New dosimetry planning strategy based on continuous dose gradient used to reduce dose estimation errors due to respiratory motion in breast radiation therapy
本研究阐述并评价了一种新的放射治疗剂量学计划（RTDP）策略，用于减少乳腺治疗中呼吸运动引起的剂量估计误差。在为乳腺治疗采集的CT数据集上，执行了六种不同的RTDP切线技术：（i）具有物理楔形的三维适形放射治疗（3DCRT），（ii）具有虚拟楔形的3DCRT，（iii）具有物理楔形的运动管理技术（MMT），（iv）具有虚拟楔形的MMT，（v）具有场中的3DCRT，以及（vi）具有直接孔径优化的调强放射治疗（IMRT）。这些抗运动技术被认为是产生连续剂量降级，以避免涉及射束边缘区域的输送剂量的急剧变化。在有和没有运动模拟的情况下，对输送剂量和模拟剂量进行了比较。本研究表明，无运动管理的技术可能受到运动的影响，运动可能导致射束准直器边缘附近点的输送剂量和计划剂量之间的差异等于19%，并且在多叶准直器（MLC）边缘上的差异高达3%（3%/3 mm的伽马通过率为87.9%）。当使用MMT时，这些差异降低至11%和小于3%（3%/3 mm的伽马通过率为100%）。总之，在切向技术中，运动会影响MLC和射束准直器边缘上的剂量估计。提出的MMT减少这种影响，以准确地估计递送剂量。
2021-10-19 physics.med-ph
Quantitative Approach to Intensity-Modulated Radiation Therapy Quality Assurance Based on Film Dosimetry and Optimization
为了准确地验证调强放射治疗（IMRT）的剂量，我们采用全局优化方法研究了一种新的剂量验证算法。在这种质量保证（QA）程序的实际应用中，使用计算的和测量的剂量分布的剂量的验证涉及高剂量梯度区域中的微妙问题。考虑到系统误差，高剂量梯度区域的大剂量差异是由于测量装置的意外偏移。我们已经提出了一个优化算法来纠正这个错误，并在这项研究中使用的优化方法，以尽量减少平均剂量差异。精确地解释了剂量验证程序和所应用的优化算法之间的关系。优化显着减少了测量和计算的剂量分布在所有情况下的差异。所获得的结果支持我们的解释在高剂量梯度区域的问题的相关性。我们已经描述了调强放射治疗和调强放射外科的剂量验证过程。通过这项研究，我们还开发了一种直观的报告方法，在统计上是合理的。
2004-06-15 physics.med-ph
Definition of dose rate for FLASH pencil-beam scanning proton therapy: A comparative study
本研究比较PBS质子治疗中五种剂量率定义，通过头颈部病例和DRVH分析揭示其局部差异可达10%、整体差异可达两倍，强调FLASH治疗中定义选择的重要性。
2023-07-13 physics.med-ph
Direct optimization of dose-volume histogram metrics in radiation therapy treatment planning
提出了一种直接优化放射治疗计划中临床目标值偏差的方法。使用一个新的数学框架，其中来自剂量-体积直方图的度量被视为辅助随机变量的泛函，我们能够获得剂量体积和剂量体积作为剂量分布的无限可微函数，具有容易评估的函数值和梯度。出于金融风险措施，这是正式在这个框架中的连接，我们还推导出封闭形式的平均尾部剂量公式，并证明其能力，减少极端剂量值的尾部分布。前列腺和头颈部患者的情况下进行的数值实验表明，剂量体积直方图指标的直接优化产生的结果略好于或优于传统的规划目标，在临床目标的实现，控制低剂量和高剂量的尾部的目标分布和一般计划质量定义的一个预先指定的评估措施。所提出的框架消除了优化功能和评估指标之间的脱节，因此可以减少与传统治疗计划相关的重复用户交互的需要。该方法还具有在其他设置中增强计划优化的潜力，例如多标准优化和自动化治疗计划。
2021-09-06 physics.med-ph
A fully flexible joint lattice position and dose optimization method for LATTICE therapy
针对传统LATTICE放疗刚性顶点模式适配性差的问题，提出可灵活放置顶点、联合优化顶点位置与剂量分布的新型规划方法，提升了治疗精度、靶区适形度与OAR保护效果。
2025-05-20 physics.med-ph
Neutron Production in The Scattering S250 Mevion Proton-Therapy System
放射治疗环境中的二次辐射被认为是治疗后副作用（包括二次致癌作用）的原因。在质子治疗装置中，中子向患者提供相当大的额外剂量。中子剂量的各种测量和计算表明这个量的值范围很广。本文提供了以前公布的值之间的比较，并分析了蒙特卡罗计算的中子剂量从目前的工作使用的中子截面数据。其目的是提供一个收敛的范围内的几个中子吸收剂量数据点（例如，3.94 mSv/Gy的Bonner球测量和0.4 mSv/Gy的SWENDI测量）在其他作者以前的作品。
