Mechanistic driven TCP and NTCP modeling for particle therapy accounting for a broad range of physical irradiation parameters and tissue environmental conditions
Trento Institute for Fundamental Physics and Application (TIFPA)（特伦托基础物理与应用研究所）；University of Trento（特伦托大学）；Louisiana State University (LSU)（路易斯安那州立大学）
本文提出了一种通用机制模型，用于描述粒子治疗对不同组织的影响，超越泊松假设，扩展了广义随机微剂量模型（GSM2），以研究宏观生物系统。模型考虑了能量沉积、组织异质性和不同辐射质量及分次方案的影响。
2026-04-30 physics.med-ph
A DNA damage multi-scale model for NTCP in proton and hadron therapy
{ \bf用途}：为质子和一般粒子治疗的正常组织并发症概率（NTCP）开发第一原理和多尺度模型，其目标是将纳米尺度放射化学纳入宏观尺度细胞生物学途径，从初始DNA损伤到组织晚期效应。{ \bf方法}：该方法是分析和多尺度计算步骤的组合，包括（1）推导NTCP对DNA驱动的细胞致死率的功能依赖性（以纳米为单位），并映射到剂量和LET（以毫米为单位），以及（2）对基于辐射后图像变化生成的Monte Carlo数据集进行3D表面拟合，并收集了通过扫描质子束治疗室管膜瘤的14名儿科患者的队列。我们对基于体素的剂量和与NTCP坏死发展相关的LET进行了分类。{ \bf结果}：我们的模型与放射后组织毒性和坏死的临床数据拟合良好。拟合过程导致提取{ \it vivo}放射生物学$α$ - $β$指数及其数值。{ \bf讨论和结论}：本工作中探索的NTCP模型允许将组织毒性与DNA初始损伤、细胞致死率以及辐射、剂量和LET的性质和质量相关联。
2020-01-07 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph physics.data-an
Neutrons from fragmentation of light nuclei in tissue-like media: a study with GEANT4 toolkit
我们研究了轻核在组织样介质中的能量沉积，同时考虑了核碎裂反应，特别是次级中子的产生。在基于GEANT 4工具包的重离子治疗（MCHIT）蒙特卡罗模型内进行计算。对135 A-400 A MeV C-12和O-18束的深度-剂量分布的实验数据进行了很好的描述，而无需对模型参数进行任何调整。这为成功使用GEANT 4工具包进行光核束癌症治疗的MC模拟提供了信心。C-1 - 2和Ne-20射束在（40-50 cm）^[3]水模体中产生的次级中子引起的能量沉积估计为总剂量的1-2%，仅略高于200 MeV质子射束引起的中子贡献（~1%）。
2005-07-12 physics.bio-ph physics.med-ph
Transformative Technology for FLASH Radiation Therapy: A Snowmass 2021 White Paper
传统的癌症治疗包括手术、放射治疗、化学治疗，以及最近的免疫治疗。这些方式往往结合起来，以提高治疗指数。放射治疗的一般概念是通过精确的剂量靶向、图像引导和以高适形性递送放射剂量的高放射射束在肿瘤和正常组织之间产生物理剂量差异来增加治疗指数，例如，质子和离子。然而，治疗和治愈仍然受到正常组织辐射毒性的限制，许多患者经历急性和长期副作用。然而，最近，一个根本不同的范例，增加放射治疗的治疗指数已经出现，支持临床前研究，并基于闪光辐射效应。FLASH放射治疗（FLASH-RT）是一种在几分之一秒内以超高剂量率输送治疗辐射剂量的方法。实验研究表明，正常组织似乎普遍在这些高剂量率下幸免，而肿瘤则不然。剂量输送条件尚未完全表征。尽管如此，目前估计在200 ms或更短时间内递送的10 Gy或更高的大剂量产生正常组织保留效应，但有效地杀死肿瘤细胞。加速器社区有很大的机会，但也有许多技术挑战，以创造所需的剂量率与新颖和紧凑的加速器，以确保安全提供闪光辐射束。
2022-03-21 physics.acc-ph physics.med-ph
Pulsed Ultrasound Assisted Thermo-therapy for Subsurface Tumor Ablation: A numerical investigation
高强度聚焦超声（HIFU）具有无创、穿透深度大等特点，是一种很有前途的热消融和热疗治疗方法。有效的HIFU热治疗需要能够准确地预测靶组织中的温升和相应的热剂量分布。我们报告了一个参数的数值研究的热响应和相应的热剂量在生物组织中响应超声。我们比较了两层、三层和七层组织模型的预测结果与占空比为0.6和0.9的超声诱导加热。此外，考虑了两种肿瘤尺寸和换能器功率（10 W和15 W）。将非均匀Helmholtz方程与Penne的生物热方程相结合，预测脉冲超声的加热响应。使用累积等效分钟（CEM）热剂量函数计算坏死病灶大小。用琼脂基组织模型进行体外实验，作为数值结果的初步验证。使用七层模型进行的模拟预测的峰值压力幅度比三层模型低33.5%。当等效声处理时间一定时，随着超声脉冲宽度的减小，对应的峰值温度和温升速率减小。脉冲超声波导致增加体积的坏死病变的等效时间的超声处理。这项研究的结果突出了HIFU诱导的加热对目标几何形状和声学特性的依赖性，并有助于指导选择合适的超声暴露参数进行进一步研究。
2020-07-13 physics.med-ph
Transurethral ultrasound therapy of the prostate in the presence of calcifications: A simulation study
目的：经尿道超声治疗是一种研究性治疗方式，可能用于前列腺癌的局部治疗。这种治疗的限制因素之一是前列腺钙化。这些衰减和反射超声波，从而降低加热的功效。本研究的目的是调查前列腺钙化如何影响治疗效果，并确定钙化时的最佳超声治疗策略。研究方法：在临床患者数据上使用真实的计算模型，以模拟具有自然发生的钙化以及不同尺寸（1-10 mm）和距离（5-15 mm）的人工钙化的不同治疗情况。此外，测试了不同的超声处理策略，以便将治疗递送到钙化后面的未治疗组织区域。结果如下：在超声场前面的钙化的存在下，发现平均增加100%的峰值压力，而最高温度仅上升了9%，在20秒的超声处理。超声能量的损失是由于前列腺组织和钙化之间相对较大的声阻抗失配（1.63 vs 3.20 MRayl）和高衰减系数（0.78 vs 2.64 dB/MHz ^1.1/cm），这两个因素共同导致钙化后面的未治疗组织区域。此外，在换能器和钙化之间的区域观察到温度升高。较低的超声频率（1-4 MHz）不能有效穿透钙化，但使用选择性换能器元件的较长超声持续时间（20-60 s）可有效治疗钙化后面的组织区域。
