[发明专利]基于纳剂量学获得离子束辐照方案的方法

说明书

本发明涉及一种基于纳剂量学获得离子束辐照方案的方法，该方法包括以下步骤：在标定条件下，同时获取标定的纳米剂量学量并量化辐射效应；确定辐射效应参数；计算相应的纳剂量学量，应用辐射效应参数，优化辐照方案。本发明还包括验证已有离子束辐照方案是否需要调整的方法以及实施根据本发明获得的离子束辐照方案的主动式束流配送装置和被动式束流配送装置。

技术领域

本发明属于辐射应用领域，具体地涉及一种基于纳剂量学获得离子束辐照方案的方法以及通过该方法来验证已有辐照方案的方法。本发明还涉及用于实施通过本发明的基于纳剂量学获得离子束辐照方案的方法获得的离子束辐照方案的被动式束流配送装置和主动式束流配送装置。

背景技术

离子束(下文中有时也称之为束流)是指由带电粒子(包括质子、重离子等)构成的高能离子束流。离子束通常可以通过可以产生并形成离子束的加速装置人工制备。此外，自然界(尤其是外太空)中亦存在各类离子束射线。由于离子束特殊的物理学性质，其在材料科学，生物医学，农业等领域具有重要的应用前景。此外，在航空航天领域，太空离子束射线对宇航器以及航天员的影响亦是极为重要的。

与X，γ以及电子射线不同的是，不同能量的离子束，或某一能量离子束在材料中的不同深度处的辐射品质(即辐射授予物质的能量在微观空间内的分布，通常以传能线密度(LET)来表征)差别较大，这一差别会造成其产生的辐射效应的不同。以初始能量为330MeV/u的碳离子束为例，其辐射品质随深度的增加而增大，在2cm水等效深度处的相对生物学效应(RBE)(以人类唾液腺肿瘤HSG细胞10％存活为生物学终点)仅为在20cm水等效深度处相对生物学效应的约1/3。不同能量离子束或离子束在材料中不同深度处的辐射品质的变化，一直以来制约着离子束在各领域的应用。而另一方面，用实验手段获取不同类型离子、不同能量、不同剂量、不同材料等条件下的辐射效应几乎是不可能实现的。为解决这一问题，一系列解决方案被提出。如在离子束肿瘤治疗领域，Kanai等人提出的基于LET的辐照方案设计方法(T.Kanai,et al.(1997)Irradiation of mixed beam and design ofspread-out Bragg peak for heavy-ion radiotherapy.Radiation Research 147(1):78)认为，离子束辐射效应参数是LET的函数，进而进行相应的辐照方案设计。然而，实验已经证明，对于不同种类的离子束，即使LET相同，其辐射效应也是不同的。因此Kanai等人的模型在应用过程中受到了较大的限制。另一方面，Kase等人还提出了基于微剂量学的微剂量动力学模型(MKM)，该模型在一定程度上可以从离子束在微米尺度能量沉积的规律出发计算相应的辐射效应，进而进行辐照方案设计及有效剂量的计算。但由于该理论基本假设的限制，当辐射场的辐射品质发生变化时，该模型计算的部分辐射效应参数并不随之变化，使得该模型在高剂量率，大剂量照射等条件下不能得到较准确的辐照方案设计及有效剂量计算结果。此外，Scholz等人还提出了局部效应模型(LEM)，然而该模型存在仅采用了近似的离子束径迹结构进行相关计算，辐射损伤相互作用发生在微米尺度等问题，从而计算结果在某些情况下与实际差别较大。此外，由于该方法必须在已知辐射场的辐射成分的前提下才能进行应用，因而在未知辐射场中并不能加以应用。又如在辐射防护领域，为区别不同辐射品质射线，常引入辐射权重因子等参数，然而这些参数并不适用于精确度要求较高的情形。到目前为止，已知的离子束辐射效应计算方法不能满足在较宽辐射品质范围上实现较精确的离子束辐照方案设计及验证。

因此，需要对离子束辐射效应进行精确评估的方法，从而从本质上揭示离子束辐射效应并进行相关辐照方案设计，有助于拓展离子束的应用。

发明内容

为解决现有技术中的上述问题，本发明引入纳剂量学，以更低维度物理量为基础建立了一种获得离子束辐照方案的方法，在更精细的尺度上评估离子束的辐射效应。

因此，在第一个方面，本发明提供了一种基于纳剂量学获得离子束辐照方案的方法(在下文中，有时简称为“本发明的方法”)，所述方法包括以下步骤：