模拟束流输运与生物效用以开发离子束放射治疗的治疗计划

碳离子放射治疗是一种新型的癌症放射治疗技术，特别适用于治疗位于难治部位的抗辐射肿瘤。治疗计划是癌症放射治疗的基本程序，其中医学物理师根据医疗处方，确定在肿瘤体积内灭活癌细胞的最佳分布。离子放射治疗计划面临的主要困难是正确考虑离子在肿瘤体积内的展宽布拉格峰 (SOBP) 区域增强的放射生物效应。在这种情况下，与传统的 photon 束放射治疗不同，在肿瘤体积内实现均匀剂量分布并不意味着实现均匀的癌细胞灭活。本论文开发了一种用于碳离子治疗的治疗计划系统 (TPS) 基本单元 (kernel) 的算法。该算法由一个放射生物学部分和一个物理束流输运模型组成；放射生物学部分适当修正了离子辐照对癌细胞的增强生物效应。在放射生物学组件中，应用了 Katz 的细胞存活径迹结构模型，并在验证其物理假设和改进该模型某些方面之后使用。Katz 模型能够快速准确地预测原初碳离子及其次级碎片混合场中的细胞存活率。物理束流模型基于先前通过 Monte Carlo 模拟准备的可用表格数据。所开发的 TPS kernel 的两个组件在一个优化工具中结合，允许选择碳离子束的入射能量 - 通量谱，以便在 SOBP 区域实现预设的均匀（平坦）深度存活分布，从而确保在整个肿瘤深度上均匀灭活癌细胞。