2019-09-29 physics.med-ph
Proton therapy range uncertainty reduction using vendor-agnostic tissue characterization on a virtual photon-counting CT head scan
Vinaver Medical（维纳弗医学）；Faculty of Medicine, University of Novi Sad（诺维萨德大学医学院）；Carl E. Ravin Advanced Imaging Laboratories and Center for Virtual Imaging Trials, Duke University（杜克大学卡尔·E·拉文先进成像实验室与虚拟成像试验中心）；Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO)（国家肿瘤质子治疗中心）；Department of Radiology, Duke University（杜克大学放射系）
本文提出使用虚拟成像模拟器和TissueXplorer软件，通过计算模型和光子计数CT扫描，提高质子治疗射程不确定性的预测精度。
2026-01-02 physics.med-ph
Delivery of Liquid Metal to the Target Vessels as Vascular Embolic Agent to Starve Diseased Tissues or Tumors to Death
肿瘤生长严重依赖于持续的血液和营养供应。从理论上讲，单纯血管栓塞是一种理想的治疗肿瘤的方法。然而，现有的大多数血管栓塞剂仍然不足以满足实际的临床需要，原因在于：靶血管的不完全填充，容易被血液或体液冲走，或者仅仅对组织产生毒性。本文从另一个角度出发，首次提出将一种柔软、高顺应性的材料--体温液态金属作为肿瘤物理治疗的血管栓塞剂。利用其独特的液态和固态之间容易发生相变的能力和过冷行为，这种材料可以流畅地注入到包括末端毛细管在内的微小血管中并完全堵塞它们。体外细胞毒性实验表明，液态金属栓塞剂治疗局部病变组织是可行的。CT扫描下，充满液态金属的血管密度高，可见度高，具有诊断-治疗一体化的潜力。为了进一步证明新概念的液态金属血管栓塞治疗，进行了兔耳和小鼠尾的体内血管实验，以提供破坏靶组织的证据。为了解释液态金属饥饿治疗的效果，建立了理论模型来模拟血管内金属试剂零填充、部分填充或完全填充的肿瘤生长。这些结果支持了在适当的给药下，液态金属栓塞能够破坏靶区，并可能通过相对容易的方式饿死肿瘤。该研究为未来肿瘤饥饿治疗奠定了基础。
2014-08-04 physics.med-ph
Cancer and electromagnetic radiation therapy: Quo Vadis?
在肿瘤学中，用光子束治疗癌症是一种成熟的治疗技术，发展了100多年，今天超过50%的癌症患者将接受传统的X射线放射治疗。然而，电离辐射治疗并不是唯一的选择，因为高能光子将其细胞杀伤辐射能量传递到癌性肿瘤中，可以导致位于整个光束路径上的肿瘤周围的健康组织的显著损伤。因此，如今，电离辐射治疗的进展与非电离治疗竞争，例如基于激光的治疗，从而产生了一种协同作用，彻底改变了医学。在患者管理中使用无创或微创（例如，通过柔性内窥镜）治疗程序代表了一种非常有趣的治疗选择。此外，由于癌症管理的主要突破是个体化患者治疗，新的生物光子技术，例如光活化药物载体，有助于改善治疗效果和/或正常组织毒性。此外，最近的研究表明，激光技术的进步可以通过降低所需安装的成本来彻底改变癌症质子治疗。本文综述了基于激光的肿瘤放射治疗的未来目标，包括电离和非电离放射治疗，即质子和重离子治疗，以及光动力靶向和分子治疗的相关进展。
2016-02-05 physics.med-ph q-bio.TO
Neutron Therapy in the 21st Century
中子治疗是否有效的问题已经得到了回答。这是一个合格的是，就像所有的放射治疗一样。但是，中子治疗在射束输送技术方面没有跟上其余放射治疗的步伐。现代光子和质子体外放射治疗常规地实现图像引导、射束强度调制和三维治疗计划。目前迭代的快中子放射治疗没有。然而，解决这些缺陷不是技术或理解的问题，而是资源的问题。中子治疗的未来在于更好地理解辐射与活组织的相互作用过程。为了优化中子治疗的使用，需要放射生物学和计算机模拟的结合。需要回答的问题是：我们能把宏观和微观联系起来吗？什么是最佳能量？什么是最佳能谱？我们能否绘制出人体各种组织的敏感度，并利用这些知识为我们服务？一旦我们对上述放射生物学问题有了更好的理解，我们是否能够利用这种理解，以与现在光子和质子相媲美的方式精确而准确地输送快速中子？本报告将回顾迄今取得的成就。然后，它将列出中子治疗真正成为21世纪治疗所需要回答的问题。
2014-09-05 physics.acc-ph physics.med-ph
Physics of ion beam cancer therapy: a multi-scale approach
我们提出了一个多尺度的方法来了解物理相关的离子束癌症治疗。它允许计算DNA损伤的概率，作为组织的高能离子照射的结果，高达430 MeV/u。这种方法涵盖了不同的尺度，从大尺度开始，由离子停止定义，然后是较小的尺度，由次级电子和自由基定义，并以最短的尺度结束，由次级电子与DNA的相互作用定义。我们提出了计算的DNA单链和双链断裂的概率，提出了一种方法，以进一步扩大这种计算，并暴露于辐射的神经胶质细胞也作出了一些估计。
2008-11-06 physics.bio-ph physics.med-ph
A simulation study of a dual-plate in-room PET system for dose verification in carbon ion therapy