2022-11-15 physics.med-ph
A step towards treatment planning for microbeam radiation therapy: fast peak and valley dose predictions with 3D U-Nets
快速准确的剂量预测是微束放射治疗（MRT）治疗计划的瓶颈之一。在本文中，我们提出了一种基于3D U-网的机器学习（ML）模型。我们的方法分别预测窄高强度同步辐射微束的大剂量和它们之间的较低的谷剂量。为此，引入了宏观峰值剂量和宏观谷剂量的概念，其不是在微观水平上而是作为较大体素中的宏观量来描述相应的剂量。ML模型经过训练以模拟完整的Monte Carlo（MC）数据。因此，模型自动考虑了诸如偏振等复杂的物理效应。本研究中描述的宏剂量分布方法允许将单个微射束预测叠加到射束阵列场，使其成为治疗计划的有趣候选者。结果表明，所提出的方法可以克服一个主要的障碍，预测一个完整的微束照射场在不到一分钟的时间，同时保持合理的精度与微束剂量预测。
2022-11-21 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
Comprehensive Evaluations of Cone-beam CT dose in Image-guided Radiation Therapy via GPU-based Monte Carlo simulations
锥形束CT（CBCT）已广泛用于图像引导放射治疗（IGRT）中的患者设置。CBCT扫描的辐射剂量已成为临床关注的问题。本研究的目的是：1）为Varian机载成像（OBI）系统调试基于GPU的蒙特卡罗（MC）剂量计算包gCTD，并测试计算准确度; 2）在典型IGRT扫描方案中定量评价OBI系统的CBCT剂量。我们首先在水模中进行剂量测量。gCTD中使用的X射线源模型参数通过调试过程获得。通过比较计算值与水中和CTDI模型中的测量值，证明了gCTD的准确性。25例脑癌患者用于研究标准剂量头部方案中的剂量，25例前列腺癌患者用于研究骨盆方案和骨盆聚光灯方案中的剂量。计算每个器官的平均剂量。还计算具有最高剂量的2%体素的平均剂量以量化最大剂量。结果发现，对一个器官的平均剂量值有很大的不同患者。此外，器官内的剂量分布是高度不均匀的。最大剂量比平均剂量高1~3倍，取决于器官，由于骨结构中的极高剂量区域，整个身体的最大剂量高达8倍。在我们的研究中也观察到了高计算效率，例如对于典型情况，MC剂量计算时间小于5分钟。
2013-09-19 physics.med-ph
Fetus dose calculation during proton therapy of pregnant phantoms using MCNPX and MCNP6.2 codes
妊娠癌症患者的放射治疗并不常见，但是当应用时，需要对胎儿剂量进行准确评估，特别是因为治疗计划系统不能并且不允许对场外剂量进行准确评估。与光子放射治疗技术相比，质子治疗显著降低了场外剂量，例如对胎儿的剂量，因此可能对怀孕的癌症患者有希望。在这项研究中，蒙特卡洛计算进行了三个不同的计算幻影代表孕妇，都在怀孕中期。简化的质子束对孕妇大脑进行建模，并计算胎儿的总剂量当量（按目标剂量标准化）。在MCNPX和MCNP6.2代码版本之间，我们观察到高达6%的差异。在这项工作中，3组参与，MCNPX和MCNP6.2组之间的差异分别为8%和12%。根据计算中使用的体模，胎儿剂量在0.4和0.8 μSv/Gy之间。总剂量的主要贡献来自中子，只有20%的剂量来自光子，而其他粒子的贡献可以忽略不计。当使用不同的体模时，由于母体和胎儿位置的几何和解剖特征，总剂量当量的结果相差两倍。
2021-12-07 physics.med-ph
Probabilistic dose prediction using mixture density networks for automated radiation therapy treatment planning
我们展示了混合密度网络（MDN）的自动化放射治疗治疗计划的背景下的应用。结果表明，MDN可以产生良好的预测剂量分布，以及反映不确定的决策与内在冲突的临床权衡，在文献中以前研究的确定性方法相比。一个双组分高斯MDN的训练上的一组治疗计划的术后前列腺患者不同程度的直肠剂量节省优先于目标覆盖。对患者测试集的检查表明，预测模式在空间上和剂量-体积直方图上都很好地遵循各自的基本事实。基于MDN输出的特殊剂量模拟方法用于产生可交付计划，从而展示逐体素预测密度的可用性。因此，这种类型的MDN可以用于支持临床医生管理临床权衡，并且具有提高由自动化治疗计划管道产生的计划的质量的潜力。
2020-09-01 physics.med-ph
Multi-IMPT: a biologically equivalent approach to proton ARC therapy
本研究针对质子ARC治疗因频繁能量改变导致交付困难的问题，提出multi-IMPT方法，通过分次使用不同射野角度子集并优化OAR的BED与靶区物理剂量，实现与ARC生物学等效的治疗计划质量。
2024-11-26 physics.med-ph
