專利名稱:一種利用高能離子束輻照時(shí)減小離子束展寬Bragg峰后沿劑量半影的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
高能離子束(質(zhì)子和重離子)已被廣泛應(yīng)用于材料改性、誘變育種和放射治療當(dāng)中，從而形成了各種離子束輻照技術(shù)。本發(fā)明涉及一種高能離子束輻照技術(shù)，具體地說，是一種利用高能離子束輻照時(shí)減小離子束展寬Bragg峰后沿劑量半影的方法。應(yīng)用本方法可最大程度地減小離子束展寬Bragg峰后沿的劑量半影，即提高展寬Bragg峰后沿的劑量下降梯度。
背景技術(shù)：
在高能離子束(質(zhì)子和重離子)輻照應(yīng)用中，往往需要展寬單能離子束尖銳的 Bragg峰形成一個(gè)有一定寬度且均勻的高劑量區(qū)域，即展寬的Bragg峰(spread-out Bragg peak, S0BP)，如圖1所示。在現(xiàn)有的離子束照射技術(shù)中采用兩種方式展寬單能離子束尖銳的Bragg峰。一種是采用脊形過濾器(ridge filter) —次性將單能離子束的Bragg峰展寬為需要的寬度，形成所需要的S0BP，但這種照射方式不能調(diào)節(jié)照射野橫向上的形狀，僅能實(shí)現(xiàn)兩維適形照射。另一種是采用微型脊形過濾器(mini ridge filter)先將單能離子束尖銳的Bragg峰略微展寬成高斯型分布的微小展寬峰(mini-SOBP)，然后通過改變離子束能量以不同權(quán)重將不同能量下的微小展寬峰疊加起來形成最終所需要的S0BP。以這種方式實(shí)施照射可實(shí)現(xiàn)對不同能量離子束照射時(shí)照射野橫向上的形狀調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)三維適形照射。以這種方式展寬離子束Bragg峰，若微型脊形過濾器將離子束Bragg峰略微展寬成高斯型分布的半高寬(FWHM)較大，則由這些微小展寬峰疊加形成最終所需要寬度SOBP的后沿劑量半影也較大；若微型脊形過濾器將離子束Bragg峰略微展寬成高斯型分布的FWHM較小，盡管由這些微小展寬峰疊加形成最終所需要寬度SOBP的后沿劑量半影也較小，但由于需要較多的微小展寬峰疊加才能形成所需要寬度的S0BP，所以需要改變離子束能量次數(shù)也相應(yīng)增加，因而照射時(shí)間會(huì)顯著增加，特別是在采用同步加速器提供的具有時(shí)間結(jié)構(gòu)脈沖離子束照射時(shí)，照射時(shí)間的增加尤為明顯。

發(fā)明內(nèi)容
為了充分發(fā)揮高能離子束輻照時(shí)能量沉積局域性的優(yōu)勢，需要在實(shí)施三維適形照射時(shí)增大展寬Bragg峰(SOBP)后沿的劑量下降梯度，即減小SOBP后沿的劑量半影。本發(fā)明的目的在于提供一種利用高能離子束輻照時(shí)減小離子束展寬Bragg峰后沿劑量半影的方法。
本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)
一種利用高能離子束輻照時(shí)減小離子束展寬Bragg峰后沿劑量半影的方法，微型脊形過濾器垂直放置于束流掃描二級磁鐵、離子探測器、射程移位器間的束流軸線中，并置于離子探測器與射程移位器之間，由束流掃描二級磁鐵形成均勻照射野的離子束通過微型脊形過濾器進(jìn)行照射，離子探測器對離子束的強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測，微型脊形過濾器為FWHM2微型
3脊形過濾器和FWHM1微型脊形過濾器；先采用FWHM1微型脊形過濾器對所需SOBP的深處進(jìn)行照射，然后以FWHM2微型脊形過濾器替換FWHM1微型脊形過濾器對SOBP的其他部分進(jìn)行照射，在形成所需寬度SOBP的照射過程中，由離子探測器完成對各mini-SOBP疊加權(quán)重的控制，由射程移位器來實(shí)現(xiàn)對離子束能量的改變。
上述高能離子束為重離子束，或?yàn)橘|(zhì)子束。
上述重離子束能量為100MeV/u 500MeV/u，對于質(zhì)子束其能量為50MeV 250MeV，離子束強(qiáng)度為IO5 101Qpps。