由于碳离子治疗的能量主要沉积在选择性深度（通常称为布拉格峰），因此可以克服常规放射治疗的局限性，从而提高生物学效应。在碳离子治疗过程中，受照组织中通过核反应产生大量的正电子发射体，如$^{11}$ C、$^{15}$ O、$^{10}$ C等。在患者照射之后，PET扫描仪可以立即用于测量正电子发射器的空间分布，其可以跟踪碳束到组织。本研究基于GATE仿真平台，设计并评价了一种用于碳离子治疗患者剂量监测的双板室内PET扫描仪。双板PET旨在避免干扰碳束线和患者定位。并与四头和全环PET扫描仪的性能进行了比较。双板、四头和全环PET扫描仪分别由30、60、60个探测器模块组成，直接相对的探测器模块之间的距离为36 cm，用于剂量沉积测量。每个检测器模块由耦合到Hamamatsu H8500 PMT的2个$\times2\times$ 18 mm $^{3}$ LYSO像素的24个$\times$ 24阵列组成。为评价正电子发射体的产额，用172、200、250 AMeV $^{12}$ C束辐照10个$\times15\times$ 15 cm $^{3}$长方体PMMA体模。通过迭代重建算法产生三种类型扫描仪的活动分布的3D图像。通过比较沿碳束路径测量的正电子发射器的纵向轮廓，我们得出结论，开发双板PET扫描仪来监测碳离子治疗的剂量分布是可行的。
2013-10-08 physics.bio-ph physics.med-ph
The effect of temperature dependent tissue parameters on acoustic radiation force induced displacements
多种超声弹性成像技术依赖于声辐射力（ARF）来监测高强度聚焦超声（HIFU）治疗。然而，ARF取决于组织衰减和声速，已知这两者都随温度变化，使得治疗监测更具挑战性。此外，组织的粘弹性也是温度依赖性的，这影响ARF引起的位移。本研究的目的是量化的温度依赖性的变化，肝脏的声学和粘弹性特性，并调查其对ARF诱导的位移通过使用实验方法和模拟的效果。此外，在温度达到80 ℃时，在0.1-200 Hz的频率范围内实验测量了肝脏的温度依赖性粘弹性，并使用常规和分数齐纳模型来拟合数据。分数齐纳模型被认为是更好地配合与实验粘弹性数据相对于传统的模型，最多两个幅度较低的平方误差（SSE）。由于衰减系数和损伤发展的变化，在模拟中也看到了实验位移数据的特征。在热消融前的低温下，发现衰减影响位移幅度。在较高的温度下，由于粘弹性变化和损伤生长的组合效应压倒衰减效应，位移幅度的减小大约发生在60-70 ℃。结果表明，有必要在HIFU治疗过程中连续监测位移，以确定何时发生消融。
2016-10-24 physics.med-ph
A suggestion for B-10 imaging during boron neutron capture therapy
B-10化合物在肿瘤组织中的选择性积累是实现硼中子俘获治疗（BNCT）的基本条件，因为治疗照射的有效性仅来源于B-10的中子俘获反应。因此，在治疗过程中，确定肿瘤和健康组织之间的B-10浓度比以及控制该比例对于优化BNCT的有效性是必不可少的，已知BNCT基于B-10化合物的选择性摄取。在这项工作中，实验方法的建议和评估的生物样品中的B-10化合物在体内的测定，特别是基于中子射线照相术和γ射线光谱望远镜系统。用6LiF/ZnS：Ag闪烁屏和CCD照相机，用热中子照相法和基于B-10和H的γ射线反应产物的光谱法，对10 B分布进行了测量和蒙特卡罗计算，以探讨进行成像的可能性。实现了一种重建算法。本研究已经完成了B-10摄取的标准情况，以及提出的情况下，其中，相同的载体，也合成Gd-157，在NMRI中使用的造影剂的量。
2007-12-04 physics.med-ph
High brightness electron beam for radiation therapy: A new approach
我建议使用1至100 MeV能量的高亮度电子束作为对抗身体深部肿瘤或癌组织的工具。该方法是通过连接到世界各地普遍可用的高亮度电子束加速器的小管将电子束直接输送到肿瘤部位。在这里我给出了一个基本的原则方案，我相信人们提出的其他问题将很容易为那些有兴趣解决问题的人解决。
2017-06-28 physics.med-ph
Benchmarking GEANT4 nuclear models for hadron therapy with 95 MeV/nucleon carbon ions
在碳疗法中，入射光束与人体组织的相互作用可能导致产生大量的核碎片和次级轻粒子。因此，对沉积到肿瘤和周围健康组织中的生物剂量的准确估计需要基于核反应模型的复杂模拟工具。这些模型的有效性需要与尽可能多的实验数据集进行深入的比较。到目前为止，在强子治疗所用的能量范围内（高达400 MeV/A），已经测量了一组相当有限的双电子碳碎裂截面。然而，最近在中等能量（95 MeV/A）下获得了新的数据。这项工作的目的是比较嵌入在GEANT 4蒙特卡罗工具包与这些新数据的反应模型。讨论了G4 BinaryLightIonReaction、G4 QMD Reaction和INCL++模型与广义蒸发模型和费米分裂模型耦合的优缺点。
2014-05-30 nucl-ex physics.med-ph
Design of a new tracking device for on-line dose monitor in ion therapy
带电粒子疗法是一种利用强子束（主要是质子和碳）治疗癌症的技术。一个关键问题是监测由射束释放到肿瘤和周围组织的剂量。我们提出了一种新的跟踪装置的设计，用于在线监测剂量的离子治疗，通过检测的二次带电粒子在病人组织中的束相互作用。事实上，带电粒子发射形状可以与空间剂量释放和布拉格峰位置相关。探测器使用12层闪烁纤维提供的信息，然后是塑料闪烁体和由像素化的硅酸镥晶体制成的小型热量计。已经进行了模拟，以评估可实现的空间分辨率和一个可能的应用程序的设备在一个真正的治疗剂量分布的监测。
2016-07-28 physics.ins-det physics.med-ph
Monitoring of neoadjuvant chemotherapy through time domain diffuse optics: Breast tissue composition changes and collagen discriminative potential
本研究利用635–1060 nm时域漫射光学光谱监测乳腺癌NAC反应，发现患侧乳腺血红蛋白、胶原和水下降、脂质上升，且胶原有望早期区分完全与部分反应者。
2024-05-08 physics.med-ph
PET monitoring of cancer therapy with He-3 and C-12 beams: a study with the GEANT4 toolkit