A Monte Carlo Study of the Relationship between the Time Structures of Prompt Gammas and in vivo Radiation Dose in Proton Therapy
在质子治疗的体内范围验证中，已经尝试测量由质子诱导相互作用产生的瞬发γ的空间分布，其与质子剂量分布密切相关。然而，高能量的瞬发γ和背景γ仍然是测量分布的问题。在这项研究中，我们提出了一种新的方法来确定在体内范围通过利用瞬发γ的时间结构形成的被动散射质子治疗的范围调制轮（RMW）的旋转。为了验证蒙特卡罗程序模拟质子束喷嘴，轴向深度剂量百分比（PDD）进行了比较与测量的PDD与不同的束范围为4.73-24.01厘米。并在水模体中评价和比较了质子剂量率与瞬发γ时间结构的关系。PDD的结果显示，在远端范围内的相对误差为1.1%，调制宽度为2.9%的范围内，PDD的结果显示出准确的一致性。通过与测量值进行比较，将调制中的平均剂量差异评估为小于1.3%。瞬发γ射线的时间结构与质子剂量率在0.39 ms内匹配良好，这可以准确预测体内范围。
2015-03-12 physics.med-ph
Fast Spot Order Optimization to Increase Dose Rates in Scanned Particle Therapy FLASH Treatments
本研究针对FLASH放射治疗临床转化的高效规划需求，提出基于TSP启发式算法的质子点序优化方法，在26例前列腺癌病例中实现与全局优化相当的FLASH覆盖率提升，且计算时间从数小时缩至数秒，为个性化癌症治疗提供实用方案。
2024-09-18 physics.med-ph
Dose Verification of Volumetric Modulated Arc Therapy using One and Two Dimensional Dosimeters
目的：验证头颈部肿瘤体积调制式弧形治疗（VMAT）的剂量输送和质量保证。方法：使用计算机断层成像扫描对带有热发光剂量计（TLD）和胶片的成像和放射肿瘤学中心休斯顿（IROC-H）头颈部体模进行成像，并将重建图像传输至pinnacle治疗计划系统（TPS）。在TPS上手动勾画计划靶体积（PTV）、次级靶体积（STV）和危及器官（OAR），制定治疗计划。根据IROC-H处方确定相关器官的剂量限制。采用自适应卷积算法优化治疗计划，提高剂量均匀性和符合性。使用C. C卷积算法进行剂量计算，并使用Varian True Beam直线加速器将治疗计划输送至头颈部体模。通过TLD和GafChromic EBT 2胶片测量体模的辐射剂量。通过分析TPS计算剂量和直线加速器输送剂量的百分比剂量差、等剂量线轮廓和伽马分析，研究了VMAT输送的剂量学性能。测试结果：在TLD的计划剂量和测量剂量之间观察到3.8%的剂量差异百分比，并且通过比较等剂量线轮廓观察到1.5mm的一致距离（DTA）。通过伽马标准3%/3 mm的百分比为良好。结论：VMAT递送用于具有挑战性的头部和颈部放射治疗的剂量测定性能可以使用嵌入在拟人H\&N体模中的TLD和胶片来验证。
2018-05-17 physics.med-ph
Cluster Dose Prediction in Carbon Ion Therapy: Using Transfer Learning from a Pretrained Dose Prediction U-Net
本研究提出一种基于预训练U-Net和迁移学习的碳离子治疗簇剂量预测方法，可在毫秒级完成单条笔形束的簇剂量估计，偏差小于0.35%，在临床可接受时间内实现准确预测，同时降低了对高成本大规模训练数据的需求。
2025-10-28 physics.med-ph
Comment on `Linear energy transfer incorporated intensity modulated proton therapy optimization'
Cao等人（2018）发表了一篇关于基于剂量平均线性能量转移（LET）的逆向计划的文章。他们声称这个问题可以被转换为线性优化模型，这依赖于Charnes-Cooper变换的不正确应用。在这篇评论中，我们表明，他们的线性模型是类似的剂量平均LET乘以剂量，解释为什么他们的模型仍然能够改善LET分布。
2021-01-04 physics.med-ph
Exploring Machine Learning Models for Physical Dose Calculation in Carbon Ion Therapy Using Heterogeneous Imaging Data -- A Proof of Concept Study
本研究探索多种机器学习模型（含首次应用的扩散模型）用于碳离子治疗物理剂量计算，证明U-Net等模型能平衡精度与速度，并泛化至不同CT分辨率。
2025-09-22 physics.med-ph
The scenario-based generalization of radiation therapy margins