上述FWHM2微型脊形過濾器對離子束Bragg峰略微展寬形成劑量高斯型分布微小展寬峰(mini-SOBP)的半高寬為8mm 12mm，。
上述FWHM1微型脊形過濾器對離子束Bragg峰略微展寬形成劑量高斯型分布微小展寬峰(mini-SOBP)的半高寬為3_ 5_。
以下是本發(fā)明技術(shù)方案的細(xì)節(jié)
如圖2所示的將離子束Bragg峰略微展寬為半高寬(FWHM)不同的兩種微型脊形過濾器，一種微型脊形過濾器使離子束Bragg峰略微展寬后mini-SOBP的半高寬較小為 FffHM1 (稱FWHM1微型脊形過濾器)，另一種微型脊形過濾器使離子束Bragg峰略微展寬后 mini-SOBP的半高寬較大為FWHM2 (稱FWHM2微型脊形過濾器)，需要對離子束Bragg峰展寬形成展寬Bragg峰(SOBP)的寬度為d。若采用FWHM1微型脊形過濾器實(shí)現(xiàn)具有寬度為d的 SOBP,需要離子束能量改變使得相鄰mini-SOBP的間隔S1應(yīng)為
S1 = FWHM1/2(1)
這樣形成寬度為d的SOBP所需要改變離子束能量從深層到淺層由mini-SOBP照射的次數(shù)N1為
N1 = int(d/Sl)+l(2)
其中int(d/Sl)為d除以S1后取整。若采用FWHM2微型脊形過濾器實(shí)現(xiàn)具有寬度為d的S0BP，需要離子束能量改變使得相鄰mini-SOBP的間隔S2應(yīng)為
s2 = FWHM2/2(3)
這樣形成寬度為d的SOBP所需要改變離子束能量從深層到淺層由mini-SOBP照射的次數(shù)隊(duì)為
N2 = int(d/s2)+l(4)
其中int(d/s2)為d除以&后取整。由于FWHM1微型脊形過濾器使離子束Bragg 峰形成mini-SOBP的半高寬小，由方程(1)和(2)可以得知，需要離子束較多次的能量改變才能形成寬度為d的S0BP。相反，由于FWHM2微型脊形過濾器使離子束Bragg峰形成 mini-SOBP的半高寬大，由方程(3)和(4)可以得知，需要離子束較少次的能量改變就能形成寬度為d的SOBP。但由FWHM2微型脊形過濾器形成的mini-SOBP的劑量半影rp(80% Bragg峰值劑量處到20% Bragg峰值劑量處之間的距離)本身就比較大，故由FWHM2微型脊形過濾器形成的mini-SOBP疊加形成最終所需寬度SOBP時(shí)其后沿的劑量半影也較大。圖3 是由上述FWHM1和FWHM2微型脊形過濾器分別形成所需寬度SOBP后的深度劑量分布曲線， 可以清楚地看到上述的各種特征。
本發(fā)明就是將如圖2所示的兩種微型脊形過濾器相配合用于如圖4所示的輻照裝置中，輻照裝置包括束流掃描二級磁鐵、離子探測器、微型脊形過濾器和射程移位器，其中相互垂直的掃描二級磁鐵對束流進(jìn)行掃描形成大的均勻照射野，離子探測器對離子束的強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測并控制整個(gè)照射過程，射程移位器用于改變離子束的能量。輻照時(shí)首先將FWHM1 微型脊形過濾器放置于束流線中對所需寬度d的SOBP深部進(jìn)行照射，然后由FWHM2微型脊形過濾器替換FWHM1微型脊形過濾器對所需寬度d的SOBP其他部分進(jìn)行照射，兩種微型脊形過濾器配合起來使用從而形成所需寬度的S0BP，在形成所需SOBP過程中對離子束能量的改變由射程移位器來完成。這樣就可利用FWHM1微型脊形過濾器mini-SOBP劑量半影小的特點(diǎn)，使得最終形成的SOBP后沿的劑量半影顯著減小，同時(shí)又可利用使用FWHM2微型脊形過濾器時(shí)改變離子束能量照射次數(shù)減少的優(yōu)勢，在快速完成照射的同時(shí)顯著減小離子束形成SOBP后沿的劑量半影。在采用具有FWHM1的微型脊形過濾器對所需寬度d的SOBP深部進(jìn)行照射時(shí)，改變離子束能量進(jìn)行照射的次數(shù)Ii1由具有FWHM2微型脊形過濾器的劑量半影。來決定，即
Ii1 = int(rp/Sl)+l(5)
其中int(rp/Sl)為rp除以S1后取整，且改變離子束能量使其射程的變化間隔為 S1 ；在采用具有FWHM2的微型脊形過濾器對所需寬度d的SOBP其余部分進(jìn)行照射時(shí)，改變離子束能量進(jìn)行照射的次數(shù)n2為
