制照射过程中产生的次级粒子（如中子、γ射线等）剂量在可接受水平。本项目的成功实施可为离子束低分割放疗奠定技术基础，有利于降低放射治疗成本。

由于生物及物理上的优势，离子束放射治疗成为放疗研究领域的前沿与热点之一。为了充分发挥重离子的这些优势，本项目希望借用光子调强放射治疗的概念，基于现有的被动式束流配送系统，研究基于多叶光栅的碳离子放射治疗照射技术，从而建立该理论模型。根据项目研究计划，我们设计加工了一系列Bragg峰展宽装置，即脊形过滤器。实验测试检验结果符合预期结果，满足了研究和临床试验的需要。此外还设计加工了补偿器、位置QA模体等设备。在剂量测量方面，研发了一套剂量验证软件ciDose。在理论研究上，我们建立了基于MLC调强的放射治疗理论模型，并在计算机程序中模拟了该模型，确认该方法可行。在计划系统方面，我们设计研发了一套碳离子放射治疗计划系统软件，该软件支持2D，2DLS及3DSS的计划设计，在水箱及人体仿真模体中的计划剂量验证结果符合临床试验的要求。最后，我们还研究了不同的MLC材料对非治疗辐射，中子和γ射线剂量产生的影响，模拟实验表面，利用铁质材料加工的MLC叶片将能降低中子和γ射线的剂量水平。该项目的研究工作，促进了我国重离子（碳离子）放射治疗水平的提升，也为今后进一步发展碳离子放射治疗奠定了基础。

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