Potential pof laser-driven VHEEs towards FLASH radiotherapy: Monte Carlo dosimetric study of single-field pencil beam scanning of a brain tumor
Intense Laser Irradiation Laboratory, CNR-INO（强激光辐照实验室，CNR-INO）；Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa（意大利国家核物理研究所，比萨分部）；Clinica S.Rossore（S.Rossore诊所）；CNR-IFC；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）
本文通过PIC和蒙特卡洛模拟研究激光驱动高能电子束在脑肿瘤治疗中的剂量学特性，探讨能量分散对剂量分布的影响，并评估实现FLASH效应的技术路径。
2026-04-27 physics.med-ph physics.optics physics.plasm-ph
Radiotherapy Effects on Diffuse Low-Grade Gliomas: Confronting Theory With Clinical Data
弥漫性低级别胶质瘤是生长缓慢的肿瘤，在治疗后总是复发。在本文中，我们重新审视了放疗过程前后的肿瘤半径演变的建模，并提出了一种新的模型，该模型简单，但具有生物学动机，并弥补了以前提出的一些缺点。我们面对它的临床数据组成的时间序列的肿瘤半径为43例患者的记录，使用随机优化技术，并获得非常好的适合在所有情况下。由于我们的模型描述了肿瘤从第一个胶质瘤细胞的演变，因此可以获得肿瘤的可能年龄。使用轮廓似然技术从数据中提取所有信息，我们建立肿瘤出生年龄的置信区间，并确认低级别胶质瘤似乎出现在青少年后期的事实。此外，肿瘤半径的时间演变的近似解析表达式允许我们解释数据中观察到的相关性。
2021-07-06 physics.bio-ph physics.med-ph
Gradient Map-Assisted Head and Neck Tumor Segmentation: A Pre-RT to Mid-RT Approach in MRI-Guided Radiotherapy
Aarhus University（奥胡斯大学）；Aarhus University Hospital（奥胡斯大学医院）
本研究提出利用前中期图像和梯度图作为先验知识，增强MRI引导自适应放疗中的头颈癌中期肿瘤分割，在挑战赛测试集上GTVp和GTVn的DSCagg平均得分达0.70，有助于改进治疗规划。
2024-10-16 cs.AI cs.CV physics.med-ph
An in-silico study of conventional and FLASH radiotherapy iso-effectiveness: Radiolytic oxygen depletion and its potential impact on tumor control probability
Instituto de Investigación Sanitaria de Santiago (IDIS)（圣地亚哥卫生研究所）；Universidade de Santiago de Compostela（圣地亚哥德孔波斯特拉大学）；Complexo Hospitalario Universitario de Santiago（圣地亚哥大学医院综合体）
本文通过数学模型研究FLASH放疗与常规放疗在肿瘤中的等效性，探讨辐射分解氧耗竭对肿瘤控制概率的影响，发现FLASH放疗在低α/β值和缺氧细胞中导致生存分数差异，但未显著改变预clinical肿瘤体积演变，但在TCP曲线上显示出FLASH放疗的较低控制概率。
2023-10-02 physics.med-ph
A Mathematical Model of Thyroid Disease Response to Radiotherapy
提出了甲状腺疾病分子放射治疗的机理生物数学模型。一般模型由一组微分方程组成，描述了放射治疗引起的不同程度损伤的甲状腺细胞（未损伤细胞、亚致死损伤细胞、死亡细胞和死亡细胞）的动态，以及甲状腺球蛋白和抗甲状腺球蛋白自身抗体的动态，这些是治疗反应的重要替代物。该模型有两种形式：一方面，作为一个确定性的连续模型，这是有用的人口数据拟合，另一方面，作为一个随机马尔可夫模型，这是特别有用的调查肿瘤控制概率和治疗个体化。该模型被用来适应反应动力学（肿瘤/甲状腺体积，甲状腺球蛋白和抗甲状腺球蛋白自身抗体）中观察到的甲状腺癌和格雷夫斯病的实验研究与I-131-放射治疗。实现了模型与实验数据的定性充分拟合。我们还使用该模型来研究分化型甲状腺癌的治疗个体化策略，旨在提高肿瘤控制概率。我们发现，基于肿瘤中的吸收剂量和肿瘤放射敏感性（这两个量值都可以潜在地针对每个患者单独确定）的简单个体化策略可以导致肿瘤控制概率的重要提高。
2021-10-14 physics.med-ph q-bio.TO
Radiotherapy planning for glioblastoma based on a tumor growth model: Improving target volume delineation
已知胶质母细胞瘤浸润脑实质，而不是形成具有限定边界的实体瘤块。只有肿瘤细胞密度高的部分才能通过成像直接定位。相比之下，低密度的肿瘤细胞浸润的脑组织在当前的成像模式上看起来是正常的。在临床实践中，应用统一的边界来解释疾病的微观传播。目前的治疗计划程序可以通过考虑肿瘤生长的各向异性来改进：大脑镰等解剖屏障代表了迁移肿瘤细胞的边界。此外，肿瘤细胞主要在白质中扩散，并以较低的速率浸润灰质。我们调查使用的现象学肿瘤生长模型的治疗计划。该模型基于Fisher-Kolmogorov方程，该方程将这些生长特征形式化并估计肿瘤细胞在大脑正常出现区域中的空间分布。放射治疗计划的靶区可以定义为模拟肿瘤细胞密度的等值线。对10例胶质母细胞瘤患者进行了回顾性研究。为了说明这项研究的主要结果，一个详细的案例研究，位于大脑镰附近的胶质母细胞瘤。在这种情况下，大脑镰代表了肿瘤细胞迁移的边界，而胼胝体为肿瘤扩散到对侧半球提供了一条途径。我们进一步讨论了模型对输入参数的敏感性。大脑的正确分割似乎是最关键的模型输入。我们的结论是，肿瘤生长模型提供了一种解释胶质母细胞瘤各向异性生长模式的方法，因此可能提供一种使目标描绘更加客观和自动化的工具。