我们给出了一个基于Bio的治疗计划优化公式，如果使用静态剂量云近似计算场景剂量，则该公式相当于具有几何边缘的计划。如果场景剂量，而不是更准确地计算，那么我们的配方提供了一种新的强大的规划方法，克服了许多困难，与以前的基于MIMO的强大的规划方法。特别是，我们的方法只保护不确定性，可能会发生在实践中，它给出了一个急剧的剂量下降以外的高剂量区域，它避免了剂量不足的目标在“容易”的情况。该方法共享的好处，以前的鲁棒性规划方法的几何余量的静态剂量云近似是不准确的应用程序，如照射与几个领域和离子束照射。这些属性证明了一套幻影的情况下，计划与扫描质子束治疗系统设置的不确定性。
2015-10-09 physics.med-ph
Skin dose in breast radiation therapy: Monte Carlo calculations from deformed vector fields (DVF)-driven CT images
针对乳腺放疗中皮肤剂量难以准确计算的问题，提出利用DVF驱动CT和3D扫描数据进行Monte Carlo逐疗程剂量重算，并通过与TPS比较及60例临床研究验证。
2024-10-29 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
Angle-Dependent Dose Transformer Algorithm for Fast Proton Therapy Dose Calculations
Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）
ADoTA是一种基于深度学习的质子剂量计算算法，通过角度依赖性投影消除网格旋转，提升计算效率并保持高精度。
2026-10-27 physics.med-ph
Beam modelling of Hitachi PROBEAT proton therapy system for a GPU-based Fast Monte Carlo dose engine
University of Nebraska Omaha（内布拉斯加大学奥马哈分校）；Rice University（莱斯大学）；The University of Texas MD Anderson Cancer（德克萨斯大学安德森癌症中心）；Mevion Medical System（美维医疗系统）；Emory University（埃默里大学）
通过引入双高斯分布改进束流模型的空间和开角分布，获得更精确的相空间文件，以提升独立剂量引擎在临床和研究中的性能。
2026-06-12 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
A Proton Treatment Planning Method for Combining FLASH and Spatially Fractionated Radiation Therapy to Enhance Normal Tissue Protection
本文提出SFRT-FLASH质子治疗计划方法，将深部FLASH效应与浅中层高PVDR空间分割相结合，在四个临床病例中验证其增强正常组织保护的效果。
2025-05-09 physics.med-ph
Using thymine-18 for enhancing dose delivery and localizing the Bragg peak in proton-beam therapy
作用于O 18-取代胸苷的治疗质子增加了抗辐射人类癌细胞的细胞毒性。我们认为在质子束治疗和诊断过程中使用O 18-富集胸腺嘧啶的DNA，注意胸腺嘧啶-18的存在对癌细胞死亡的影响背后的物理学。
2021-02-18 physics.bio-ph physics.med-ph
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
Feasibility Study of Neutron Dose for Real Time Image Guided Proton Therapy: A Monte Carlo Study
在韩国三星医疗中心安装了两个带有不同喷嘴（带MLC的多用途喷嘴，扫描专用喷嘴）的全旋转机架，并正在调试各种质子治疗选项。摘要本研究旨在利用蒙特卡罗模拟，探讨不同治疗条件下，X线影像设备的中子剂量当量（H/D）。首先，我们研究了H/D与各种修改的束线设备（散射，扫描，多叶准直器，孔径，补偿器）在等中心，距离等中心20，40，60厘米，并与其他研究小组进行了比较。接下来，我们研究了在各种治疗条件下用于实时成像的X射线设备的中子剂量。我们的研究表明，根据不同的治疗方案，在X射线成像设备上的0.07 ~ 0.19 mSv/Gy，在多功能喷嘴质子扫描治疗中，由于多叶准直器，平板探测器的中子剂量减少了50%。在未来的研究中，我们计划调查实验测量的中子剂量和验证的模拟数据的X射线成像设备与额外的中子剂量降低方法。
2015-03-11 physics.med-ph
Dosimetric Comparison of Passive Scattering and Active Scanning Proton Therapy Techniques Using GATE Simulation