我们研究了$β^+$ -活性的空间分布产生的治疗光束的$^3$ He和$^{12}$ C离子在各种组织样材料。在基于GEANT 4工具包的重离子治疗（MCHIT）蒙特卡罗模型内进行计算。计算了$^{10,11}$ C、$^{13}$ N、$^{14,15}$ O、$^{17,18}$ F和$^{30}$ P正电子发射核的贡献，并与辐照前后的实验数据进行了比较。利用$^{12}$ C束在靶核和射弹核的碎裂反应中产生正电子发射核。这导致$β^+$ -活性曲线，其特征在于在相应的深度-剂量分布中靠近布拉格峰的显著峰。与此相反，由于靶碎裂反应中大部分正电子发射核是由$^3$ He束产生的，因此在辐照期间或辐照后不久计算的总$β^+$ -活度均匀地分布在射弹射程内。然而，我们预测还存在的$^{13}$ N，$^{14}$ O，$^{17,18}$ F创建的电荷转移反应中的低能量$^3$ He离子接近其范围的结束，在几个组织样媒体。对这两种束流的$β^+$活度分布随时间的演化进行了研究.由于$^{18}$ F核素的产生，在用$^{3}$ He离子辐照后2或3小时测量的$β^+$ -活性曲线将具有与深度-剂量分布的最大值相关的明显峰。我们发现，在浅层肿瘤的粒子治疗过程中，低能$^{3}$ He束比低能质子束具有可靠的PET监测的某些优势。在这种情况下，来自$^{17}$ F核的$β^+$活性分布…
2007-08-13 physics.med-ph
Measurement of proton-induced radiation in animal tissue
由于强子疗法在剂量学和放射生物学方面的优势，它越来越多地应用于肿瘤治疗。这种处理方法也导致高能质子对原子核产生放射性效应。核反应可能导致放射性同位素的产生。在本实验中，用60 MeV质子照射两个动物（类人）组织样本。伽马射线光谱和寿命测量允许识别辐照期间产生的同位素，例如$^{18}$ F和$^{34m}$ Cl。
2018-04-25 physics.med-ph
A Positivity-Preserving Finite Element Framework for Accurate Dose Computation in Proton Therapy
本文提出一种结合非弹性能量损失与弹性散射的稳定有限元方法，通过保正公式在粗网格上保证非负通量与剂量，实现质子治疗中临床相关量的可靠计算，并经先验误差估计与数值基准验证其最优收敛速率。
2025-06-01 cs.NA math.NA physics.med-ph
Thermomechanical Assessment of Breast Tumor Subjected to Focused Ultrasound and Interstitial Laser Heating
在激光和超声热疗期间，总是期望具有对患者具有最小的热诱导伤害性疼痛感觉的、保留邻近健康组织的深定位肿瘤的精确坏死。本研究的目的是确定在高强度聚焦超声（HIFU）和激光间质热治疗（LITT）过程中，纳米颗粒混合组织在脉冲和连续加热下的效果。结合组织热弛豫时间（）的当前问题在表示复杂的不均匀组织结构的三维多层脉管系统乳腺肿瘤模型中得到解决。利用COMSOL Multiphysics（Bangalore，India）软件同时求解了光场、声场、流体场、温度场和机械场的耦合辐射转移、Helmontz、动量、双相滞后（DPL）和平衡方程。还对琼脂基组织体模进行了体外研究，以验证聚焦超声加热的当前数值结果。与非聚焦激光加热相比，聚焦超声加热下组织的热驰豫时间会导致热历史和损伤历史发生显着变化。在组织温度有限上升的情况下，与连续加热模式相比，具有较低占空比（16.6%）的较长时间的脉冲加热模式显示出目标特定的坏死性损伤，伤害性疼痛减少。此外，纳米颗粒和多级动脉和静脉的存在影响外部加热下的热和机械响应。因此，本研究结果有助于了解在临床热疗实践中不同的外部加热模式和热源对肿瘤坏死的作用。
2020-07-28 physics.med-ph
MRI-based Material Mass Density and Relative Stopping Power Estimation via Deep Learning for Proton Therapy
本研究提出基于深度学习的仅MRI质量密度与相对阻止本领估计方法，通过体模和患者研究验证，可支持质子治疗计划，误差低于0.8%。
2022-10-11 physics.med-ph
Liquid Metal Enabled Electrobiology: A Generalized Easy Going Way to Tackle Disease Challenges
在这篇文章中，提出了一种新的概念生物医学工程战略，以应对现代疾病的挑战，称为液态金属使能电生物学。这种普遍的和容易进行的方式是基于这样的生理事实，即特别施用的电将诱导一系列随后的期望的生物效应，无论是短期的，过渡的还是永久的。由于在生物组织的任何部分内的高顺应性，液态金属将有助于塑造一种普遍的方式来治疗生理或心理疾病。作为高导电性和无毒的多功能柔性材料，这种液体金属（LM）由核心组成，以产生任何所需的电治疗场（ETFields），其可以适应人体内的各种部位。解释了电生物学的基本机制，将电传递到靶组织，然后诱导预期的输出用于疾病治疗。阐述了基于液态金属实现柔性电子器件的方法。此外，采取了一组典型的疾病挑战来说明进行液态金属电生物学治疗的基本策略，包括但不限于：组织电子学、大脑疾病、免疫疗法、神经功能恢复、肌肉刺激、皮肤年轻化、美容和节食、人造器官，心脏起搏和癌症治疗等。讨论了电生物学在未来疾病治疗中的一些实际问题。指出了沿着这一方向孵化一个简单的医疗保健生物医学工具的前景。
2018-05-10 physics.med-ph
Laser Induced Heat Diffusion Limited Tissue Coagulation: Problem and General Properties
以前，我们已经开发了一个自由边界模型，激光吸收引起的局部热凝固时，直接受激光影响的组织区域是足够小，热扩散到周围组织支配的坏死生长。在本论文中，调查所获得的结果，我们国家的观点在这些条件下的坏死形成的基础上的个人激光治疗模式表现出特定的属性。具体而言，粗略地说，所产生的坏死域的大小由组织的物理特性及其对局部加热的响应以及由施用器形式而不是治疗持续时间和照射功率确定。
2000-12-30 physics.comp-ph physics.med-ph q-bio
A Survey on 4π Treatment Planning Technique for Radiation Therapy
本综述全面概述4π放射治疗计划技术，该技术通过优化辐射角度以增加肿瘤剂量并保护危及器官，其优化问题公式化是核心创新。
2023-07-26 physics.med-ph
Recent Progress in Pencil Beam Scanning FLASH Proton Therapy: A Narrative Review