n2 = int([d-(n1-l)s1]/s2)+l(6)
其中int([d-(Ii1-I) S1]/s2)為d-(ni_l)Sl除以&后取整，且改變離子束能量使其射程的變化間隔為&。在采用FWHM1微型脊形過濾器和FWHM2微型脊形過濾器連接處的離子束射程改變間隔為S1,從而保證在形成最終寬度為d的SOBP中FWHM1微型脊形過濾器和 FWHM2微型脊形過濾器連接處形成劑量分布的平滑連接。因此，采用本發(fā)明方法改變離子束能量進(jìn)行照射的次數(shù)N為
N = Xi^n2(7)
在本發(fā)明中，改變離子束能量形成的各mini-SOBP的疊加權(quán)重可由優(yōu)化算法(如最小二乘法)得到，在形成所需SOBP的照射過程中由離子探測器對離子束強(qiáng)度的監(jiān)測來完成對各mini-SOBP疊加權(quán)重的控制。
通過上述發(fā)明方法，就可充分發(fā)揮離子束輻照時(shí)能量沉積局域性的優(yōu)勢，在實(shí)施三維適形照射時(shí)既可減小離子束Bragg峰后沿的劑量半影，同時(shí)又減少了照射時(shí)間，在進(jìn)行離子束輻照材料改性、輻照育種和放射治療等離子束輻照技術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和產(chǎn)生的有益效果
以一個(gè)具體的例子來說明本發(fā)明的效果。采用針對90MeV/i^C離子束設(shè)計(jì)的微小展寬Bragg峰(mini-SOBP)半高寬為4mm和IOmm的微型脊形過濾器(分別稱為4mmFWHM 和IOmmFWHM的微型脊形過濾器，其中由IOmmFWHM的微型脊形過濾器形成mini-SOBP的后沿劑量半影為2. 2mm)對200MeV/i^C離子束的Bragg峰進(jìn)行展寬得到寬度為40mm的展寬 Bragg峰(SOBP)，若僅利用4mmFWHM的微型脊形過濾器，由方程(2)可知需要改變離子束能量進(jìn)行21次照射才能得到40mm的SOBP ；若只利用IOmmFWHM的微型脊形過濾器，由方程(4) 可知需要改變離子束能量進(jìn)行9次照射才能得到40mm的S0BP，但該SOBP后沿的劑量半影卻達(dá)到了 3. 3mm,如圖4所示。采用本發(fā)明方法將4mmFWHM和IOmmFWHM的微型脊形過濾器配合起來使用，先利用4mmFWHM微型脊形過濾器對SOBP的深部進(jìn)行照射，由方程( 可知需要改變離子束能量2次，然后利用IOmmFWHM微型脊形過濾器對所需SOBP的其余部分進(jìn)行照射，由方程(6)可知需要改變離子束能量8次，這樣共需改變離子束能量10次就可形成40mm寬度的S0BP，最為重要的是以這種方式得到的SOBP后沿的劑量半影僅為0. 7mm，如圖4所示。與僅由IOmmFWHM微型脊形過濾器形成的40mmS0BP相比，后沿劑量半影減小了 2. 6mm,即減小了 78. 8%。若僅采用4mmFWHM微型脊形過濾器形成40mmS0BP時(shí)需要改變離子束能量21次，則大大增加了照射的時(shí)間，特別是在同步加速器提供具有時(shí)間結(jié)構(gòu)脈沖離子束的情況下，僅采用4mmFWHM微型脊形過濾器形成40mmS0BP的時(shí)間會(huì)顯著增加?？梢姳景l(fā)明是既減少了照射次數(shù)(照射時(shí)間)又顯著減小了離子束展寬Bragg峰后沿劑量半影的有效方法。這種方法可廣泛應(yīng)用于高能離子束材料改性、誘變育種和放射治療當(dāng)中，提高劑量劑量沉積的局域性，減少輻照的時(shí)間，從而提高了輻照裝置的經(jīng)濟(jì)性。


圖1為離子束Bragg峰展寬示意圖，其中1 單能離子束的深度劑量分布(Bragg曲線)，2 具有一定寬度展寬Bragg峰(SOBP)的離子束深度劑量分布。
圖2為不同微型脊形過濾器對單能離子束Bragg峰略微展寬效果的示意圖，其中 1 =FffHM1微型脊形過濾器，2 =FffHM1微型脊形過濾器對單能離子束Bragg峰的略微展寬效果，3 =FffHM2的微型脊形過濾器，4 =FffHM2微型脊形過濾器對單能離子束Bragg峰的略微展寬效果。
