Efficient calculation of local dose distribution for response modelling in proton and ion beams
我们提出了一种快速和准确的计算局部剂量分布的算法在MeV的质子，碳离子或其他重带电粒子束。它使用复合泊松过程建模的轨道相互作用和快速计算的递归卷积。它可以处理各种能量密度的混合粒子场。由于局部剂量分布是模拟探测器效率或细胞响应的几种方法的重要组成部分，因此它在离子束剂量学和放射治疗中具有潜在的用途。
2013-06-02 physics.med-ph
Complexity-weighted doses reduce biological uncertainty in proton radiotherapy planning
目的：质子相对生物学效应（RBE）与线性能量转移（LET）的变化仍然是质子放射治疗中最大的不确定性来源之一。这项工作旨在确定基于物理的指标，可以应用于减少这种生物的不确定性。材料与方法：将三种不同的物理指标-剂量、剂量$\times$ LET和复杂性加权剂量（CWD，剂量$\times$（1+ $κLET_D$））与质子RBE的体外实验研究和使用RBE模型分析的临床治疗计划进行比较。每个系统中质子的生物学效应与这些指标作图，以量化每种情况下RBE变化引起的生物学不确定性程度。结果如下：当质子的生物效应单独对剂量作图时，由于忽略了RBE的LET依赖性，因此引入了显著的生物不确定性。绘制生物学效应与剂量$\times$ LET的关系图，显著高估了LET对细胞存活的影响，导致相似或更高水平的生物学不确定性。相比之下，CWD显著降低了实验和临床计划中的生物学不确定性。对于前列腺和髓母细胞瘤治疗计划，生物学不确定性从$\pm$ 5%降至1%以下。结论：虽然不能替代完整的RBE模型，但基于物理的指标（如CWD）有可能显著降低RBE变化导致的质子规划的不确定性。这些度量可用于识别正常组织中可能由于RBE的范围末端升高而出现意外高效应的区域，或作为优化工具以提供均匀的生物效应。
2018-02-19 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
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
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
Does FLASH deplete Oxygen? Experimental Evaluation for Photons, Protons and Carbon Ions
目的：为了实验研究，如果闪光灯照射耗尽水中的氧气，不同的辐射类型，如光子，质子和碳离子。研究方法：这项研究提出了在X射线，质子和碳离子以高达340 Gy/s的不同剂量率照射期间，密封的3D打印水模型中的耗氧量测量。使用允许非侵入性测量的光学传感器进行氧测量。结果：水中氧耗仅与剂量、剂量率和线能量传递有关。发现对于225 kV光子，每10 Gy消耗的氧的总量为0.04 - 0.18%atm，对于224 MeV质子为0.04 - 0.25%atm，对于碳离子为0.09 - 0.17%atm。消耗取决于剂量率由一个反幂定律和饱和的更高的剂量率，因为自相互作用的自由基。较高的剂量率产生较低的耗氧量。在临床剂量下未发现氧气完全耗尽。结论：闪光灯照射确实消耗氧气，但不足以耗尽所有的氧气。对于更高的剂量率，消耗的氧气比标准放射治疗剂量率少。对于使用FLASH的10 Gy剂量输送，未发现任何分析的辐射类型的完全耗尽。
2021-03-01 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
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
Parameterization of dose profiles of therapeutic minibeams of protons, $^{4}$He, $^{12}$C, and $^{16}$O
本文使用Geant4对水中多种离子单微束建模，提出双高斯-卢瑟福(DGR)函数参数化其剂量分布，并构建微束阵列模拟横向汇聚，验证了该快速计算方法可替代耗时的MC建模。
2024-12-09 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
An Integrated Biological Optimization framework for proton SBRT FLASH treatment planning allows dose, dose rate, and LET optimization using patient-specific ridge filters
本研究提出IBO-IMPT框架，通过优化患者特异性脊形滤波器实现质子FLASH SBRT的剂量、剂量率和LET同步优化，可提升心肺正常组织的FLASH剂量率体积并保护危机器官。
2022-07-16 physics.med-ph
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
