[发明专利]确定粒子束在材料中的作用的方法

说明书

技术领域

本发明涉及确定粒子束在至少部分受辐射的材料或待辐射的材料中的作用的方法、用于辐射目标体积的辐射规划方法和使用粒子束来辐射目标体积的方法、辐射规划、射线调节装置和辐射设备。

背景技术

使用离子束或粒子束对辐射体积中的目标体积进行辐射涉及对物质、特别是无机材料、有机材料和生物材料进行辐射，并且用于研究、工业和医学工程学等各个领域。目标体积特别包括将要沉积预定剂量从而使受辐射材料改性的区域；辐射体积特别还包括材料中被射线穿透从而在目标体积中实现所需剂量的那些区域。“粒子束”或“离子束”特别理解为由带电粒子如质子、碳离子或其他元素的离子、π介子或中性粒子(如氖)构成的高能束。在以下说明中，术语“离子束”和“粒子束”可以互换使用。“高能”特别理解为在数个MeV/amu至数个GeV/amu(amu：原子质量单位)范围内的粒子能量。

适于实施辐射的辐射设备一般具有产生并形成离子束的加速装置，为了辐射，将该离子束经由射线传输系统引导到设置有辐射体积的区域中。辐射设备还包括射线调节装置，其可以调节离子束的参数使之适应目标体积的位置和大小。

辐射体积例如可以是用来验证辐射区域的检测器系统。一般而言，辐射体积包括辐射区域，该辐射区域是在侧边方向上、一般为x和y方向最大伸展的区域，并垂直于离子束的方向。检测器系统可以包括检测器区域或所谓的“堆(Stack)”，其具有多层彼此先后设置的侧边伸展的检测器区域。在放射剂量确定领域中，为此目的，例如使用具有照相乳剂的胶片。也可使用核示踪检测物测量辐射区域的能流分布。在医学应用中，对生物组织进行辐射用于研究粒子辐射的作用，从而能够估计暴露于空间宇宙辐射的作用。最后，辐射体积也可以是患者中的肿瘤体积。在这种情况中，离子束用来破坏目标体积中的肿瘤体积。

在肿瘤治疗中，离子束的特别性质使其能够破坏肿瘤组织并且对周围健康组织的破坏最小。这与离子束的有利的深度剂量分布有关。当高能离子束穿透至材料中时，它们首先沉积很少的能量。随着深度增加，能量沉积增加，在称为布拉格峰的分布曲线区域中达到其最大值，然后迅速降低。以这种方式，甚至在更深的肿瘤的情况中，在肿瘤组织中可以沉积比周围健康组织中更多的能量。

离子束在辐射体积显示一种作用，该作用取决于待辐射材料的类型并取决于离子束的参数。一般而言，离子束具有不同于光子辐射的作用。这表示，使用离子束时，必须沉积与使用光子束时不同的剂量，从而实现预定的作用或预定的辐射效应。引起与离子剂量D_I相同辐射效应的光子剂量D_γ称为“有效剂量”。对于无机材料、有机材料和生物材料都观察到了离子束的改变作用。在无机材料中，与光子束相比，倾向于观察到更小的离子束的作用。相反，当用离子辐照生物材料时，通常观察到比利用光子束更高的作用以及更大的效应。

在实际辐射前，一般而言，生成了对目标体积(如模体(phantom)中的亚区域或肿瘤)进行辐射的辐射规划。在用离子束进行辐射的情况下，该辐射规划应当尽可能考虑离子束的作用。

多种生成辐射规划的方法是已知的。例如，在文献和Scholz，2000，Physics in Medicine and Biology，Vol.45，pp.3319-3330中记载了一种生成辐射规划的方法。

离子束在材料中的作用以复杂的方式依赖于离子类型、离子能量、辐射剂量、受辐射的材料和各个所观察到的效应。以对于辐射规划的必要的精确性来实验地确定多重依赖性，实际上是不可实现的。因此，可以预测变化的作用的模型是实施辐射规划的重要工具。这些模型通常基于简化处理和近似处理，这是因为它们所基于的破坏无机材料、有机材料和生物材料的机制还没有足够精确地被定量确定。相应地，这些模型的应用领域一般也受到限制。

在文献Scholz et al，Radiation Environmental Biophysics，Vol.36，pp.59-66(1997)中记载了这种模型的一个实例。该模型称为LEM，其为“局部效应模型”的缩写。

到目前为止，已知的模型不能在轻离子到重离子的整个范围上提供辐射规划的足够精确的信息。

因此，有必要使用在宽的质量范围上、特别是从质子到氖离子的模型，以所需的精确度可靠地描述并预测粒子束、特别是离子束的作用。

发明内容