核径迹三维重建技术与医用荷电粒子剂量学研究

With the application of the proton or heavy-ion radiotherapy, to evaluate the absorbed dose at the target tissue as well as the surrounding radiation field becomes critical issues in the field of radiation dosimetry. Based on solid state nuclear track detector (SSNTD), this study intends to develop a new track counting system with rotating light source which could reconstruct the 3D structures of etched tracks within micron precision. In order to extend its ability of the detector, the transport path of charged particles, called "latent track", would be reversely estimated by using EM method. The method to simultaneously measure both the flux and the energy of insert heavy ions as well as the technique for monitoring neutron energy spectrum would be established based on the 3D reconstruction and the latent track estimation. The new method is planned to accurate evaluate the dose distribution at the target and non-target area in heavy-ion radiotherapy and to measure mixing radiation field in the clinic for the radiotherapy. The result in this study provide a new method for dosimetry studies related to proton or heavy-ion radiotherapy and will effectively improve the performance of the SSNTDs which could expand its application in medical physics, aerospace radiation and neutron measurement.

随着质子重离子在肿瘤放疗临床中的推广应用, 相关高能荷电粒子在靶组织和非靶组织中的吸收剂量以及治疗室内的感生放射性的精确测量与评估问题已成为了辐射测量与剂量学领域亟需解决的重点与难点问题之一。本项目拟基于固体核径迹探测技术，先可借鉴CT图像重建算法并利用旋转光源技术对径迹进行全角度成像以实现其三维结构的微米级重建，再利用最大似然估计方法对蚀刻过程进行逆向反演以获取荷电粒子输运路径“潜径迹”的三维信息，最终确立可同时测量粒子注量和能量的新技术；在该技术的基础上，开发设计基于固体核径迹探测器CR-39的组合来开展放射治疗中质子重离子的注量、能量和LET测量的新方法，并实现对中子等次级粒子的全能谱测量。本项目的结果不仅可为质子重离子放疗的剂量精确评估、质量控制和辐射防护提供亟需的技术手段，也将为提升固体核径迹探测技术的性能和探测，拓展其在医学物理、航空航天等领域中的应用起到有力的推动作用。

随着质子重离子在肿瘤放疗临床中的推广应用,相关高能荷电粒子在靶组织和非靶组织中辐射场的精确测量与评估问题已成为了辐射测量与剂量学领域需要解决的重点与难点问题之一。.本项目另辟蹊径地采用固体核径迹探测技术为这一问题的解决提供一个新的技术突破方向。本研究首先从探测技术的角度出发，通过3D测量技术的引入将将这一传统的注量探测手段，成功地改造为一个二维、高空间分辨率的LET探测器。为此，研究中建立了基于光度立体原理的核径迹3D测量方法，搭建并优化了自动读取装置的原型机。创立了基于微分逆向反演的径迹反推算法，可以实现了对于入射粒子能量和角度的甄别。基于测量得到的三维径迹信息，完成了径迹路径重建，并可以实现对于入射粒子能量和角度的甄别和定量测量。最终通过径迹形态分析，建立了混合粒子照射场中的LET谱测量技术。此后，本项目成功地将这一新型的LET测量手段应用于质子重离子治疗领域，在微米级精度下实现了不同能量碳离子束流在不同深度的主射线与次级离子的空间分布测量；掌握了在均匀模体和密度非均匀模体中不同深度的束流LET谱，并应用于定量评估不同的Ripple Filter对于医用碳离子束在多种材料中LET谱的影响，结果表明材料变化对LETt的影响比对LETd的影响更明显。LETt在骨材料中降低在肺材料中增大，而LETd在这两种材料中均无明显变化。结果证明了CR-39探测器适用于重离子LET谱的测量。探测器的探测阈值决定了LET谱的最低测量范围，实验测量的LET谱分布与模拟结果基本一致，最大相对误差可以控制在±10%以内。.本研究的成果不仅为质子重离子束流的精准测量提供了新的技术手段，也极大地提升固体核径迹探测技术的性能和探测，拓展其在医学物理、航空航天等领域中的应用。研究结果具有重要的学术价值和实际应用前景。