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
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
LET-modifying joint optimization for mixed-modality photon-proton treatment planning
本研究针对单质子照射塑造LET的局限性，提出基于LET修正目标函数的质子-光子混合模态联合优化方法，在matRad中实现验证，可提升剂量适形性、减少关键区域高LET暴露，助力更安全有效的放疗计划制定。
2025-05-21 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
BayesDose: Comprehensive proton dose prediction with model uncertainty using Bayesian LSTMs
提出 BayesDose-Framework，基于贝叶斯 LSTM 的质子治疗剂量预测方法，通过 2D 高斯混合模型参数化网络权重量化预测不确定性，在保持与确定性模型相当性能的同时提供保守但相关性良好的不确定性估计，有望支持临床决策与质量保证。
2023-07-03 physics.med-ph
Quantitative real-time measurements of dose and dose rate in UHDR proton pencil beams via scintillation imaging system
本研究提出一种基于超快闪烁成像的系统，用于实时测量UHDR质子笔形束的剂量和剂量率，验证其高线性度及高时空分辨率，为FLASH质子治疗提供全场剂量率监测工具。
2023-12-22 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
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
A Two-Stage Framework for Fast Proton Spot Map Generation in Pencil Beam Scanning Prostate SBRT Planning
Mayo Clinic（梅奥诊所）
提出GenSpot两阶段框架，利用物理信息投影质子点图表示，结合3D SwinUNETR预测和列非负Lasso回归重建，从CT和剂量生成可交付的质子点图，在单机构前列腺SBRT队列中实现与临床计划高度一致的蒙特卡洛剂量。
2026-06-11 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
Conceptualization of electronic dose to water and water-equivalent gas for ionometric dosimetry in external beam radiotherapy
National Institutes for Quantum Science and Technology (QST)（量子科学技术研究开发机构）
本研究提出电子剂量对水的概念，用于提高外部束放射治疗中质子和离子束的剂量学精度和准确性。
2026-10-30 physics.med-ph
A GPU implementation of a track-repeating algorithm for proton radiotherapy dose calculations
质子放射治疗的一个重要组成部分是计算要输送给患者的辐射剂量的算法。最常见的剂量算法是快速的，但它们是近似的分析方法。然而，它们的准确性水平并不总是令人满意的，特别是对于异质解剖区域，如胸部。蒙特卡罗技术提供了优越的精度，然而，它们通常需要大量的计算资源，这使得它们对于常规临床使用是不切实际的。轨道重复算法，例如快速剂量计算器，已经显示出在计算时间的一小部分中实现质子放射治疗剂量计算的蒙特卡罗模拟的准确性的希望。我们报告的快速剂量计算器的质子放射治疗卡上配备图形处理器单元（GPU），而不是一个中央处理器架构的实施。该实现再现了完整的蒙特卡罗和基于CPU的跟踪重复剂量计算，误差在2%以内，同时利用单个GPU卡在不到一分钟的时间内实现了2%的统计不确定性，这应该允许实时准确的剂量计算。
2010-11-09 nucl-ex 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
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
Designing the system to measure the depth-dose profile of a proton beam using CsI(Tl) scintillator
本文利用标准CsI(Tl)闪烁体测量质子束剂量响应和深度剂量分布，结合水模体实验与沉积能量模拟及Birks常数拟合，证明薄闪烁体设计可有效确定质子束特性。
2024-06-06 nucl-ex 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