在这项研究中，两个质子束输送设计，被动散射质子治疗（PSPT）和笔形束扫描（PBS），定量比较剂量学指标。GATE蒙特卡罗代码被用来模拟质子束系统和开发的模拟引擎进行基准测试的实验测量。使用120-235 MeV能量范围内的一组深度-剂量数据，使用水模型模拟系统能量参数。为了比较PSPT与PBS的性能，在相同条件下分析了多个剂量学参数，包括FWHM、峰位置、范围、峰入射剂量比和剂量体积直方图。此外，在两种射束输送模式下模拟AAPM TG-119引入的临床测试用例，以比较从DVH分析获得的相关临床值。两种技术在水模中的参数比较显示，PSPT中的峰入射剂量比的值比PBS高出8%。此外，在PSPT中的横向光束轮廓的半高宽增加了7%的因子相比，从PBS模型获得的相应值。TG-119体模模拟结果表明，PBS和PSPT技术的PTV平均剂量相差2.9%，而危及器官的最大剂量（OARs）相差超过33%。结果表明，与PSPT设计相比，PBS质子治疗系统在适应靶区体积、更好的剂量绘制和更低的野外剂量方面更优越。
2021-07-23 physics.med-ph
Approximated segmentation considering technical and dosimetric constraints in intensity-modulated radiation therapy with electrons
在调强放射治疗中，入射射束的最佳强度分布被分解成多叶准直器（段）的叶开口的线性组合。为了避免效率低下的剂量输送，分解应满足由于次优剂量特性的小段的剂量测定的限制。然而，精确的分解与剂量的限制，只是在有限的情况下可能的。目前的工作介绍了新的启发式分割算法，以下优化问题：找到一个分割的近似矩阵，只允许字段，并尽量减少近似误差。最后，分解算法被实施到一个优化程序中，以检查一个临床实例的算法的假设。因此，相同的剂量分布与少得多的段和显着更少的监测单位可以实现使用剂量学约束。因此，剂量输送更有效且耗时更少。
2010-09-28 physics.med-ph
Assessment of different head tilt angles in volumetric modulated arc therapy for hippocampus-avoidance whole-brain radiotherapy
本研究评估了VMAT海马回避全脑放疗中不同头部倾斜角度对剂量分布的影响，发现[40,45]度倾斜角度能改善靶区均匀性并降低危及器官剂量。
2024-05-31 physics.med-ph
Direct Plan Comparison of RapidArc and CyberKnife for Spine Stereotactic Body Radiation Therapy
我们比较了RapidArc（RA）与CyberKnife（CK）用于脊柱立体定向体部放射治疗（SBRT）的治疗计划性能。10例接受CK治疗的脊柱病变患者重新计划接受RA治疗，RA由两个完整的弧组成。将使用Multiplan（Accuray）治疗计划系统（TPS）和射线跟踪算法生成的CK的计算机断层成像（CT）和体积剂量数据以Dicom格式导入Varian Eclipse TPS，并使用分析各向异性算法（AAA）剂量计算将数据与RA计划进行比较。所有患者的CK和RA计划的优化剂量优先级相似。最高优先级是为计划靶体积（PTV）提供足够的剂量覆盖，同时限制脊髓的最大剂量。根据PTV覆盖范围、符合性指数（CI）、高剂量溢出、中等剂量溢出（R50%和D2cm）和脊髓最大剂量（RTOG 0631脊柱和0915肺SBRT方案推荐的标准）评价计划质量。RA和CK的PTV平均CI +/-SD值分别为1.11 +/-0.03和1.17 +/-0.10（p = 0.02）。平均而言，CK计划中输送到脊髓的最大剂量比RA计划高约11.6%，并且该差异具有统计学显著性（p <0.001）。RA和CK的高剂量溢出分别为0.86%和2.26%（p = 0.203）。RA的中等剂量溢出（以D2cm为特征）低于CK;然而，R50%无统计学差异。即使这两种系统都可以创建高度适形的体积剂量分布，目前的研究表明，RA表现…
2015-03-11 physics.med-ph
Design and Characterization of a Novel Scintillator Array for In Vivo Monitoring During UHDR PBS Proton Therapy
本文提出一种用于UHDR PBS质子治疗的新型闪烁体阵列三维表面剂量测定方法，通过高速成像和立体视觉实现实时监测，平均定位误差0.62mm，伽马通过率99.9%，验证了其可行性。
2024-11-10 physics.med-ph
AI in Proton Therapy Treatment Planning: A Review
本综述梳理了AI在质子治疗计划多环节的应用研究，指出其可提升效率、支持个性化及自适应计划，同时点明数据稀缺等局限，强调解决相关挑战对临床转化的重要性。
2025-10-22 physics.med-ph
Deep learning for accelerating Monte Carlo radiation transport simulation in intensity-modulated radiation therapy