圖3由FWHM1和FWHM2微型脊形過濾器分別形成所需寬度SOBP的深度劑量分布曲線的示意圖，其中1 由FWHM2微型脊形過濾器來得到S0BP，2 由FWHM1微型脊形過濾器來得到SOBP。
圖4為減小離子束展寬Bragg峰后沿劑量半影輻照裝置示意圖，其中1 相互垂直的兩個(gè)束流掃描二級磁鐵，2 離子探測器，3 具有FWHM1微型脊形過濾器，4 具有FWHM2微型脊形過濾器，5 射程移位器，6 輻照裝置的等中心。
圖5由4mmFWHM和IOmmFWHM微型脊形過濾器配合起來使用對200MeV/u碳離子束形成的40mmS0BP與僅由IOmmFWHM微型脊形過濾器對200MeV/u碳離子束形成的40mmS0BP 的比較，其中1 由4mmFWHM和IOmmFWHM微型脊形過濾器配合起來使用得到的深度劑量分布，2 僅由IOmmFWHM微型脊形過濾器得到的深度劑量分布。
圖6由4mmFWHM和IOmmFWHM微型脊形過濾器配合起來使用對235MeV/u碳離子束形成的30mmS0BP，圖中的曲線為理論計(jì)算，符號(hào)為實(shí)驗(yàn)測量值，SOBP后沿的劑量半影為 1. 8mm。
圖7由IOmmFWHM微型脊形過濾器對235MeV/u碳離子束形成的30mmS0BP，圖中的曲線為理論計(jì)算，符號(hào)為實(shí)驗(yàn)測量值，SOBP后沿的劑量半影為5. 0mm。
具體實(shí)施方式
利用中國科學(xué)院近代物理研究所蘭州重離子研究裝置(HIRFL-CSR)提供的 235MeV/u碳離子束，我們在HIRFL-CSR深部腫瘤重離子治療終端對本發(fā)明方法進(jìn)行了測試。測試時(shí)采用的輻照裝置如圖4所示，微型脊形過濾器垂直放置于束流掃描二級磁鐵 (1)、離子探測器(2) (NE102,日本濱松公司)、射程移位器(5) (RS05,日本AEC公司)間的束流軸線中，并置于射程移位器(5)前，并在輻照裝置的等中心設(shè)置了水箱(MP3-P，德國PTW公司)和電離室(Markus-23343，德國PTW公司)來進(jìn)行深度劑量分布的測量。 在本次測試中微型脊形過濾器分別采用了 4mmFWHM和IOmmFWHM兩種微型脊形過濾器，先采用4mmFWHM微型脊形過濾器實(shí)施2次照射，其中射程移位器改變離子束能量使得 mini-SOBP峰位的改變間隔為2mm，然后再由IOmmFWHM微型脊形過濾器實(shí)施6次照射，其中射程移位器改變離子束能量使得mini-SOBP峰位的改變間隔為5mm，從而對235MeV/u碳離子束的Bragg峰進(jìn)行展寬得到30mm寬度的S0BP，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果如圖6所示，計(jì)算曲線與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果符合較好，特別是SOBP后沿計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測量值符合很好，SOBP后沿的劑量半影為1. 8mm，展寬Bragg峰過程中由射程移位器改變了 8次離子束能量，同時(shí)由離子探測器完成了對通過由射程移位器得到的不同能量離子束9個(gè)mini-SOBP疊加權(quán)重的控制。而僅用IOmmFWHM微型脊形過濾器對235MeV/u碳離子束的Bragg峰進(jìn)行展寬得到 30mm寬度的S0BP，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果如圖7所示，同樣計(jì)算曲線與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果符合較好，特別是SOBP后沿計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測量值符合很好，SOBP后沿的劑量半影為5. 0mm，展寬Bragg峰過程中由射程移位器改變了 7次離子束能量，同時(shí)由離子探測器完成了對通過由射程移位器得到的不同能量離子束8個(gè)mini-SOBP疊加權(quán)重的控制。兩者相比，本發(fā)明方法使得展寬Bragg峰后沿的劑量半影減小了 3. 2mm。這次實(shí)驗(yàn)測試證實(shí)了本發(fā)明方法是可行的。
權(quán)利要求