Dose calculation algorithm of fast fine-heterogeneity correction for heavy charged particle radiotherapy
这项工作涉及计算技术的剂量计算在治疗计划与质子和离子束，基于一个有效的内核卷积方法称为网格剂量扩散（GDS）和准确的异质性校正方法称为高斯光束分裂。原始的GDS算法遭受相对于剂量网格轴倾斜的射束的剂量分布失真。采用垂直于束流场的中间网格，解决了束流倾斜畸变问题。光束和栅格之间的相互作用被发现是伪影的另一个内在来源。在束流传输中加入矩形核卷积，以规则的方式在最近的网格之间共享束流贡献，解决了相互作用的问题。该算法框架被应用到倾斜的质子笔形束和宽的碳离子束。在这些情况下，虽然基本笔形波束单独分裂成几十个，但使用GDS算法的计算时间仅增加了几倍。GDS和分束方法将互补地使质子和离子放射治疗的剂量计算准确有效。
2010-06-16 physics.med-ph
Sharp dose profiles for high precision proton therapy using focused proton beams
质子束治疗已经被开发为与常规X射线照射相比以更高的精度和剂量一致性照射肿瘤。如果使用更窄的质子束，则可以进一步改善这种治疗方式的剂量一致性。尽管如此，这仍然受到质子通过组织的多次库仑散射的限制。这项工作的主要目的是开发技术，以产生窄的质子束，并调查由此产生的剂量分布。本文介绍并评价了三种不同的质子束整形技术：1）金属准直器（100/150 MeV），2）常规质子束（100/150 MeV）的聚焦，3）高能质子束（350 MeV，穿透式）的聚焦。聚焦由Twiss参数$α$ ~（$α_0$）的初始值控制，可以用磁粒子加速器光学实现。用Geant 4软件进行了水中剂量分布的蒙特卡罗模拟计算，并用靶面剂量比（TSDR）和靶面横向束流尺寸$σ_T$进行了评价。目标被定义为布拉格峰或焦点的位置。不同的技术显示出非常不同的剂量分布，其中聚焦明显地给出了更高的相对靶剂量和有效地利用初级质子。半径< 2 mm的金属准直器产生低TSDR（<~0.7）和大$σ_T$（>~3.6 mm）。相比之下，常规（150 MeV）能量的聚焦束产生非常高的TSDR（>~80），具有与准直束类似的$σ_T$。高能量聚焦束能够产生TSDR> 100和$σ_T$约1.5 mm。从这项研究中，似乎非常有吸引力的实施磁聚焦质子束在放射治疗小病变或肿瘤在接近健康器官的风险。这也可能导致空间分割放射治疗的范式变化。
2022-09-02 physics.acc-ph 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
Sub-second photon dose prediction via transformer neural networks
该研究提出结合Transformer与3D卷积的iDoTA算法，将光子剂量预测转化为序列建模任务，实现亚秒级高精度剂量计算，大幅提升自适应放疗工作流效率。
2022-09-19 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
Comprehensive proton dose algorithm using pencil beam redefinition and recursive dynamic splitting
我们计算，从第一性原理，绝对剂量或注量分布每个入射质子电荷在一个已知的异质地形暴露于已知的质子束。该算法同样适用于散射或扫描光束。地形中的所有对象（包括准直器）都被切成垂直于标称光束方向的任意合适厚度的板。传输是根据标准费米-艾格斯理论。横向不均匀性的处理打破笔形光束（PB）无论是传统的重新定义或一种新形式的二维递归动态分裂：母亲PB被取代，保存发射度和电荷，由七个女儿相等的横向尺寸。一个有1/4的电荷，并在母亲的方向上旅行，六个有1/8的电荷，六边形排列，并从母亲的虚拟点源辐射。纵向（类能量）变量是pv（质子动量乘以速度）。遇到的每种材料都根据其自身的优点进行处理，而不是参考水。减速由安装在标准射程能量表上的$R=a(pv)^b$处理。多重库仑散射由散射功率$T_\mathrm{dM}$作为莫里哀理论的代理来处理。我们提出的例子，从一个证明的原则Fortran程序，并推测将算法付诸实践。
2016-10-03 physics.med-ph
Dosimetric evidence confirms computational model for magnetic field induced dose distortions of therapeutic proton beams
鉴于质子治疗对解剖变异的敏感性，这种癌症治疗方式预计将大大受益于与磁共振（MR）成像的整合。阻碍这种整合的障碍之一是强磁场诱导的剂量畸变。这些已经在模拟研究中预测，但到目前为止还没有进行实验验证。在这里，我们展示了第一次测量的平面分布的剂量沉积治疗质子笔束穿越一个特斯拉的横向磁场，同时沉积能量在一个组织样的幻影使用薄膜剂量测定。对于80至180 MeV的束流，横向束流偏转范围为1毫米至1厘米。模拟和测量的偏转同意在一毫米内的所有研究的能量。这些结果证明，磁场引起的质子束偏转是可测量的和准确的预测。这证明了精确剂量测量的可行性，从而验证了MR集成质子治疗框架的剂量预测。