癌症是世界范围内发病率和死亡率的主要原因。放射治疗在肿瘤治疗中发挥着越来越重要的作用。在放射治疗中，为了达到杀死肿瘤和保护健康组织的目的，需要计算和评价患者体内的剂量分布图。蒙特卡罗（MC）辐射输运计算能够考虑三维非均匀介质（如人体）中辐射物理的各个方面，并准确地生成剂量分布图。然而，放射治疗剂量的MC计算通常需要花费大量的时间来达到可接受的统计不确定度，这阻碍了MC方法的更广泛的临床应用。在这里，我们引入了一个卷积神经网络（CNN），称为蒙特卡罗去噪网络（MCDNet），以实现加速放射治疗中的MC剂量计算，它被训练成直接从低光子（噪声多）剂量图预测高光子（无噪声）剂量图。30例直肠癌术后接受调强放射治疗（IMRT）的患者入选本研究。3D伽马指数通过率（GIPR）用于评价预测剂量图的性能。实验结果表明，MCDNet可以提高1x107光子的剂量图的GIPR超过1x108光子，产生超过10倍的加速在MC模拟IMRT中使用的光子数。这是一个很大的潜力，以研究这种方法对其他肿瘤部位和治疗方式的性能。
2019-10-17 physics.med-ph
Finite-element modeling of the alpha particle dose of realistic sources used in Diffusing Alpha-emitters Radiation Therapy
扩散α放射治疗（DaRT）是一种使用α粒子治疗实体肿瘤的新方法。与常规放射治疗不同，其中用于剂量计算的物理模型是已知的并且常规使用，对于DaRT，必须开发称为扩散-泄漏（DL）模型的新框架。在这项工作中，我们提供了一个详细的描述的有限元数值方案求解的时间相关的DL模型方程的圆柱形DaRT源（“种子”）的有限直径和长度在两个维度。使用全隐式方案和自适应时间步长，这种方法允许准确地跟踪从几秒到几天的时间瞬变。除了完整的二维计算，我们进一步提供了一个封闭的形式近似和一个简单的一维格式来解决无限长的圆柱源的方程。这些更简单的解决方案可以用来验证二维码，并使有效的参数扫描研究DaRT种子晶格的属性。我们将这些近似值与相关参数空间上的完整2D解决方案进行比较，提供有关其可用性和局限性的指导方针。
2021-11-06 physics.med-ph
Two Effective Heuristics for Beam Angle Optimization in Radiation Therapy
在放射治疗中，数学方法已被用于优化治疗计划，以向癌细胞递送足够的剂量，同时保持对关键周围结构的剂量最小。该优化问题可以使用混合整数规划（MIP）来建模，其解决方案给出最佳射束取向以及最佳射束强度。然而，挑战在于这种大规模MIP的计算时间。我们提出并研究了两种新的启发式方法，以大大减少计算时间，同时获得高质量的解决方案。我们引入了一个家庭的启发式切割的基础上的概念，“相邻的光束”和一个光束消除计划的基础上，每个光束的贡献，以提供剂量的肿瘤在理想的计划中，所有潜在的光束可以同时使用。我们展示了这些方法在调强放射治疗（IMRT）和立体定向体部放射治疗（SBRT）的临床肝脏病例中的有效性。
2013-05-21 physics.med-ph
Percentile-based probabilistic optimization for systematic and random uncertainties in radiation therapy
本研究提出一种基于百分位的概率优化框架，用于提高放疗中目标覆盖与危及器官保护的平衡，通过显式控制临床目标满足概率，提升治疗效果。
2026-01-13 physics.med-ph
A primer on treatment planning aspects for temporally modulated pulsed radiation therapy
Montefiore Medical Center（蒙特菲奥医疗中心）；Albert Einstein College of Medicine（阿尔伯特·爱因斯坦医学院）；University of Wisconsin（威斯康星大学）；Washington University（华盛顿大学）
本文介绍了时间调制脉冲放射治疗的治疗计划方法，强调了VMAT在优化剂量均匀性和适应性方面的优势，以及3D-CRT在提高治疗可及性方面的贡献。
2026-01-11 physics.med-ph
Simulation of Cone Beam CT System Based on Monte Carlo Method
自适应放射治疗（ART）是在图像引导放射治疗（IGRT）的基础上发展起来的，是光子放射治疗的发展趋势。为了更好地利用锥形束CT（CBCT）图像进行ART，基于Monte Carlo程序建立了CBCT系统模型，并进行了测量验证。KV X射线管采用BEAMnrc程序。选择IOURCE-13和ISOURCE-24来模拟束流粒子的路径。用DOSXYZnrc程序计算了1cm水下的剂量分布，并与实测的深度剂量分布和侧向剂量分布进行了比较。在10 cm深度范围内，计算的PDD优于1%。计算的侧向剂量分布中超过85%的点在2%以内。正确的CBCT系统模型有助于提高ART剂量验证的CBCT图像质量，并评估CBCT图像伴随的剂量风险。
2014-08-20 physics.med-ph
Validation of a track repeating algorithm for intensity modulated Carbon therapy with GEANT4