2013-12-19 physics.med-ph
Artificial Intelligence-based Motion Tracking in Cancer Radiotherapy: A Review
本文综述了人工智能在癌症放射治疗中用于胸腹部和盆腔肿瘤实时运动追踪的算法，分析了其面临的数据偏差与工作流复杂等挑战，并提出了潜在改进方案。
2023-10-20 physics.med-ph
Photodynamic therapy of 4T1 tumors in NOD-SCID mice
背景资料：光动力学疗法（PDT）治疗乳腺癌的有希望的结果的前提是仔细选择照射光波长。研究方法：用Metvix-PDT在625 nm、660 nm及其组合光下处理NOD-SCID小鼠中植入的4 T1肿瘤，用于固定的辐射暴露。通过基于Monte Carlo的计算模拟以及初步的体内研究评估治疗结果，其中进行荧光，尺寸和温度测量。结果如下：光源组合方案具有很大的潜力，因为它导致高细胞毒性产物水平和减少治疗时间;而关于收获的肿瘤块的体内发现也支持这一假设。单独使用625 nm光束照射对大多数体内测量参数呈现更好的结果。仅用660 nm光源处理的小鼠具有最高的未光漂白光敏剂（PS）信号、最低的体温、最重的收获肿瘤和最低的PDT细胞毒性产物的估计浓度。结论：使用625 nm照射光与PS激发带匹配，但仅适用于治疗浅表肿瘤。对于更深的肿块，同时使用更长的波长由于其增加的穿透深度而增强了治疗效果。
2020-08-13 physics.med-ph q-bio.TO
Effective dose fractionation schemes of radiotherapy for prostate cancer
放射治疗仍然是主要的癌症治疗方式之一，并且是癌症护理中具有高度成本效益的单一方式治疗。用于分次外射束放射治疗的典型方案包括在工作日施用恒定剂量，并且在周末不进行放射。然而，每个患者的肿瘤都具有不同的特性，这取决于肿瘤内的异质性，侵袭性以及与其他细胞的相互作用特性，这些特性可能使其对放射治疗更具抗性或敏感性。因此，个性化癌症治疗的概念正在出现，以使每个患者的治疗病例专门针对肿瘤的独特性质。在本文中，我们研究了自适应放射治疗策略的异质性肿瘤使用的动力系统模型，该模型由耐辐射和父母的细胞群体具有独特的相互作用的属性。我们研究了不同的适应性剂量策略对PC 3和DU 145前列腺癌细胞系。我们发现，在较长的时间间隔内给予较强剂量的辐射，同时保持总剂量不变，可使PC 3细胞系的最终肿瘤体积减少一半以上，但在DU 145细胞系中仅减少5%。此外，我们测试了一种适应性给药方案，即在周五给予更强的剂量，以补偿周末的治疗停药期，这在减少两种细胞系的最终肿瘤体积方面都是有效的。这一结果为周末无法提供治疗的诊所的新放射治疗策略创造了有趣的可能性。最后，我们提出了一个剂量计划，结合我们的研究结果。
2021-12-25 physics.med-ph q-bio.PE
A feasibility study of treatment verification using EPID cine images for hypofractionated lung radiotherapy
我们提出了一种新的方法，潜在的在线治疗验证使用电影EPID（电子射野成像设备）图像的大分割肺放疗的基础上，机器学习算法。大分割放射治疗需要高精度。必须有效地监测目标，以确保肿瘤在光束孔径内。我们将治疗验证问题建模为两类分类问题，并应用人工神经网络（ANN）将治疗期间采集的电影EPID图像分类为相应的类别，其中肿瘤位于光束孔径内部或外部。使用人工添加肿瘤位置偏移的数字重建放射照片（DRR）生成ANN的训练样本，以模拟具有不同肿瘤位置的电影EPID图像。主成分分析（PCA）被用来减少训练样本和电影EPID图像在治疗过程中获得的维数。以回顾性方式对5名低分次肺患者进行了拟议的治疗验证算法测试。平均而言，我们提出的算法实现了98.0%的分类准确率，97.6%的召回率和99.7%的准确率。
2009-04-30 physics.bio-ph physics.med-ph
Monte Carlo simulation of carbon ion radiotherapy for Human Eye
碳离子是重离子放射治疗中最常用的粒子。本文采用FLUKA程序模拟了80 MeV/u碳离子束从两个方向入射到人眼的肿瘤治疗剂量，第一个方向是从横-前方向，这是典型的治疗条件，最大剂量沉积在肿瘤体积内。二是光束从前方射入眼睛，可能造成一定的医疗事故。计算结果与其他报告进行了比较。结果表明，该方法可用于重离子放射治疗计划的制定。
2014-03-03 physics.med-ph
Individualizing Glioma Radiotherapy Planning by Optimization of Data and Physics-Informed Discrete Loss
University of Zurich（苏黎世大学）；Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）；Harvard University（哈佛大学）；ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）；Zuse Institute（祖斯研究所）；University of California, Irvine（加州大学尔湾分校）；TUM School of Medicine and Health（TUM医学院与健康学院）
针对胶质瘤放疗中“一刀切”边缘的局限，提出 GliODIL 框架，结合数据与物理约束优化离散损失，推断肿瘤细胞空间分布，在152名患者数据上有效提升了复发预测能力，实现个体化治疗计划。
2025-11-04 cs.NA math.NA physics.med-ph
Optimal Surface Marker Locations for Tumor Motion Estimation in Lung Cancer Radiotherapy