背景和目的：最近使用超高剂量率放射治疗（FLASH-RT）的实验研究表明，与传统剂量率RT相比，改善了正常组织的保护和可比的肿瘤控制。具有优越剂量学特性的双束扫描（PBS）质子治疗已开始引起人们对临床前研究的适形FLASH-RT的关注。方法：本文综述的信息基于PubMed等数据库和Google Scholar等搜索引擎的搜索结果，关键词包括铅笔束扫描、质子治疗、质子FLASH、布拉格峰FLASH等，从2014年到2022年的英语文章。内容和结果：本文综述了PBS FLASH质子治疗（FLASH-PT）的最新进展，包括PBS剂量率特性，电流传输限制，治疗计划和生物学研究。结论：由于PBS FLASH传输已成功实现了使用传输光束的生物学研究，PBS布拉格峰FLASH技术的进一步改进将导致与潜在改善结果相关的更先进的治疗计划。
2022-06-23 physics.med-ph
Comparative study of depth-dose distributions for beams of light and heavy nuclei in tissue-like media
我们研究了用于癌症治疗的轻核和重核在组织样介质中的能量沉积。在基于GEANT 4工具包的Monte Carlo模型内计算质子、$^{3}$ He、$^{12}$ C、$^{20}$ Ne和$^{58}$ Ni核的深度剂量分布。这些分布相互比较，并与现有的实验数据。它表明，核碎裂反应基本上降低了深穿透的高能离子比$^{3}$他重的剂量分布的峰坪比。另一方面，发现直到$^{20}$ Ne的所有射弹同样适用于低穿透深度的治疗用途。
2007-04-19 physics.med-ph
Dose-LET Interactions Predict Capsular Contracture After Proton Postmastectomy Radiation Therapy
Mayo Clinic（梅奥诊所）；the University of Miami（迈阿密大学）
研究通过分析剂量和线性能量传递（LET）的相互作用，提出了预测质子术后乳腺放疗后包膜收缩的剂量学约束方法。
2026-01-16 physics.med-ph
Towards Laser Driven Hadron Cancer Radiotherapy: A Review of Progress
大约60年前，质子和重离子治疗是治疗肿瘤的一种非常强大的放射程序。与电子和光子治疗相比，它具有以更大剂量和空间选择性照射肿瘤的先天能力，因此是一种组织保留程序。二十多年来，强大的激光器已经产生了质子和重离子的高能束，因此经常有人推测激光器可以作为射频加速器的替代品，产生癌症治疗所需的粒子束。本文综述了激光驱动强子治癌的进展，以及实现其固有的巨大潜力仍需完成的工作。
2014-05-12 physics.med-ph physics.plasm-ph
Calibration of a $Δ$E-E telescope based on CeBr$_3$ scintillator for secondary charged particles measurements in hadron therapy
本文首次针对强子治疗中次级带电粒子探测，优化并标定了由CeBr$_3$晶体和塑料闪烁体组成的$\Delta E-E$望远镜，验证其遵循Birks定律，旨在为提升蒙特卡洛模拟和治疗计划精度提供关键核数据。
2025-07-03 nucl-ex physics.ins-det physics.med-ph
Beyond Dose in Boron Neutron Capture Therapy: Cellular $^{10}$B-Capture Statistics and Microdosimetric Context in Effect Prediction
Particle Beam Therapy Research Institute, Inc.（粒子束治疗研究所有限公司）；Kagawa University Faculty of Medicine（香川大学医学院）
本研究提出分层框架，整合多类BNCT相关研究，以细胞¹⁰B俘获统计为桥梁，实现考虑不确定性的空间分辨BNCT效应预测，不取代现有方法。
2026-09-04 physics.med-ph
GPU-based ultra-fast direct aperture optimization for online adaptive radiation therapy
在线自适应放射治疗（ART）具有很大的希望，可以通过基于当前患者解剖结构的实时治疗适应性来显著降低正常组织毒性和/或改善肿瘤控制。然而，在线ART临床实现的主要技术障碍，即无法实现治疗重新规划的实时效率，尚未得到解决。为了克服这一挑战，本文介绍了我们的工作，实现了调强放射治疗（IMRT）的直接孔径优化（DAO）算法的图形处理器（GPU）的基础上，我们以前的工作在CPU上。我们将DAO问题描述为一个大规模的凸规划问题，并使用一种称为列生成方法的精确方法在GPU上处理其极大的维数。5个9野前列腺和5个5野头颈部IMRT临床病例，5个\times 5 mm 2射束尺寸和2.5 \times 2.5 \times 2.5 mm 3体素尺寸用于评估我们的算法在GPU上。在NVIDIA Tesla C1060 GPU卡上使用50个MLC孔径生成最佳治疗计划仅需0.7~2.5秒。因此，我们的工作解决了一个主要问题，在开发超快速（重新）规划技术的在线艺术。
2010-03-28 physics.med-ph
Metabolizable Bi2Se3 Nanoplates: Biodistribution, Toxicity, and Uses for Cancer Radiation Therapy and Imaging
Bi是高原子序数元素，具有高光电吸收系数，Se元素具有抗癌活性。因此，他们的化合物硫属化物（Bi 2Se 3）值得深入研究的生物医学应用。这项研究表明，Bi 2Se 3纳米片（54 nm宽）与聚（乙烯吡咯烷酮）（PVP）的保护是生物相容的，并具有低毒性，即使在高剂量的20毫克/公斤的小鼠。这一结论是通过对纳米片的生物分布和90天长期体内清除的研究得出的。肝和脾是纳米片积聚的主要器官，这主要是由于RES吸收，但93%的纳米片在治疗90天后被清除。肿瘤组织中的Bi和Se浓度持续升高，直至72 h。这种选择性的Bi积累被用来增强X射线CT图像的对比度。当暴露于γ辐射时，集中在肿瘤中的Bi元素导致对肿瘤细胞的损伤。在用Bi 2Se 3纳米片和辐射处理肿瘤16天后，肿瘤的生长显著延迟并停止。这项工作清楚地表明，Bi 2Se 3纳米片可用于癌症放射治疗和CT成像。它们值得进一步研究，以用于生物和医学应用。