快速剂量计算器（FDC）是一种用于质子治疗的蒙特卡罗跟踪重复算法。质子治疗的验证已在先前的工作中得到证实。这种方法可以扩展到离子应用。本文的目的是验证FDC用于碳疗法。我们比较了三维剂量分布和剂量体积直方图（DVH）的FDC计算的碳与一个完整的蒙特卡罗方法，GEANT 4。共讨论19例患者，其中前列腺3例，脑5例，头颈部3例，肺4例，脊柱4例。我们使用伽玛指数技术来分析剂量分布，我们做DVH剂量学分析，一个更直接和信息量的计划系统评估。两个量的FDC计算与GEANT 4一致。本文所讨论的所有病人的γ指数合格率，以1%/1 mm为标准，均在90%以上，以2%/2 mm为标准，均在98%以上，以3%/3 mm为标准，均在99.9%以上，剂量学指标D 02、D 05、D50、D95和D98的百分差值均方根（RMS）分别为0.75%、0.70%、0.70%、0.70%、0.70%和0.70%。0.79%、0.83%和0.76%。所有差异均允许用于临床。
2018-09-17 physics.med-ph
Neutron Dose measurement in the carbon ion therapy area at HIRFL (IMP) as 12C ions with energies from 165 to 350MeV/u
利用兰州重离子加速器（HIRFL）深部肿瘤治疗终端的Wendi-II型中子剂量计，测量了能量为165 ~ 350 MeV/u的12 C离子轰击不同厚度固体水靶时，不同观测距离和观测角度的中子剂量分布。将实验结果与FLUKA程序计算结果进行了比较。计算结果与实验数据吻合较好。用FLUKA程序计算了中子能谱。研究结果对高能重离子医疗机的屏蔽设计和个人剂量评估具有参考价值。
2015-12-31 physics.ins-det physics.med-ph
Clinically applicable Monte Carlo-based biological dose optimization for the treatment of head and neck cancers with spot-scanning proton therapy
目的：验证基于快速蒙特卡罗（MC）的逆向生物计划在点扫描质子治疗头颈部肿瘤中的可行性。研究方法：最近，一个快速和准确的基于图形处理器单元（GPU）的质子输运MC模拟的开发和GPU加速的IMPT优化器中的剂量计算引擎。除剂量外，还可以同时对剂量平均线性能量转移（LETd）进行评分，这使得生物剂量（BD）优化成为可能。为了从LETd转换为BD，假设线性关系。使用这种新的优化器，逆生物规划应用于4例患者：2个小的和1个大的甲状腺肿瘤目标，和1个胶质瘤病例。为了创建这些计划，设置了约束条件，以将物理剂量（PD）维持在处方的1.25倍内，同时最大化目标BD。为了进行比较，在Eclipse（Varian，Inc）中为每个病例创建了常规IMRT和IMPT计划。IMRT、IMPT和生物优化计划使用相同的关键结构PD约束。IMPT计划的BD通过MC重新计算获得。结果如下：与标准IMPT相比，小肿瘤靶点患者的生物最佳计划显示BD增加约为PD增加的两倍。与IMRT和IMPT相比，关键结构的剂量节省得到了改善。对于大甲状腺病例，当关键结构的存在减轻了额外射野的贡献时，BD没有显著增加。生物优化计划的计算可以在临床可行的时间内（<30分钟）在24-GPU系统上完成。结论：通过利用GPU加速，为小目标肿瘤患者创建基于MC的生物优化计划。该优化器将用于即将进行的LETd绘画抗辐射肿瘤的可行性试验。
2016-04-11 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
Dynamic conformal arcs for lung stereotactic body radiation therapy: a comparison with volumetric modulated arc therapy
本研究评价了动态适形弧（DCA）治疗作为肺癌立体定向体部放射治疗（SBRT）的体积调制式弧治疗（VMAT）的替代方案。DCA的基本原理是降低几何复杂性，从而降低呼吸运动引起的相互作用错误的风险。对3例肺部患者的单弧治疗，将基于节段权重优化的正向计划DCA和反向计划DCA与VMAT进行了比较。剂量体积直方图和临床目标实现的分析表明，DCA可以产生令人满意的和接近等效的剂量质量VMAT，除了复杂的肿瘤几何形状。节段重量优化的DCA提供的空间剂量分布定性类似于VMAT。我们的研究结果表明，DCA，特别是段权重优化的DCA，是一个有吸引力的替代VMAT肺SBRT治疗，其中不能预期的错误从intrafraction运动平均在整个治疗过程中。
2019-05-04 physics.med-ph
Accurate and fast deep learning dose prediction for a preclinical microbeam radiation therapy study using low-statistics Monte Carlo simulations
首次在临床前微束放射治疗啮齿动物研究中应用快速准确的机器学习模型预测剂量，利用高噪声MC训练数据实现了与低噪声模拟的高度一致，加速了模型在新型癌症放疗中的转移应用。
2023-04-06 physics.med-ph