在肺癌放射治疗中，使用患者体表的基准标记来预测肿瘤位置是一种广泛使用的方法。这项工作的目的是提出一种算法，自动识别一组稀疏的位置在病人的表面上的肿瘤运动的最佳预测能力。外表面上标记物的稀疏选择以及标记物运动与内部肿瘤运动之间的假定线性关系由预测矩阵表示。这样的矩阵通过求解优化问题来确定，其中目标函数包含惩罚在患者表面上选择的标记的数量的稀疏项。我们的算法的性能进行了测试，现实的临床数据的四个肺癌患者。研究中使用了具有10个相位的胸部4DCT扫描。在参考相位上，点的网格被投射在患者的表面上（除了患者的背部），并且经由对应的CT图像的可变形图像配准被传播到其他相位。每个阶段的肿瘤位置也被手动描绘。我们使用4DCT图像的10个相位中的9个来识别与肿瘤运动最相关的一小组表面标记，并同时找到预测矩阵。第10阶段用于测试预测的准确性。发现平均需要6至7个表面标记来预测肿瘤位置，3D误差约为1mm。此外，所选择的标记位置紧密地位于表面点运动与肿瘤运动具有高度相关性的那些区域中。我们的方法可以自动选择稀疏的位置在病人的外表面上，并估计基于4DCT的相关矩阵，使选定的表面位置可以用来放置基准标记，以最佳地预测内部肿瘤运动。
2012-04-19 math.OC physics.med-ph
3D tumor localization through real-time volumetric x-ray imaging for lung cancer radiotherapy
最近，我们已经开发了一种算法，用于重建体积图像和提取三维肿瘤运动信息，从一个单一的X射线投影。我们已经证明了它的可行性，使用数字呼吸模型与规则的呼吸模式。在这项工作中，我们提出了一个详细的描述和综合评价的改进算法。通过引入呼吸运动预测对算法进行了改进。然后在1）数字呼吸体模，2）物理呼吸体模和3）5名肺癌患者上评价准确性和效率。这些评估案例包括与训练数据集不同的规则和不规则呼吸模式。对于有规律和不规律呼吸的数字呼吸体模，平均3D肿瘤定位误差小于1 mm。在NVIDIA Tesla C1060 GPU卡上，对于有规律和不规律呼吸，每个投影的3D肿瘤定位的平均计算时间范围在0.19和0.26秒之间，这比先前报道的结果提高了约10%。对于物理呼吸体模，平均肿瘤定位误差低于1 mm，在同一GPU卡上，分别针对规则和不规则呼吸，平均计算时间为0.13和0.16秒。对于5例肺癌患者，轴向和切向的平均肿瘤定位误差均小于2mm。同一GPU卡上的平均计算时间在0.26到0.34秒之间。
2011-02-08 physics.med-ph
Preliminary study of metabolic radiotherapy with 188Re via small animal imaging
188 Re是一种β（Emax = 2.12 MeV）和γ（155 keV）发射体。由于其化学性质与大量使用的示踪剂99 mTc相似，因此透明质酸（HA）分子已被188 Re标记以产生靶向特异性放射性药物。将放射性标记的化合物静脉注射到健康小鼠中，几分钟后能够积聚到肝脏中。为了研究代谢放射治疗对小鼠的影响，我们建立了一个基于YAP：Ce晶体矩阵的小型伽马相机，像素为0.6x0.6x10 mm**3，由R2486 Hamamatsu PSPMT读取。在YAP矩阵的前面放置一个高灵敏度的20 mm厚的平行孔准直器，孔径为1.5 mm，隔片为0.18 mm。本文介绍了用含有188 Re溶液的各种模型和用188 Re-HA溶液注射的C57黑小鼠获得的初步结果。为了提高空间分辨率并同时获得两个正交投影，我们正在平行建造两个新的摄像机，以90度定位。它们使用由H8500 Hamamatsu Flat panel PMT读取的1x 1x 5 mm**3像素CsI（Tl）矩阵。
2005-06-01 physics.med-ph
Magnetic resonance delta radiomics to track radiation response in lung tumors receiving stereotactic MRI-guided radiotherapy
Mass General Brigham（麻省总医院布里格姆医疗系统）；Harvard Medical School（哈佛医学院）；Dana-Farber Cancer Institute（丹娜-法伯癌症研究所）；Harvard T.H. Chan School of Public Health（哈佛大学陈曾熙公共卫生学院）；Maastricht University（马斯特里赫特大学）
本研究通过回顾性分析47次MR引导肺部SBRT治疗，验证了delta影像组学的可行性与稳定性，发现偏度等特征可追踪放射剂量反应并与局部复发相关，为个体化放疗剂量调整提供依据。
2024-02-23 cs.CV eess.IV physics.med-ph
Real-time volumetric image reconstruction and 3D tumor localization based on a single x-ray projection image for lung cancer radiotherapy
目的：研究一种基于单张X射线投影图像的肺癌放射治疗实时体积图像重建和三维肿瘤定位算法。研究方法：给定一组患者在N个呼吸相位的体积图像作为训练数据，我们在参考相位和其他N-1个相位之间执行可变形图像配准，从而产生N-1个变形矢量场（DVF）。这些DVF可以有效地表示由主成分分析（PCA）获得的一些特征向量和系数。通过改变PCA系数，我们可以生成新的DVF，当将其应用于参考图像时，产生新的体积图像。然后，我们可以通过优化PCA系数来从单个投影图像重建体积图像，使得其计算的投影与测量的投影相匹配。肿瘤的3D位置可以通过在其在参考图像中的位置上应用反转的DVF来导出。我们的算法在图形处理器（GPU）上实现，以实现实时效率。我们使用具有10个呼吸阶段的逼真和动态数学体模生成训练数据。测试数据是对应于一次机架旋转的360个锥形束投影，使用呼吸幅度增加50%的相同体模进行模拟。结果：重建体积图像的平均相对图像强度误差为6.9% ± 2.4%。平均3D肿瘤定位误差为0.8 mm +/- 0.5 mm。在NVIDIA Tesla C1060 GPU卡上，从每个投影重建体积图像的平均计算时间为0.24秒（范围：0.17和0.35秒）。结论：我们已经展示了从单个X射线图像近实时地重建体积图像和在3D中定位肿瘤位置的可行性。
2010-03-31 physics.med-ph
A kinetic model of continuous radiation damage to populations of cells: Comparison to the LQ model and application to molecular radiotherapy