2013-12-06 physics.bio-ph physics.med-ph
Tissue equivalence of some phantom materials for proton beams
在ITEP医用质子束装置上研究了一些最初用于常规放射治疗的体模材料的组织和水等效性。质子CSDA系列有三种不同的塑料水、肺、脂肪、肌肉和密质骨替代材料（CIRS Inc.，USA）的测量，以及通过所研究的每种材料的平板后在液态水中的剩余质子范围。此外，用蒙特卡罗方法计算了已知元素组成的五种材料的质子射程。将所得结果与ICRU报告49中相应生物组织和水的参考数据进行比较。质子射程比的总不确定度估计为0.9 - 1.5%（1 SD）。在这些不确定性范围内，塑料水、塑料水LR、塑料水DT、肌肉和密质骨与参考数据一致。脂肪和肺替代物中的范围比相应组织中的范围低一些。
2010-05-24 physics.med-ph
MCHIT - Monte Carlo model for proton and heavy-ion therapy
我们研究了核子和原子核在基于GEANT 4工具包（8.2版）的重离子治疗蒙特卡罗模型（MCHIT）中的组织类介质中的传播。该模型考虑了抛射体核的碎裂和产生的核碎片的次级相互作用。模型预测进行了验证与水和PMMA幻影单能碳离子束照射获得的实验数据。MCHIT模型很好地描述了（1）水和PMMA中的深度-剂量分布，（2）对某些电荷的碎片测量的剂量，（3）由碳离子束产生的正电子发射核碎片的分布，以及（4）在与束流方向不同的角度测量的次级中子的能谱。初级核和不同的弹丸碎片的径向剂量分布的计算和讨论作为可能的输入生物剂量分布的评价。结果表明，在横向剂量分布的边缘接近布拉格峰的剂量从次级核碎片是可比的剂量从初级核。
2007-05-02 physics.med-ph
Physics-driven innovations toward the democratization of proton therapy
Stanford University School of Medicine（斯坦福大学医学院）；Mayo Clinic（梅奥诊所）
本文提出将质子治疗普及视为物理问题，分析成本与运动控制两大瓶颈，并展示紧凑架构如何降低设施规模，经济框架表明提升交付速度比降低资本成本更有效，同时新兴方向推动全球普及。
2026-04-27 physics.med-ph
Comparative study of RBE and cell survival fractions for $^{1}$H, $^{4}$He, $^{12}$C and $^{16}$O beams using Geant4 and Microdosimetric Kinetic model
考虑将$^{4}$ He和$^{16}$ O核束作为质子和$^{12}$ C核的替代选择用于离子束癌症治疗。利用基于Geant4的重离子治疗蒙特卡罗模型（MCHIT）和改进的微剂量学动力学模型，计算了10%存活率下的物理剂量和相对生物学效应的外布拉格峰（SOBP）分布。对于具有正常（HSG细胞）、低和高放射敏感性的组织，计算$^{1}$ H、$^{4}$ He、$^{12}$ C和$^{16}$ O的细胞存活分数的深度分布。在每种情况下，细胞存活分数分别进行比较的目标体积，后面和前面it.In正常的放射敏感性$^{4}$ He和$^{12}$ C的情况下，更好的备用组织在入口通道相比，质子和$^{16}$ O。对于$^{4}$ He和$^{12}$ C，分别针对入口通道和目标体积计算的细胞存活分数相似。当重要的是保留位于SOBP平台远端边缘之后的健康组织时，可以推荐使用$^{4}$ He，因为这些射弹的核碎裂减少。没有发现$^{16}$ O相对于$^{12}$ C的明确优势，除了这些较重的射弹对放射抗性肿瘤的影响增强。
2014-03-31 physics.med-ph
Optimal Configuration of Proton Therapy Accelerators for Proton Computed Tomography RSP Resolution
通过患者的质子计算机断层成像（pCT）确定相对阻止本领（RSP）部分取决于对入射质子动能的了解;这些能量的不确定性又由质子源（通常是回旋加速器）确定。在这里，我们表明，减少入射质子束的能量扩散可以显着提高RSP确定pCT。我们证明，减少束流能量扩散从典型的1.0%（在70 MeV）下降到0.2%，可以实现在保罗谢勒研究所230 MeV回旋加速器成像所需的质子电流。通过模拟的pCT成像系统，我们发现这种效应导致RSP分辨率低至0.2%的材料，如皮质骨，高达1%的肺组织。当还选择射束（剩余）能量使得所使用的检测机制提供最佳RSP分辨率时，几种材料提供进一步的改进。
2021-11-04 physics.acc-ph physics.med-ph
Bragg-Curve Simulation of Carbon-Ion Beams for Particle-therapy Applications: a study with the GEANT4 toolkit
我们使用GEANT4 Monte Carlo MC Toolkit模拟碳离子束入射到水、组织和骨骼上，同时考虑到核碎裂反应。在增加初级射束的能量时，布拉格峰的位置转移到体模内部更深的位置。对于不同的材料，峰值位于沿束方向的较浅的深度处，并且随着电子密度NZ的增加而变得尖锐。随后，产生的深度剂量的布拉格曲线，然后基准与德国GSI的实验数据。计算结果与GSI实验数据具有较好的相关性，精度在0.02~0.08cm之间，为在重离子治疗计划中采用MC奠定了基础。Kolmogorov-Smirnov K-S检验从统计学的角度进一步确定了模拟数据与实验测量数据非常匹配。将入口处的二维等剂量线与峰值位置周围和超出峰值的尾部区域中的等剂量线进行比较，表明由于二次剂量，与水和组织相比，骨产生更多剂量。在水中，结果表明，每个碎片沉积的最大能量主要归因于次级碳离子，其次是次级硼和铍。此外，产生的质子数是最高的，从而对尾区的总剂量沉积做出最大贡献。最后分析了中子和光子的关联谱。平均中子能量值为16.29 MeV，次级γ射线为1.03 MeV。然而，中子剂量被认为是可以忽略不计的总剂量相比，由于其较长的范围。
2021-02-25 nucl-th physics.med-ph
From Radiation Dose to Cellular Dynamics: A Discrete Model for Simulating Cancer Therapy