1.一種利用高能離子束輻照時(shí)減小離子束展寬Bragg峰后沿劑量半影的方法，微型脊形過濾器垂直放置于束流掃描二級磁鐵(1)、離子探測器O)、射程移位器(5)間的束流軸線中，并置于離子探測器(2)與射程移位器(5)之間，由束流掃描二級磁鐵(1)形成均勻照射野的離子束通過微型脊形過濾器進(jìn)行照射，離子探測器(2)對離子束的強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測， 微型脊形過濾器為FWHM2微型脊形過濾器(4)和FWHM1微型脊形過濾器(3)；其特征是先采用FWHM1微型脊形過濾器( 對所需展寬Bragg峰的深處進(jìn)行照射，然后以FWHM2微型脊形過濾器(4)替換FWHM1微型脊形過濾器C3)對展寬Bragg峰的其他部分進(jìn)行照射，在形成所需寬度展寬Bragg峰的照射過程中，由離子探測器(2)完成對各微小的展寬Bragg峰疊加權(quán)重的控制，由射程移位器( 來實(shí)現(xiàn)對離子束能量的改變，其中，上述FWHM1微型脊形過濾器C3)使所述離子束略微展寬后的微小的展寬Bragg峰的半高寬較小，上述FWHM2微型脊形過濾器(4)使所述離子束略微展寬后的微小的展寬Bragg峰的半高寬較大。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種利用高能離子束輻照時(shí)減小離子束展寬Bragg峰后沿劑量半影的方法，其特征是上述高能離子束為重離子束，或?yàn)橘|(zhì)子束。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的一種利用高能離子束輻照時(shí)減小離子束展寬Bragg峰后沿劑量半影的方法，其特征是上述重離子束能量為lOOMeV/u 500MeV/u，對于質(zhì)子束其能量為50MeV 250MeV，離子束強(qiáng)度為IO5 1010pps。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種利用高能離子束輻照時(shí)減小離子束展寬Bragg峰后沿劑量半影的方法，其特征是上述FWHM2微型脊形過濾器(4)對離子束Bragg峰略微展寬形成劑量高斯型分布微小展寬峰的半高寬在8mm 12mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種利用高能離子束輻照時(shí)減小離子束展寬Bragg峰后沿劑量半影的方法，其特征是上述FWHM1微型脊形過濾器C3)對離子束Bragg峰略微展寬形成劑量高斯型分布微小展寬峰的半高寬在3mm 5mm。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種利用高能離子束輻照減小離子束展寬Bragg峰后沿劑量半影的方法。脊形過濾器垂直放置于束流掃描二級磁鐵、離子探測器、射程移位器間的束流軸線中，并離子探測器與置于射程移位器之間，由束流掃描二級磁鐵形成均勻照射野的離子束通過微型脊形過濾器進(jìn)行照射，其步驟是先采用微型脊形過濾器FWHM1對所需SOBP的深處進(jìn)行照射，然后以微型脊形過濾器FWHM2替換微型脊形過濾器FWHM1對SOBP的其他部分進(jìn)行照射。本發(fā)明可充分發(fā)揮離子束輻照時(shí)能量沉積局域性的優(yōu)勢，在實(shí)施三維適形照射時(shí)既可減小離子束Bragg峰后沿的劑量半影，同時(shí)又減少了照射時(shí)間，在進(jìn)行離子束輻照材料改性、輻照育種和放射治療等離子束輻照技術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G21K5/04GKCN101763909 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 201010100137
公開日2011年12月28日 申請日期2010年1月20日
發(fā)明者劉新國, 葉飛, 吳慶豐, 徐瑚珊, 戴中穎, 李強(qiáng), 李萍, 肖國青, 金曉東 申請人:中國科學(xué)院近代物理研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (4), 非專利引用 (6),