线性二次（LQ）模型是放射治疗中最常用的生物数学模型。关于LQ模型的机械起源一直存在着激烈的争论。一个有趣的方法是从动力学模型中获得类似LQ的行为，动力学模型是模拟损伤诱导和修复的微分方程系统。这种动力学模型的发展是特别有趣的应用程序，连续剂量率治疗，如分子放射治疗或近距离放射治疗。在这项工作中，我们提出了一个简单的动力学模型，描述了肿瘤细胞，而不是致命/亚致命病变，这可能是特别有用的应用程序，以连续剂量率治疗，如在分子放射治疗的群体的动力学。多室模型由一组三个微分方程组成。该模型以一种简单的方式结合了形成肿瘤的细胞的不同交叉相互作用区室，并且可能对研究治疗肿瘤的动力学特别感兴趣。在快速剂量输送极限，该模型可以解析求解，得到一个简单的封闭形式的表达式。几个幸存的曲线与此解决方案和LQ模型的拟合表明，他们产生类似的拟合，尽管功能不同。我们还研究了该模型在连续剂量率情况下的操作，首先通过拟合肿瘤对131 I-CLR 1404治疗的临床前数据，其次通过显示损伤修复和增殖率如何导致治疗达到控制或不。动力学模型，如在这项工作中提出的一个可能是特别感兴趣的分子放射治疗反应时建模。
2021-05-28 physics.med-ph q-bio.TO
First measurements of radon-220 diffusion in mice tumors, towards treatment planning in diffusing alpha-emitters radiation therapy
本研究通过 24 个小鼠皮下肿瘤的放射自显影测量，首次实验估计 Alpha-DaRT 中 radon-220 的扩散长度，并发现体内远处活度扩散可能与血管贡献有关。
2024-01-21 physics.med-ph
A biomathematical model of tumor response to radioimmunotherapy with $α$PDL1 and $α$CTLA4
本文提出纳入辐射诱导免疫效应的肿瘤放射免疫治疗生物数学模型，可拟合αPDL1/αCTLA4联合放疗的临床前数据，并用于优化治疗方案。
2022-05-11 physics.bio-ph physics.med-ph
Back with Weight: Revisiting Very Heavy Ions for Precision Radiotherapy
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung（GSI重离子研究中心）；University of Santiago de Compostela（圣地亚哥德孔波斯特拉大学）；Institut Curie, Université PSL（居里研究所，巴黎文理研究大学）；Université Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学）；Technische Universität Darmstadt（达姆施塔特工业大学）；University Federico II（那不勒斯费德里科二世大学）
本文提出氖离子可能成为治疗抗性、缺氧肿瘤的有效手段，通过减少正常组织毒性来提升放疗效果。
2025-12-18 physics.bio-ph physics.med-ph
Photon-Counting CT in Cancer Radiotherapy: Technological Advances and Clinical Benefits
本综述探讨了光子计数CT（PCCT）在癌症放射治疗中的技术进展与临床获益，指出其通过提升分辨率、降低剂量和优化工作流程，有望变革精准放疗。
2024-12-04 eess.IV physics.med-ph
Minimizing Metastatic Risk in Radiotherapy Fractionation Schedules
转移是来自原发性肿瘤的细胞分散并在远处解剖位置形成新肿瘤的过程。转移性癌症的治疗和预防仍然是一个极具挑战性的问题。这项工作引入了一种新的生物学动机的目标函数的辐射优化社区，考虑转移风险，而不是原发性肿瘤的状态。在这项工作中，我们考虑的问题，制定分次照射计划，尽量减少生产的转移性癌细胞，同时保持正常组织损伤低于可接受的水平。一个动态规划框架，用于确定最佳的分馏方案。我们评估了我们的方法对乳腺癌的情况下，使用心脏和肺作为器官的风险（OAR）。对于小肿瘤$α/β$值，低分次方案是最佳的，这与标准模型一致。然而，对于相对较大的$α/β$值，我们发现计划的类型取决于各种参数，如评估转移风险的时间、OAR的$α/β$值和正常组织保留因子。有趣的是，与标准模型相反，即使肿瘤$α$ / $β$值较大，也建议采用低分次和半低分次方案（初始剂量较大，剂量随时间逐渐减少）。数值结果表明转移风险有可能显著降低。
2015-11-17 physics.med-ph q-bio.PE q-bio.TO
Multiscale Monte Carlo simulations of gold nanoparticle dose-enhanced radiotherapy II. Cellular dose enhancement within macroscopic tumor models
本研究开发多尺度蒙特卡罗模拟方法，结合细胞与组织模型评估不同GNP分布、金浓度下肿瘤内细胞剂量增强因子的变化，证实细胞剂量受多种因素影响，强调模拟GNPT时合理选模的重要性。
2023-05-02 physics.med-ph
TrackRAD2025 challenge dataset: Real-time tumor tracking for MRI-guided radiotherapy
Sichuan Cancer Hospital & Institute（四川省肿瘤医院研究所）；University of Electronic Science and Technology of China（电子科技大学）；LMU University Hospital（LMU大学医院）；LMU Munich（慕尼黑大学）；Catharina Hospital（凯瑟琳医院）；Mater Olbia Hospital（奥尔比亚 Mater 医院）；University Medical Center Utrecht（乌得勒支大学医学中心）；Ludwig-Maximilians-Universität München（慕尼黑大学）；Czech Technical University in Prague（布拉格捷克理工大学）；University of Sydney（悉尼大学）；Fondazione Policlinico Universitario Agostino Gemelli, IRCCS（阿戈斯蒂诺·杰梅利大学综合医院基金会 IRCCS）；Abano Terme Hospital（阿巴诺泰尔梅医院）；GenesisCare；St Vincent’s Hospital（圣文森特医院）；Amsterdam UMC location Vrije Universiteit Amsterdam（阿姆斯特丹自由大学医学中心）；Technical University Eindhoven（埃因霍温理工大学）