本文提出将蒙特卡洛程序与LQ模型集成到CellSim3D离散细胞模拟框架中，通过引入生存概率和吞噬清除机制模拟放射治疗，并在前列腺癌数据及堵塞转变分析中验证了模型的有效性。
2025-11-06 physics.bio-ph physics.med-ph
Optimization of pencil beam scanning pattern for FLASH proton therapy
本文提出基于图论的近似算法优化FLASH质子治疗笔形束扫描轨迹，相比传统蛇形模式使中位剂量率翻倍，且比遗传算法更高效。
2023-04-12 physics.med-ph
Dosimetry for Proton Therapy Using a β-Ga$_2$O$_3$ Metal-Semiconductor-Metal Detector with Low-Noise Amplification
The University of Utah（犹他大学）
本文研究了基于β-氧化镓的MSM探测器在质子治疗中的剂量学性能，证明其在单点照射和不同能量下的线性响应，为IMPT提供可靠检测方案。
2026-01-21 cond-mat.mtrl-sci physics.med-ph
Electric Field Propagation with Spinal Cord Stimulation
Université de Sherbrooke（舍布鲁克大学）
研究脊髓刺激中电场传播问题，结合组织物理特性及电磁等描述推导电场传输系数模型，用于计算不同脉宽下电场能量在目标神经组织的传输，助于优化脊髓刺激治疗。
2026-08-20 physics.bio-ph physics.med-ph
Metaheuristic Algorithm for Constrained Optimization in Radiation Therapy Treatment Planning: Design and Performance Comparison
本研究探讨了放射治疗计划中的约束优化问题，设计并比较了BSO、BFA和ABC三种元启发式算法，发现BFA在执行时间和收敛能力上表现更优，为提升RT治疗计划效能提供了优化方法。
2024-01-16 math.OC physics.med-ph
A Monte-Carlo-based and GPU-accelerated 4D-dose calculator for a pencil-beam scanning proton therapy system
目的：放射治疗期间呼吸运动的存在导致预期剂量分布的退化，无论是对于目标覆盖还是健康组织保护，特别是对于具有动态递送系统的如双光束扫描质子治疗的技术。虽然存在估计这种退化的四维（4D）剂量的工具，但它们通常具有一个或多个缺陷，例如......方法：为了快速计算4D剂量，计算器的三个主要任务在图形处理单元（GPU）上运行。这些任务是：使用所测量的输送参数来模拟所述计划的输送，以在表征所述患者呼吸的4DCT阶段之间分配所述计划，使用内部蒙特卡罗模拟（MC）剂量计算器来确定输送到每个呼吸阶段的剂量，并且将来自各个呼吸阶段的剂量累积到单个阶段上以用于评估。通过单独转移剂量网格子体素的能量和质量进行累积，该技术以更物理真实的方式对剂量转移进行建模。计算器运行…结果如下：在一台配备8块NVIDIA Titan X显卡的服务器上，成功计算了三个测试用例的4D剂量，计算时间范围为4-6分钟;最耗时的组件是MC剂量引擎。基于亚体素的剂量累积技术在0.5-1.0 mm的亚体素尺度下产生稳定的4D剂量分布，而不影响总计算时间。光束传输模拟的不确定性结论：开发了一种基于MC和GPU加速的4D剂量计算器，用于估计呼吸运动对双束扫描质子治疗的影响。计算器目前可用于...
2018-09-13 physics.med-ph
Analysis of time-profiles with in-beam PET monitoring in charged particle therapy
背景资料：在带电粒子治疗中利用PET成像的治疗验证通常通过将空间分布的测量结果与蒙特卡罗（MC）预测进行比较来完成。然而，衰减曲线可以提供关于治疗和被照射组织的额外的独立信息。到目前为止，大多数研究都集中在长时间间隔上。在这里，我们调查的可靠性MC预测的空间和时间（衰变率）的轮廓照射后不久，我们展示了如何衰变率可以给出一个指示的元素，其中的幻影组成。方法和材料：在Bronowice质子治疗中心的回旋加速器中心，在临床和接近临床的条件下对各种幻影进行了辐照。使用平面16 x 16 cm $^2$ PET系统采集PET数据。用FLUKA程序模拟了粒子间的相互作用和光子在体模中的传播。分析包括实验数据和MC模拟的空间和时间分布之间的比较，以及拟合程序，以获得各种同位素的贡献在幻影。结果和结论：在一维空间和衰变率分布中，数据和MC预测之间有很好的一致性。通过用多个简单指数拟合衰变速率获得的$^{11}$ C、$^{15}$ O和$^{10}$ C的分数通常与MC预期一致。与MC中的预测值相比，我们发现数据中的$^{10}$ C略微过量，这在PE体模中尤其明显。
2018-09-28 physics.med-ph
Large energy acceptance gantry for proton therapy utilizing superconducting technology
当在用于质子治疗的机架中使用超导（SC）磁体时，机架将受益于尺寸的一些减小和重量的大幅减小。在这方面的贡献，我们显示了一个重要的额外优势的SC磁铁在质子治疗。我们提出了一个扫描架的设计与SC弯曲部分和消色差束流光学具有非常大的光束动量接受$\pm15\%$。由于相关的非常大的能量接受，可以在不改变磁场的情况下执行大约70%的治疗，以与能量调制同步。在我们的设计中，这与2D横向扫描系统和安装在机架中的快速降能器相结合，使得该机架将能够在患者处以非常快速的能量变化执行笔形射束扫描，从而允许显著减少照射时间。我们描述的迭代过程中，我们已经应用到设计的磁铁和光束传输，我们已经使用不同的代码。COSY Infinity和OPAL已被用于设计束流传输光学系统和跟踪磁场中的粒子，该磁场由Opera中设计的磁体产生。与束流光学计算，我们已经推导出一个最佳的消色差束传输与大动量接受的质子笔形束，我们显示的协议与粒子跟踪计算的3D磁场地图。一个新的回旋加速器为基础的设施与这个机架将有一个显着更小的足迹，因为人们可以避免降能器和能量选择系统背后的回旋加速器。在治疗中，该机架将实现非常快的质子束递送序列，这对于移动组织中的治疗可能是有利的。
2019-01-07 physics.med-ph
Scientific and Technological Development of Hadrontherapy