2017-09-06 physics.app-ph 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
Absorbed Dose in Ion Beams: Comparison of Ionisation and Fluence-based Measurements
本文介绍了荧光核径迹探测器（FNTDs）和套管电离室的直接比较测量。使用单能质子（142.66 MeV，3*10^6 1/cm 2）和碳离子（270.55 MeV/u，3*10^6 1/cm 2）进行辐照。结果发现，如果通过有效阻止功率来解释较慢的质子和氦秒数，则在质子的情况下，通过使用FNTD的注量测量确定的水吸收剂量值与电离室测量具有良好的一致性（2.4%）。然而，对于碳，观察到4.5%的显著差异，这不能用碎片化、不确定性或实验设计来解释。结果表明W值为32.10 eV +/-2.6%。此外，没有观察到从Monte-Carlo输运模拟中预期的次级质子丰度。
2014-02-03 physics.med-ph
Radiation damage to normal mammalian tissue in vivo with laser-driven protons at ultra-high instantaneous dose rate
Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）
研究激光驱动质子照射对正常组织的影响，发现与常规剂量率X射线相比，组织肿胀减轻，RNA测序揭示免疫和表皮程序相关基因差异表达。
2026-10-05 physics.med-ph physics.plasm-ph
Ridge-filter crosstalk in conformal proton FLASH planning: dependence on beamlet pitch and iterative mitigation
The University of Texas MD Anderson Cancer Center（德克萨斯大学安德森癌症中心）
本研究量化了适形质子FLASH计划中脊形滤波器串扰，发现其随束斑间距减小而增大，并通过迭代重优化将靶区平均相对剂量差异从8.9%降至3.4%。
2026-06-29 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
Feasibility Study of Hybrid Inverse Planning with Transmission Beams and Single-energy Spread-out Bragg Peaks for Proton Flash Radiotherapy
本研究针对仅透射束质子FLASH计划正常组织保护不足的问题，提出透射束结合单能展宽布拉格峰的混合逆向优化方法，经肺部病例验证，该方法在维持靶区剂量均匀性与FLASH剂量率覆盖的同时可提升危及器官保护效果。
2022-09-14 physics.med-ph
Derivation of Tissue Properties from Basis-Vector Model Weights for Dual-Energy CT-Based Monte Carlo Proton Beam Dose Calculations
提出基向量模型材料索引（BVM-MI）方法，利用DECT导出的双权重预测组织特性，显著提升了TOPAS MC质子剂量计算精度，优于传统HU-MI方法。
2025-06-27 physics.med-ph
Long short-term memory networks for proton dose calculation in highly heterogeneous tissues
基于LSTM网络的应用设计了一种新的剂量计算方法，该网络将3D患者/体模几何结构处理为2D计算机断层成像输入切片序列，产生形成相应3D剂量分布的相应2D切片序列。LSTM网络可以在一个方向上有效地传播信息，从而产生一个可以正确模拟物质中质子相互作用机制的模型。该研究集中在预测单个笔形射束水平上的剂量，避免了由数千笔形射束组成的治疗计划中的平均效应。此外，这种方法允许直接集成到当今的治疗计划系统的逆向计划优化过程中。使用蒙特卡罗模拟，通过模拟从随机机架角度穿过患者几何结构撞击的不同笔形射束，为体模和患者研究准备了真实训练数据。对于模型训练，为体模研究准备了10'000个蒙特卡罗模拟，为患者研究准备了4' 000个模拟。经过训练的LSTM模型能够在体模研究的预留测试集上实现99.29%的伽马指数通过率（[0.5%，1 mm]）准确度，并且在患者研究的预留测试集上实现99.33%的伽马指数通过率（[0.5%，2 mm]）。每个笔形波束在6-23 ms内获得这些结果。使用Topas的平均蒙特卡罗模拟运行时间为1160 s。通过对5名以前未见过的肺癌患者进行测试，验证了模型的泛化能力。LSTM网络非常适合质子治疗剂量计算任务。然而，需要进行进一步的工作，以将所提出的方法推广到临床应用，主要是针对各种能量、患者部位和CT分辨率/扫描仪实施。