本文提出TrackRAD2025多机构实时MRI时间序列数据集，包含585例MRI-linac病例，用于开发和评估MRI引导放射治疗中的实时肿瘤追踪算法。
2025-05-23 cs.CV physics.med-ph
Patient-Specific CBCT Synthesis for Real-time Tumor Tracking in Surface-guided Radiotherapy
本研究提出A-SI框架，结合高频表面成像与低频单角度X线投影，通过患者特异性PC-DDPM模型生成实时OSD-CBCT，在22例肺癌模拟中实现高保真重建与精准肿瘤定位，助力低剂量实时肿瘤追踪。
2024-11-01 physics.med-ph
EXACT-Net:EHR-guided lung tumor auto-segmentation for non-small cell lung cancer radiotherapy
Johns Hokins University（约翰斯·霍普金斯大学）；Carina Medical（卡瑞纳医疗）；University of Minnesota（明尼苏达大学）；Mayo Clinic（梅奥诊所）
本文提出EXACT-Net，利用预训练大语言模型从电子健康记录中提取信息以去除肺结节检测中的假阳性，在十名NSCLC患者数据上使成功结节检测率提升250%。
2024-07-31 cs.CV eess.IV physics.med-ph
A Short Synthesis Concerning Biological Effects and Equivalent Doses in Radiotherapy
长期以来，人们都知道放射生物学起着重要的作用，它是放射治疗所必需的。暴露后对正常和恶性组织的辐射效应范围从飞秒到数月和数年[1，2]。因此，为了优化治疗，解释和理解这些机制至关重要[3-5]。为放射治疗提供概念基础，并确定肿瘤和正常组织对辐射反应的机制和过程，有助于解释观察到的现象[6]。例如，了解缺氧、再氧合、肿瘤细胞再增殖或DNA损伤修复机制[3，7，8]。辐射的不同生物效应应分为几个阶段：物理（带电粒子和组织原子之间的相互作用），化学（受损原子和分子与其他细胞成分发生快速化学反应的时期）和生物（产生的损伤对生物组织的影响[4]）。以下部分描述了放射治疗中最常用的模型。这些都是简单的模型，实际的治疗是基于，并验证和批准[9-12]。
2017-04-21 physics.med-ph
Analysis of the sensitivity of tumor control probability in molecular radiotherapy to uncertainties in the dose rate curves
本研究分析了分子放射治疗中肿瘤控制概率对剂量率曲线不确定性的敏感性，发现TCP对剂量率变化的敏感性随$α/β$、亚致死损伤修复率及生物半衰期增加而降低，强调低$α/β$肿瘤使用快衰变药物时需精确测量。
2025-01-31 physics.med-ph
3-D Longitudinal Imaging of Tumor Angiogenesis in Mice in Vivo Using Ultrafast Doppler Tomography
血管生成，即新血管的形成，是肿瘤发展的关键机制之一，也是一个有吸引力的治疗靶点。需要非侵入性、高分辨率、高灵敏度、定量3D成像技术来随着时间的推移正确地描绘肿瘤异质性脉管系统。超快多普勒是最近推出的，它提供了前所未有的分辨率、穿透深度和灵敏度的组合，而不需要任何造影剂。该技术通过超快多普勒断层扫描（UFD-T）进一步扩展到3D。在这项工作中，UFD-T被应用于监测体内肿瘤血管生成，提供不同发育阶段的结构和功能信息。UFD-T体积透视图显示，我们的小鼠模型的血管系统源于预先存在的血管，并随着肿瘤的生长而发芽以灌注整个体积，直到达到临界尺寸。然后，随着网络变得不足，肿瘤核心不再被灌注，因为脉管系统主要集中在外围。除了空间分布和生长模式外，UFD-T还可以对血管大小和长度进行定量分析，显示血管的直径分布在整个肿瘤生长过程中保持相对恒定。在肿瘤发展的所有阶段，该网络以小血管为主，超过74%的血管直径小于200 $μ$ m。这项研究还表明，累积血管长度与肿瘤半径的关系比与体积的关系更密切，这表明当达到临界质量时，血管化变得不足。UFD-T还与动态对比增强超声（DCE-US）进行了比较，并显示出提供了关于结构和灌注之间联系的补充信息。总之，UFD-T能够在3D中对肿瘤血管系统的发展进行体内定量评估（血液速度> 1 mm/s（灵敏度限值）的血管，分辨率限值为80 $μ$ m）。该技术具有非常有趣…
2019-12-05 eess.IV physics.med-ph q-bio.TO
Enhanced Tumor Accumulation of Sub-2 nm Gold Nanoclusters for Cancer Radiation Therapy
本研究提出了一种新型的可代谢的、有效的肿瘤放射增敏剂，其通过将超小的金纳米团簇（NCs，<2nm）与生物相容性涂层配体（谷胱甘肽，GSH）相结合来实现。新的纳米结构（GSH-包覆的Au 25 NC）继承了Au核（强放射增敏作用）和GSH壳（良好的生物相容性）的吸引人的特征。它可以通过增强EPR效应优先在肿瘤中积聚，从而导致癌症放射治疗的强烈增强。治疗后，小尺寸的GSH-Au 25 NC可以被肾脏有效清除，最大限度地减少由于Au 25 NC在体内积累而引起的任何潜在副作用。
2013-08-30 physics.bio-ph physics.med-ph
Influence of nuclear interactions in polyethylene range compensators for carbon-ion radiotherapy