强子疗法是一种新型的肿瘤放射治疗技术，它利用带电强子束，特别是质子和碳离子束。由于它们的物理和放射生物学特性，它们允许相对于常规放射治疗中使用的光子获得更适形的治疗，更好地保留位于肿瘤附近的健康组织，并允许更好地控制疾病。强子疗法是高能物理研究的直接应用，利用专门设计的粒子加速器和探测器。质子可以被认为是今天在临床实践中的一个非常重要的工具，由于几个医院为基础的中心在运作和不断增加的设施，建议在世界各地。用碳离子束已经获得了非常有希望的结果，特别是在治疗特定的放射抗性肿瘤方面。为了优化带电强子束在癌症治疗中的使用，一个持续的技术挑战正在导致创新方法和仪器的概念和开发。本文综述了强子疗法的研究现状，并展望了强子疗法的发展前景。
2010-01-06 physics.med-ph
Nuclear Emulsion Film Detectors for Proton Radiography: Design and Test of the First Prototype
质子治疗目前正在成为癌症治疗中广泛应用的临床实践，并且复杂的治疗计划系统通常用于最好地利用带电粒子的弹道特性。关于射束质量和质子范围的信息是优化治疗的关键问题。为此目的，质子射线照相术可用于质子治疗中，以获得关于质子范围、关于用于治疗计划优化的组织的平均密度的直接信息，并且以对患者的可忽略剂量执行成像。我们提出了一种创新的方法，基于核乳胶膜探测器的质子射线照相术，在该技术中，通过测量的位置和质子通过病人的身体的剩余范围来获得图像。核乳胶膜与组织等效吸收体之间的相互作用可以有效地用于高精度的质子径迹重建。基于核乳胶的探测器的第一个原型已经构思，建造和测试与治疗质子束在PSI。在伯尔尼的LHEP进行了乳剂的扫描，在那里为OPERA的中微子振荡实验开发了全自动显微镜扫描技术。轨道重建后，第一个有希望的实验结果已通过成像一个简单的幻影由PMMA制成的一个步骤为1厘米。还对第二个体模进行了成像，该体模含有5个5 x 5 mm^2截面的铝棒，位于不同距离处，并嵌入PMMA结构中。目前正在进行进一步的研究，以提高分辨率，并对更复杂的幻影成像。
2010-01-06 physics.ins-det physics.med-ph
Developments in Mathematical Algorithms and Computational Tools for Proton CT and Particle Therapy Treatment Planning
我们总结了质子计算机断层成像（pCT）和调强粒子治疗（IMPT）治疗计划相关的数学算法和计算机科学方法的最新结果和正在进行的活动。质子治疗需要高水平的输送精度，以利用布拉格峰赋予的选择性靶向。为此，pCT利用质子束本身来创建图像。该技术的工作原理是通过向患者发送低强度质子束，并测量每个退出质子的位置，方向和能量损失。pCT技术允许重建患者组织的相对阻止本领（RSP）的体积分布，用于治疗计划和治疗前范围验证。我们已经研究了新的方法，使重建既有效又准确。RSP的更高精度还使得能够实现IMPT的更鲁棒的逆方法。对于IMPT，我们开发了一个框架进行强度调制的质子笔形束。我们预计，这些发展将导致更多的项目工作在未来几年，这需要在数学，计算机科学和医学物理领域的专家之间的定期交流。我们通过组织有关pCT和IMPT算法和技术开发的年度研讨会发起了这样的交流。诚然，这份报告倾向于我们的跨学科工作和方法。我们提供的结果，问题和挑战的pCT和IMPT的目的，使其他科学家希望解决这些问题，并通过汇集医学，计算机科学，物理学和数学的尖端技术来加强他们的跨学科合作，承担手头的医学物理问题的全面概述。
2021-08-21 cs.CE math.OC physics.med-ph
Variable length genetic algorithm with continuous parameters optimization of beam layout in proton therapy
质子治疗是一种快速发展的治疗方式。质子束的特点是在质子轨迹末端的最大剂量沉积，然后急剧下降，质子束可以向肿瘤提供高度适形的剂量，同时保留有风险的器官和周围的健康组织。基于点扫描技术的新治疗计划系统现在可以提出多场优化。然而，在大多数情况下，这种优化仅处理场通量，而弹道学（场几何形状）的选择留给肿瘤学家和医学物理学家。在这项工作中，我们研究了一个新的优化框架的基础上的遗传方法。该工具旨在探索新的辐照方案，并评估实际或未来辐照系统的潜力。我们建议同时优化目标点和光束入射角在一个连续的方式和可变数量的光束。不考虑\textit{a priori}技术约束，\textit{i.e.} ~射束能量值、入射方向和靶点是自由参数。该算法是基于一个经典的遗传算子的修改版本：变异，交叉和选择。我们使用实数编码与随机扰动的参数，以获得一个连续变化的潜在的解决方案。我们还引入了一个扰动的交换点的交叉，以允许变化的数量的光束。这些变化通过引入束流通量下限来控制。在本文中，我们提出了一个完整的描述的算法和它的行为在一个基本的测试用例。所提出的方法，最后在临床上现实的测试情况下进行评估。
2022-05-17 cs.NE physics.med-ph
Proton and carbon-ion minibeam therapy: from modeling to treatment
本研究通过Geant4模拟比较了质子和碳离子迷你束在水模体中的剂量分布，发现质子因横向散射更易实现均匀剂量，而束宽和网格模式影响入口剂量。
2023-10-30 physics.med-ph
Imaging with protons at MedAustron
近年来，离子束治疗已成为癌症治疗的一种常用形式。离子束治疗相对于使用光子的常规放射疗法的优点是强烈局部化的剂量沉积，导致施加到周围健康组织的剂量减少。目前，质子治疗的治疗计划是基于X射线计算机断层成像，这在计算阻止能力（SP）时会引起某些不准确性。获取SP的更精确的方法是直接使用高能质子（或诸如碳的其他离子）并执行质子计算机断层成像（pCT）。通过这种方法，离子在进入患者之前和离开患者之后被跟踪，并且最终在最后测量它们的剩余能量。为此，建立了由双面硅条探测器组成的跟踪望远镜和作为剩余能量探测器的距离望远镜组成的离子成像演示装置。在MedAustron（\mbox{Wiener Neustadt}，\mbox{Austria}的离子治疗和研究中心）的射束测试中使用该设置进行了首次测量。该设施提供了三个质子束治疗癌症的房间，以及一个专门用于非临床研究的房间。本文介绍了质子束离子成像的原理以及实验装置的设计。此外，第一个结果，从模拟和最近的梁测试以及未来的发展思路将提交。
2020-07-15 physics.ins-det physics.med-ph