Impact of limited temporal resolution on 4D Monte Carlo dose calculation for intensity modulated proton therapy
本研究提出基于配准插值提高4DCT时间分辨率的方法，以解决调强质子治疗中4D剂量计算的有限时间分辨率问题，并在肺癌患者中验证其能有效提高剂量计算精度。
2023-10-12 physics.med-ph
Probabilistic feature extraction, dose statistic prediction and dose mimicking for automated radiation therapy treatment planning
目的：我们提出了一个通用的框架，用于量化剂量相关量的预测不确定性，并在自动化放射治疗治疗计划的背景下，在剂量模拟问题中利用这些信息。方法：采用特征提取、剂量统计预测和剂量模拟三步流水线。特别是，这些特征由卷积变分自动编码器产生，并用作先前开发的非参数贝叶斯统计方法的输入，估计预定义剂量统计集合的多变量预测分布。然后使用专门开发的目标函数来构建基于所产生的分布的概率剂量模拟问题，从而创建可交付的治疗计划。结果：使用94例前列腺癌患者的回顾性治疗计划数据集进行数值实验。我们发现，由变分自动编码器提取的特征捕获与剂量统计预测问题实质相关的几何信息，并且与剂量统计以比手工特征更正则化的方式相关。估计的预测分布是合理的，优于一个非输入依赖的基准方法，和可交付的计划产生的概率剂量模拟同意更好地与他们的临床同行比非概率的制定。结论：我们表明，剂量相关的量的预测可以扩展到包括不确定性估计，这样的概率信息可以利用在剂量模仿问题。所提出的管道产生的治疗计划类似于他们原来的同行，说明了一个整体的方法来自动规划的基础上概率建模的优点。
2021-07-07 physics.med-ph stat.ML
Beam mask and sliding window-facilitated deep learning-based accurate and efficient dose prediction for pencil beam scanning proton therapy
本文提出束流掩膜与滑动窗口辅助的3D-Unet深度学习方法，用于笔形束扫描质子治疗剂量预测，相比传统ROI方法显著提高了DVH指标、3D Gamma通过率和Dice系数，且预测时间小于0.25秒，可支持在线自适应质子治疗。
2023-05-29 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
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
Commissioning of a clinical pencil beam scanning proton therapy unit for ultrahigh dose rates (FLASH)
目的：这项工作的目的是提供一个灵活的平台，通过调整以前的临床笔形束扫描机架的照射剂量率与质子的FLASH研究。方法：PSI机架1治疗患者直至2018年12月。我们优化了光束线参数，以将从PSI COMET加速器提取的250 MeV光束传输到治疗室，最大限度地提高光束强度到样品的传输。我们的特点是剂量监测器的机架上，以确保良好的控制剂量，提供点扫描模式。我们的特点是不同的剂量率和字段大小的传输辐照的光束。我们探索了扫描的可能性，以使大目标的共形辐射或透射辐射（横向扫描）。结果：我们实现了从回旋加速器到治疗室的86%的传输。我们达到了9000 Gy/s的峰值剂量率在3毫米水当量深度，沿一个单一的笔形束的中心轴。单点闪光照射可实现高达5 × 5 mm $^{2}$的射野尺寸。快速横向扫描可覆盖16 x 1.2 cm $^{2}$的视野。通过使用安装在桅杆上的量程转换器，我们能够在19.6至37.9厘米的水中跨越深度。输送的各种剂量水平的精度小于1%。结论：我们已经实现了一个质子FLASH照射设置能够连续调查宽剂量率谱，从1到9000 Gy/s的单点照射，以及在笔形束扫描模式。因此，我们已经开发了一个多功能的测试平台，闪存的研究。
2021-01-05 physics.med-ph
The low-LET radiation contribution to the tumor dose in diffusing alpha-emitters radiation therapy
本研究通过蒙特卡洛模拟评估Alpha DaRT中低LET剂量贡献，发现其占重要比例，可增强治疗效果并保护健康组织，提高源活度可实现自增强配置。
2023-11-15 physics.med-ph
A novel Boltzmann equation solver for calculation of dose and fluence spectra distributions for proton beam therapy
The University of Texas MD Anderson Cancer Center（德克萨斯大学安德森癌症中心）
本文提出了一种新的玻尔兹曼方程求解器，用于在质子束治疗中实现高精度的剂量和通量谱分布计算。
2026-03-11 physics.med-ph
