减小重离子治癌当中展宽Bragg峰区后沿剂量半影的方法研究

重离子治癌是当今放射治疗领域先进、有效的方法，与重离子治癌相关的应用基础研究是目前的前沿和热点。本项目旨在通过设计两种将单能重离子束尖锐Bragg峰略微展宽为半高宽较大和较小且剂量分布呈高斯分布的脊形过滤器，利用较大、较小两种脊形过滤器相配合来实现重离子束尖锐Bragg峰按照物理吸收剂量均匀的展宽以及考虑相对生物学效应随深度变化后按照生物有效剂量均匀的展宽，减小展宽Bragg峰区后沿的剂量半影，并通过深度剂量分布实验测量及不同贯穿深度上细胞辐照效应实验证实这一方法的有效性。通过上述系统的研究，建立重离子治癌当中减小展宽Bragg峰区后沿剂量半影的理论和有效方法，从而达到充分保护肿瘤靶区后方紧要器官和敏感组织的目的，为当前代表放射治疗先进技术的重离子治癌做创新性应用基础研究。因而，本项目研究对保持重离子治癌的先进性、充分发挥重离子束用于治癌的优势、进一步提高重离子治疗的疗效具有重要意义。

为进一步提高重离子治疗的疗效，本项目探索了减小重离子束展宽Bragg峰后沿剂量半影的有效方法。本项目设计加工了将90MeV/u碳离子束Bragg峰略微展宽为半高宽为10mm和4mm高斯型分布两种微型脊形过滤器，在被动式束流配送系统下，建立了较大和较小两种微型脊形过滤器组合使用减小最终展宽Bragg峰(SOBP)后沿剂量半影的理论方法与技术方案，并利用兰州重离子研究装置(HIRFL)提供的高能碳离子束对该方法进行了实验验证，实验结果证实了较大和较小两种微型脊形过滤器组合使用，减小用于治疗的最终展宽Bragg峰后沿剂量半影组合照射方法的有效性。在利用较小微型脊形过滤器照射SOBP较深断层向利用较大微型脊形过滤器照射SOBP较浅断层过渡时，采用较小微型脊形过滤器照射SOBP的步长间隔会获得剂量均匀性超过95%的SOBP，而采用较大微型脊形过滤器照射SOBP的步长间隔，获得的SOBP剂量均匀性会小于95%。同时本项目为实现主动式束流配送系统下减小展宽Bragg峰后沿剂量半影，还提出了一种利用将Bragg峰略微展宽为较小高斯型分布（比如半高宽为4mm）微型脊形过滤器倾斜不同角度的组合照射方法，该方法同样可以实现减小展宽Bragg峰后沿的剂量半影，同时缩短照射治疗时间，在HIRFL深层肿瘤重离子治疗终端的实验测量也证实了该方法的有效性。为实现对重离子束Bragg峰按生物有效剂量均匀的展宽，采用体外培养的人唾液腺肿瘤HSG细胞系，实验测量了在碳离子照射下相对生物学效应(RBE)和碳离子线性能量转移(LET)之间的关系，利用实验得到的这些基础数据实现了微型脊形过滤器对Bragg峰按生物有效剂量均匀的展宽，实验上也初步证实了较大和较小两种微型脊形过滤器组合使用可减小按生物有效剂量均匀展宽Bragg峰后沿的剂量半影。通过本项目系统的研究，建立起了既适合被动式束流配送系统又适合主动式束流配送系统下的减小重离子束展宽Bragg峰后沿剂量半影的理论体系与技术方案，为重离子治疗技术的进一步发展提供了强有力的支撑。