\item [目的]最近的一项研究表明，由于核相互作用中的成分差异，聚乙烯（PE）会导致每射程偏移0.45\%/cm的额外碳离子衰减。本研究旨在评估PE距离补偿器对碳离子放射治疗中肿瘤剂量的影响。\item [方法]碳离子辐射模型由初级碳离子和次级粒子组成，在布拉格峰扩展的中间位置，计算每种粒子的剂量和相对生物学效应（RBE）。假设这些成分的衰减和产率随深度呈指数行为，计算了临床碳离子束的PE对剂量的影响，并通过实验进行了部分测试。将双组分模型整合到治疗计划系统中，并在两个临床病例中估计PE效应。\item [结果] PE的单位距离移动衰减在剂量上为0.1%~ 0.3%/cm，在RBE加权剂量上为0.2%~ 0.4%/cm，取决于能量和距离调制宽度。这转化为在极端情况下RBE加权剂量减少高达3%。然而，在治疗计划研究中，对肿瘤的RBE加权剂量的影响通常在1%的降低范围内。\item [结论] PE中初级碳离子的额外衰减部分被肿瘤剂量增加的次级粒子所补偿。在实际情况下，与治疗计划、患者设置、射束输送和临床响应中的固有不确定性相比，PE范围补偿器通常仅会引起边际误差。
2016-09-30 physics.med-ph
Functional Imaging for Dose Painting in Radiotherapy
已开发出剂量涂抹，以调节靶区域所需的剂量，而不会增加健康区域的毒性。除了确定肿瘤的准确位置和大小外，定量功能成像还可用于实现剂量绘制。功能成像，如多参数MRI和PET CT，使我们能够通过增加总体肿瘤体积中某些区域或体素的剂量，同时减少侵袭性较小区域或体素的剂量，实现生物剂量递增。由于微观组织特性，功能成像可以作为放射治疗中治疗干预的指标。利用这样的生物指示剂，可以使用剂量绘制将个性化辐射剂量定制到特定轮廓或体素。本文首先对PET-CT和多参数MRI等几种定量功能成像技术进行综述。此外，理论和实验比较剂量绘画轮廓（DPBC）和剂量绘画的数字（DPBN），以及剂量绘画后的结果分析。最后，我们总结了这一领域的主要挑战和未来方向，我们希望通过这些挑战和方向激发令人兴奋的发展和富有成效的研究途径。
2020-11-23 physics.med-ph
Deep Learning for Longitudinal Gross Tumor Volume Segmentation in MRI-Guided Adaptive Radiotherapy for Head and Neck Cancer
University of Wisconsin（威斯康星大学）
本文提出基于 SegResNet 的纵向 GTV 分割模型集合，结合混合数据训练与掩膜感知注意力，在头颈癌 MRgART 放疗前和放疗中分割任务中取得优异成绩并获得第一。
2024-12-01 cs.AI cs.CV eess.IV
Shell feature: a new radiomics descriptor for predicting distant failure after radiotherapy in non-small cell lung cancer and cervix cancer
目的建立一种新的预测非小细胞肺癌（NSCLC）和宫颈癌（CC）患者远处转移失败的肿瘤外壳特征。患者和方法使用48例接受立体定向体部放射治疗（SBRT）的NSCLC患者和52例接受体外放射治疗和同步化疗后接受高剂量率腔内近距离放射治疗的CC患者的治疗前正电子发射断层成像（PET）图像构建壳层预测模型。从一系列轴向PET切片中提取由肿瘤边界周围的外部体素组成的壳特征。这一特征背后的假设是，非侵袭性和侵袭性肿瘤在肿瘤周边可能具有不同的形态学模式，这反过来反映了PET图像中放射学表现的差异。利用支持向量机（SVM）分类器对贝壳进行分类，并与基于灰度共生矩阵（GLCM）的纹理、基于邻域灰度色调差矩阵（NGTDM）的纹理以及这四种特征的组合进行比较。根据准确性、灵敏度、特异性和受试者工作曲线下面积（AUC）对结果进行评估。结果对于NSCLC，外壳特征实现的AUC为0.82，而其他特征实现的最高AUC为0.76。同样，对于CC，外壳特征实现的AUC为0.83，而其他特征实现的最高AUC为0.76。此外，在所有情况下，外壳和其他特征之间的性能差异显著（P < 0.005）。结论我们提出了一种与肿瘤转移相关的基于边界的壳特征。对于NSCLC和CC的远端失效预测，外壳特征显示出比所有其他特征更好的预测性能。
2017-09-27 physics.med-ph q-bio.TO
High-Flux Entangled Photon Generation via Clinical Megavoltage Radiotherapy Beams for Quantum Imaging and Theranostics
本研究提出利用临床兆伏级放疗束作为双用途源，在递送治疗剂量的同时产生高通量纠缠光子，通过模拟验证其可实现多模式量子诊疗成像，将量子成像拓展至治疗级能量范围。
2025-09-04 physics.med-ph
A Proof of Principle: Multi-Modality Radiotherapy Optimization
放射治疗是通过使用电离辐射破坏肿瘤细胞的DNA来治疗癌症患者。光子是治疗中使用最广泛的辐射类型，在1895年首次发现X射线后不久就投入使用。然而，由于质子和碳离子等其他辐射形式具有独特的生物和物理特性，使其有别于光子，因此对这些辐射形式的兴趣和发展正在出现。目前确定最佳放射方式或多种方式的最佳组合的尝试是经验性的，并且处于开发的早期阶段。在本文中，我们提出了一个数学框架，以优化全辐射剂量分布和分割时间表的多种辐射方式，旨在最大限度地提高对肿瘤的损害，同时限制对正常组织的损害到相应的耐受水平。这个公式产生了一个非凸的，混合整数规划，我们提出了一个双层优化算法，以有效地解决它。上层问题是使用在较低的水平优化的剂量分布优化分割时间表。我们证明了我们的新框架和算法的可行性，在一个简单的2维幻影与两种不同的辐射方式，临床直觉可以很容易地得出。我们的数值模拟的结果与临床直觉一致，验证了我们的方法，并显示了进一步临床研究的框架的承诺。
2019-11-19 math.OC physics.med-ph
Critical review of patient outcome study in head and neck cancer radiotherapy
本综述批判性梳理头颈部癌放疗预后预测从传统方法到AI、因果推断的演进，指出当前相关性转临床洞见的难点，提出结合互补方法尤其是干预模型以实现个性化治疗、改善患者预后。
2025-03-19 physics.med-ph
Biological effects and equivalent doses in radiotherapy: a software solution