2020-06-10 physics.med-ph
Validation of the Quantum Physics Processes Underlying the Integrated Optimization of Proton FLASH Radiotherapy
FLASH是一种新的治疗模式，需要优化剂量、剂量率和LET。在这里，我们验证了这三个数量的FLASH条件下，其中包括量子不确定性的时间依赖的瞬时剂量率（IDR）曲线和LET光谱的基础上新提出的综合优化框架。剂量、IDR和LET的测量是在Emory质子治疗中心使用标称能量为250 MeV的FLASH质子束和3D打印的脊形过滤器进行的。由于3D打印树脂是由专有的化学配方制成的，因此我们开发了一种在模拟中逼真地表征和建模材料的方法。使用2D MatriXX PT探测器以及新型4D多层带电离室（MLSIC）测量3D空间中的绝对剂量，MLSIC还同时测量IDR。通过使用Minipix Timepix 3检测瞬发伽马来测量次级束中的进一步定时数据;第二个检测器Advapix Timepix 3用于测量LET。为了解释粒子输运的量子力学性质，我们开发了一种用于检测高通量初级束内单个质子的技术，这对于正确测量LET光谱是必要的。TOPAS模拟与测量结果一致，绝对剂量通常具有至少95%的伽马通过率（3 mm/3%标准）。同样，IDR和LET表现出良好的一致性，平均IDR值在0.3%内一致，波动在10%的量级，LET分布重叠至少85%，并且随着深度的增加，高LET分量（大于4 keV/um）增加。随着LET和FLASH优化的不断普及，测量IDR、LET和剂量将变得更加重要，我们预计本文所述的方法将被证…
2022-12-20 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
Shaping of a laser-accelerated proton beam for radiobiology applications via genetic algorithm
激光加速质子由于其亚皮秒脉冲宽度和高剂量率的特性，在辐射生物学创新实验中具有巨大的潜力。然而，宽的角发散使得它们对于对辐照靶处的剂量均匀性和总通量具有严格要求的应用不是最佳的。增加均匀性所采用的其他策略是增加源和照射平面之间的距离，或者用平坦的散射系统或通过传输系统本身来扩展射束。这种方法大大减少了质子通量，并且对于激光加速的质子来说不是最佳的。在本文中，我们演示了使用遗传算法（GA）设计一个最佳的非平面散射系统，以形成光束和有效地平坦化的横向剂量分布在被照射的目标。该系统被放置在磁传输系统中，以利用彩色聚焦元件的存在来进一步混合质子轨迹。放置在运输系统后的平面散射系统的效果也进行了比较。介绍了遗传算法的一般结构及其在激光加速质子束成形中的应用，以及它在空气中水靶剂量分布优化中的应用。
2019-11-12 physics.med-ph
Neural Network-Driven Direct CBCT-Based Dose Calculation for Head-and-Neck Proton Treatment Planning
Center for Proton Therapy, Paul Scherrer Institute (PSI)（质子治疗中心，保罗·施特格利研究所）；Department of Physics, ETH Zürich（物理系，苏黎世联邦理工学院）
本文提出基于xLSTM神经网络的CBCT-NN方法，直接从CBCT图像计算头颈部质子治疗剂量，在40例患者数据上训练并在5例独立患者上验证，实现了蒙特卡罗级精度且计算时间小于3分钟，可替代传统校正流程用于自适应质子治疗。
2025-09-22 cs.CV physics.med-ph
Sparsity constrained split feasibility for dose-volume constraints in inverse planning of intensity-modulated photon or proton therapy
提出了一种在计划算法中包含剂量体积约束的调强放射治疗（IMRT）治疗计划逆问题的分裂可行性公式。它涉及一种新类型的稀疏性约束，使得在模型问题中包含一个违反约束，并通过连续（而不是整数）方法对其进行处理。我们提出了一个迭代算法框架来解决这样的问题，通过应用可行性寻求CQ算法的伯恩结合自动松弛法（ARM），使用循环投影。提供了详细的实施说明。通过为简单的2D C形几何形状和现实的颅底脉络膜治疗部位创建强度调制质子治疗计划，证明了该算法的功能。对不同能量的质子笔形束进行了蒙特卡罗模拟，以获得2D测试情况下的剂量分布。Pinnacle 3质子治疗计划系统的研究版本用于提取临床颅底脉络膜病例的笔形射束剂量。在这两种情况下，根据我们的新算法计算细束剂量以满足剂量体积约束。使用我们的算法进行逆向计划后的剂量-体积直方图检查表明其按预期执行。我们提出的算法的应用剂量-体积约束的逆规划成功地证明。与Pinnacle 3治疗计划系统研究发布的优化剂量分布进行比较，结果表明该算法可以获得等效或更优的结果。
2017-02-25 math.OC physics.med-ph
Sensitivity of silicon-to-water dose conversion and Bragg-peak metrics to stopping-power datasets in proton dosimetry
Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares（能源与核研究研究所）；Departamento de Física, Centro de Investigación en Óptica y Nanofísica, Universidad de Murcia（穆尔西亚大学光学与纳米物理研究中心物理系）；Departament de Física, Universitat d’Alacant（阿利坎特大学物理系）；Instituto de Física da Universidade de São Paulo（圣保罗大学物理研究所）；National Physical Laboratory（英国国家物理实验室）
研究质子剂量测定中硅-水剂量转换和布拉格峰指标对阻止本领数据集的敏感性，用PHITS模拟不同阻止本领数据，发现其对转换剂量大小影响强于布拉格峰位置，结果应纳入相关不确定度预算。
2026-07-21 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
PyDoseRT Proton: A GPU Pencil-Beam Engine with a Convolutional Residual-Correction Network for Fast Proton Dose Calculation
Medical University of Vienna（维也纳医科大学）；Christian Doppler Laboratory for Image and Knowledge Driven Precision Radiation Oncology（克里斯蒂安·多普勒图像与知识驱动精准放射肿瘤学实验室）；Umeå University（于默奥大学）
该研究提出结合卷积残差校正网络的GPU笔形束引擎PyDoseRT Proton，用于快速质子剂量计算，在DoseRAD2026任务中实现了高精度剂量预测。
2026-09-02 cs.CV physics.med-ph
Streamlined Pin-Ridge-Filter Design for Single-energy Proton FLASH Planning
本研究提出一种集成于TPS的单能质子FLASH逆向规划框架，通过嵌套射点缩减将IMPT-DS计划转换为简化pin-RF的IMPT-RF计划，经肺部病例验证可显著降低高剂量区危及器官最大剂量，具备成本与生产效率潜力。
2023-10-03 physics.med-ph
Treatment plan comparison of Linac step and shoot,Tomotherapy, RapidArc, and Proton therapy for prostate cancer using dosimetrical and biological index
本研究的目的是使用各种剂量学指标来确定治疗前列腺癌患者的最佳调强放射治疗模式技术。本研究纳入了10例前列腺癌患者。调强放射治疗计划旨在包括不同的模式，包括直线加速器步进和发射、断层治疗、RapidArc和质子系统。采用剂量学指标，如处方等剂量与靶区体积比（PITV）、适形指数（CI）、均匀性指数（HI）、靶区覆盖指数（TCI）、修正剂量均匀性指数（MHI）、适形数（CN）、关键器官评分指数（COSI）和品质因数（QF），对不同治疗方案进行比较。生物学指标，如广义等效均匀剂量（gEUD），基于肿瘤控制概率（TCP）和正常组织并发症概率（NTCP）也被计算和用于比较治疗计划。RapidArc计划获得了更好的PTV覆盖，其优越的PITV、CI、TCI、MHI和CN值证明了这一点。关于OAR，质子治疗在低剂量体积中表现出更好的直肠和肠道剂量节省，而断层治疗和RapidArc计划在高剂量体积中实现了更好的剂量节省。QF评分在这些计划之间没有显着差异（p=0.701）。RapidArc、Linac和Proton计划中前列腺肿瘤的平均TCP高于断层治疗的平均TCP（分别为98.79%、98.76%和98.75% vs. 98.70%）。关于直肠NTCP，RapidArc显示了最有利的结果（0.09%），而Linac产生了最好的膀胱NTCP（0.08%）。
2015-03-12 physics.med-ph
Robust Optimization for Spot Scanning Proton Therapy based on Dose-Linear Energy Transfer (LET) Volume Constraints
本文提出基于剂量-LET体积约束的鲁棒优化方法DLVCRO，用于斑点扫描质子治疗前列腺癌，通过联合调控剂量与LET分布，在保持靶区剂量鲁棒性的同时显著降低直肠和膀胱的LET及额外生物剂量，改善危及器官保护。
2024-05-07 physics.med-ph