TDF（时间、剂量和分次）和线性二次模型的局限性早已为人所知。医学物理学家和医生需要提供关于输送剂量或与治疗变化有关的任何未来处方的快速和可靠的解释。因此，我们提出了一个GNU许可证下的计算接口，用于等效剂量，生物剂量和正常肿瘤并发症概率（莱曼模型）。所使用的方法来自几个来源：Astrahan的线性二次线性模型，Dale的再增殖效应，以及泰晤士河的多分割治疗的预测。结果是从一个算法，最大限度地减少了特设成本函数，然后比较使用标准计算器在七个法国放射治疗中心计算的等效剂量。
2013-08-23 cs.CE physics.med-ph
Dosimetric Evaluation of CT-to-RED Calibration Curves on Dosimetric Accuracy in Brain Radiotherapy
本研究通过比较物理模体与Monaco TPS默认的CT到RED校准曲线在脑肿瘤VMAT计划中的剂量计算差异，发现默认曲线导致剂量高估，证明基于模体的特定部位校准对提高脑部放疗剂量精度至关重要。
2025-05-08 physics.med-ph
Simulation of Proton and Carbon-12 Ion Beam for Tumor/Cancer Treatment
本文使用geant4工具包在水和软组织中模拟质子与碳-12离子束，发现质子的能量沉积优于碳-12离子和伽马光子束，为肿瘤与癌症的粒子束治疗提供了支持。
2024-06-05 physics.acc-ph physics.med-ph
Application of a spring-dashpot system to clinical lung tumor motion data
建立了一个基于Voigt模型的弹簧-阻尼器系统，用于模拟肺放疗过程中腹部呼吸运动与肿瘤运动之间的相关性。该模型被应用于临床数据，包括52治疗光束从10名患者，三菱实时放射治疗系统，日本札幌。在第1阶段，针对个体患者和射束优化模型参数，以确定参考值并研究模型描述数据的能力。在阶段2中，对于每个患者，将针对单个射束确定的最佳参数应用于来自其他射束的数据，以研究射束特定的模型参数集是否足以对治疗过程中的肿瘤运动进行建模。在第1阶段中，所有单独优化的射束数据的基线均方根（RMS）残差为0.90 ± 0.40 mm。在第2阶段中，发现基于单个射束的患者特定模型参数可以密切模拟肿瘤位置，即使对于不规则射束数据，相对于第1阶段值，RMS误差平均增加0.37 mm。平均而言，获得的肿瘤位置模型输出为95%在阶段1和阶段2中，分别在2.0 mm和2.6 mm的绝对界限内的时间。该模型能够处理输入数据的基线、幅度和频率变化，以及输入肿瘤和输出腹部信号之间的相移。这些结果表明，在首次治疗期间或之前收集患者特异性模型参数，然后在治疗期的剩余时间内保留这些参数可能是可行的。该模型在肺肿瘤放射治疗中具有潜在的临床应用价值。
2012-09-03 physics.med-ph
Unraveling the Redox Mechanisms Underlying FLASH Radiotherapy: Critical Dose Thresholds and NRF2-Driven Tissue Sparing
本研究通过小鼠模型揭示FLASH放疗的保护效应取决于总剂量阈值而非单次剂量，其机制涉及增强自由基复合、激活NRF2抗氧化通路并抑制ERK信号，从而减少正常组织损伤。
2025-08-28 physics.med-ph
Boosting radiotherapy dose calculation accuracy with deep learning
在放射治疗中，在计算工作量/速度和剂量计算精度之间存在权衡。计算方法，如光束卷积可以比蒙特卡罗方法快得多，但准确度较低。主要由不均匀性和电子不平衡引起的剂量差异与剂量分布和基础解剖组织密度高度相关。我们假设，可以建立一个转换方案，以提高低精度剂量的高精度，使用从计算机断层成像（CT）图像获得的强度信息。开发了一个深度学习驱动的框架，通过在两种商用剂量计算方法之间进行转换来测试假设：AAA（各向异性分析算法）和AXB（Acuros XB）。开发了一个分层密集的U-Net模型，以提高AAA剂量的准确性，使其达到AXB水平。该网络包含多个不同特征大小的层，以了解它们与CT的局部和全局剂量差异。AAA和AXB剂量成对计算120个肺放疗计划，涵盖各种治疗技术，射束能量，肿瘤位置和剂量水平。
2020-05-15 physics.med-ph
Dosimetry for FLASH Radiotherapy: A Review of Tools and the Role of Radioluminescence and Cherenkov Emission
虽然递送到靶体积的空间剂量符合性已经被推进到其实际极限，但先进的治疗规划和递送，新的时间剂量递送的研究正在展开新的机制。超高剂量放射治疗（缩写为FLASH）的最新进展表明在保持肿瘤控制的同时减少健康组织损伤的潜力。FLASH治疗依赖于> 40 Gy/sec的非常高的剂量率，具有亚秒级的时间射束调制，与常规的分次治疗范例采取看似相反的方向。FLASH给剂量测定、射束控制和验证带来了独特的挑战，并通过改变组织反应使放射生物学有效剂量变得复杂。在这篇综述中，我们比较了能够在高剂量率环境下工作的剂量测定方法。由于出色的剂量率独立性，优越的空间（~<1 mm）和时间（~ns）的分辨率可实现与切伦科夫和基于闪烁的探测器，我们表明，发光探测器在FLASH-RT的发展中发挥了关键作用，因为该领域迅速发展到临床适应。此外，我们还表明，某些基于发光的方法能够以亚毫米分辨率实时提供肿瘤氧合图，这一独特能力可以阐明FLASH效应背后的放射生物学机制。特别是，这种技术将是至关重要的理解的作用，氧介导的闪光效应。
2020-06-17 physics.ins-det 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
Optimizing Radiotherapy Plans for Cancer Treatment with Tensor Networks
我们提出了一种新的应用张量网络方法在癌症治疗作为一个潜在的工具，以解决放射治疗的剂量优化问题。特别是，调强放射治疗（IMRT）技术-允许治疗不规则和不均匀的肿瘤，同时减少对健康器官的辐射毒性-是基于辐射子束强度的优化。优化的目的是最大限度地向癌症输送治疗剂量，同时避免危及器官，以防止其受到辐射的损害。在这里，我们将剂量优化问题映射到寻找类伊辛哈密顿量的基态，描述了一个远程相互作用量子比特系统。最后，我们应用树张量网络算法来找到哈密顿量的基态。特别是，我们提出了一个解剖方案举例说明前列腺癌的治疗。类似的方法可以应用于未来的混合经典-量子算法，为量子技术在未来医疗中的使用铺平道路。
2020-10-19 cond-mat.stat-mech physics.comp-ph physics.med-ph
A multiscale radiation biophysical stochastic model describing the cell survival response at ultra-high dose rate
本文提出了多尺度广义随机微剂量学模型（MS-GSM2），通过描述多尺度辐射损伤与DNA损伤的时间演化，准确预测了超高剂量率（FLASH）放射治疗中的细胞存活反应，并解释了正常组织与肿瘤的差异性结果。
2024-12-20 physics.bio-ph physics.med-ph
A feasible dose-volume estimation of radiotherapy treatment with optimal transport using a concept for transportation of Ricci-flat time-varying dose-volume
本文将放疗中不同分割DVH难以叠加的问题建模为最优输运问题，在黎曼流形TDV空间中引入里奇平坦条件与泊松扩散方程，从而严格获得可行的总DVH估计。
2024-09-04 physics.comp-ph 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
Adversarial Prediction of Radiotherapy Treatment Machine Parameters
现代外照射癌症放射疗法将规定的辐射剂量应用于肿瘤靶点，同时最小限度地影响附近的脆弱器官（OAR）。创建治疗计划是困难和耗时的，并且不能保证最优性。基于知识的计划（KBP）通过基于先前临床质量计划的群体的概率模型指导计划来减轻这种不确定性。我们已经开发了一个KBP启发的规划模型，预测计划作为治疗机参数的实现。这些是直线加速器（Linac）机架角度元组、成形射束的多叶准直器（MLC）孔径和孔径强度权重，孔径强度权重可以在与患者目标解剖结构的投影（射束眼视图）同构的坐标系中以图形方式表示。这些配对数据训练条件生成对抗网络（cGAN），其估计新患者的MLC孔径和权重，从而预测治疗计划。预测计划的OAR节约接近于临床计划的OAR节约;预测目标覆盖率需要细化以匹配临床计划的质量。尽管如此，预测的计划可以用作计划质量的下限，并且通过初始化MLC孔径形状和权重细化可以显著减少该细化的计算时间。
2021-07-05 physics.med-ph
Radiotherapy using a laser proton accelerator
激光加速有望在癌症粒子束治疗中实现创新，其中用于癌症束治疗的超紧凑加速器系统可以为广泛的患者所负担。如果不引进一种与传统的基于加速器的方法完全不同的技术，这是不可行的。激光加速方法为放射肿瘤学家提供了许多增强的能力。它将整个系统的尺寸和重量减少了一个数量级以上。粒子束（质子）的特性使其适用于传统加速器可能无法实现的一类治疗，例如易于改变脉冲强度，焦点扩散，精确度和剂量输送。紧凑、整洁的系统允许PET设备与紧凑机架一起位于患者附近。放射肿瘤学家能够通过用类放射性粒子束扫描来照射局部肿瘤，同时用改进的射束内PET验证由射束治疗诱导的自动放射激活来确定患者中的实际剂量。这将为放射肿瘤学家的反馈放射治疗带来前所未有的灵活性。激光加速放射治疗在目前使用同步加速器或回旋加速器的高能加速器世界中具有独特的利基。
2008-04-24 physics.comp-ph physics.med-ph physics.plasm-ph
A combined dose and microdosimetric modeling framework incorporating volume effects correlates with tissue sparing in proton minibeam radiotherapy
University of Trento（特伦托大学）；Trento Institute for Fundamental Physics and Application (TIFPA)（特伦托基础物理与应用研究所）；Istituto Nazionale Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Catania（意大利国家核物理研究所（INFN），卡塔尼亚分部）；The Department of Physics & Astronomy at Louisiana State University (LSU)（路易斯安那州立大学物理与天文学系）；Department of Civil, Environmental and Mechanical Engineering, University of Trento（特伦托大学土木、环境与机械工程系）
该研究提出结合剂量和微剂量学建模的框架，通过蒙特卡罗模拟分析质子微束放疗中不同深度的正常组织保护效果，发现高峰谷剂量比和串性参数对保护效果有显著影响。
2026-01-21 physics.bio-ph physics.med-ph
Current Views on Mechanisms of the FLASH Effect in Cancer Radiotherapy
Peking University（北京大学）；the Second Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University（温州医科大学附属第二医院）；College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University（北京大学化学与分子工程学院）；Sun Yat-sen University（中山大学）；KIRI Precision Particle Therapy Flash Technologies Research Center（基锐精准粒子治疗闪速技术研究中心）；The University of Hong Kong-Shenzhen Hospital（香港大学深圳医院）
本文综述了FLASH效应在物理化学和生物学层面的主要假说，包括氧耗竭、自由基反应、核和线粒体损伤以及免疫反应，并为未来研究提供指导。
2024-05-16 physics.med-ph
