Proton arc therapy plan optimization with energy layer pre-selection driven by organ at risk sparing and delivery time
本研究提出一种质子弧治疗的能量层预选择方法，采用元启发式算法优化双目标函数，可在约5分钟生成帕累托最优方案，相比ELSA计划递送时间减少20%-40%，同时保障靶区覆盖与危及器官保护。
2024-10-10 physics.med-ph
The societal impact of ion beam therapy
离子束治疗应该通过基于模型的患者选择、用于更好和更快的治疗递送的创新技术以及显著的尺寸和成本降低来“民主化”。残疾调整生命年（DALY）概念可用于量化社会效益。
2020-06-21 physics.med-ph
Imaging in Radiotherapy
随着现代放射治疗朝着高治疗剂量的高精度递送到肿瘤同时最佳地保留周围健康组织的方向的持续发展，成像成为识别预期靶点、将其正确定位在治疗部位以及在更高级的研究应用中使治疗递送可视化的关键组成部分。这篇文章回顾了成像在现代外束放射治疗中的主要作用，特别强调了新兴的离子束治疗技术，其目的是利用离子相互作用的有利特性，以获得前所未有的剂量输送弹道精度
2018-04-23 physics.med-ph
Protection Strategy of Sensitive Body Organs in Radiation Therapy
本文探讨了调强放射治疗中敏感人体解剖结构对癌性运动肿瘤的防护策略。在统计物理学和动力学系统中开发的优化技术的启发下，我们部署了一种基于变分原理的方法，并制定了一个有效的遗传算法，使我们能够搜索全局最小值在一个复杂的景观辐射剂量传递到辐射敏感器官的风险。我们利用放射治疗期间身体解剖结构的内部运动来减少对敏感器官的辐射的无意递送。我们表明，精确优化的控制参数，相比传统的调强放射治疗和广泛使用的基于静态解剖假设的交付，导致显着减少的剂量交付到有风险的器官。
2009-07-28 physics.med-ph
Beam Transport Systems for Particle Therapy
介绍了粒子治疗装置中加速器与病人治疗位置之间的束流传输系统。在一些总体布局方面，该系统的主要光束处理任务进行了讨论。这些是能量选择，粒子束到束流传输设备和机架的最佳传输，能够围绕患者旋转束流传输系统的设备，以便可以从几乎任何方向照射肿瘤。还描述了笔形射束扫描的方法以及如何在机架内实现。使用这种方法，粒子剂量在肿瘤体积上扩散到规定的剂量分布。
2018-04-23 physics.med-ph
Optimizing the Traversal Time for Gantry Trajectories for Proton Arc Therapy Treatment Plans
引入ATOM算法，通过离散化机架速度并结合A*与Ruckig库优化质子弧治疗的机架速度曲线，在确保动态运动可行性的前提下快速生成最短实施时间轨迹。
2023-10-19 physics.med-ph
Circulating Lymphocytes Preservation in Lung Cancer Stereotactic Body Radiation Therapy with Ultra-Fast Proton Delivery Using Modularized Pin Ridge Filters
研究评估基于pRF的肺癌SBRT计划在常规和FLASH剂量率下对免疫保护的作用。通过模拟和建模对比IMPT，发现pRF计划可缩短输送时间、减少血液照射剂量，改善循环淋巴细胞存活分数，为质子肺癌SBRT免疫保护提供实用策略。
2026-07-28 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
Future Developments in Charged Particle Therapy: Improving Beam Delivery for Efficiency and Efficacy
带电粒子治疗（CPT）的物理和临床益处得到了广泛认可，最近的发展导致了设施的迅速出现，从而在全球范围内得到了更广泛的采用。尽管如此，CPT的可用性和剂量测定优势的充分利用仍然受到高设施成本和技术挑战的限制。有广泛的持续努力，以改善这些，这将导致更大的可及性，优质的交付，因此更好的治疗结果。这些方面中的几个可以通过对射束输送系统（BDS）的开发来解决，该系统确定整体成形和定时能力以提供高质量的治疗。现代分娩技术是必要的，但受到延长治疗时间的限制。能量层切换时间（ELST）是BDS的限制性约束，并且是束传递时间（BDT）的决定因素，以及加速器和其他因素。本综述详细评估了交付过程，介绍了BDS和相关加速器技术的局限性和发展，以减少BDT。由于延长的BDT影响运动并对治疗具有剂量学意义，我们讨论了最大限度地减少ELST的途径，并概述了大能量接受BDS的临床受益和可行性。这些发展支持了提供先进方法的可能性，如体积再扫描，FLASH和弧形治疗，并可以进一步降低成本，因为更快地提供更大范围的治疗适应症。还讨论了实现多离子、图像引导和自适应治疗的进一步工作。在这篇综述中，我们研究如何提高治疗效率和疗效可以实现与改进的BDS，以及如何这可能会导致更快，更高质量的治疗CPT的未来。
2021-09-21 physics.acc-ph 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
On tradeoffs between treatment time and plan quality of volumetric-modulated arc therapy with sliding-window delivery
本研究的目的是给出一个精确的公式优化的容积调制弧治疗（VMAT）与滑动窗口交付，并调查计划质量的影响，减少滑动窗口扫描的数量上的360度弧更快的VMAT治疗。根据确切的配方，我们解释了以前在文献中提出的算法作为一种启发式方法来解决这个优化问题。通过首先进行推广，我们建议修改此算法，以更好地处理计划与较少的扫描。在涉及一个前列腺和一个肺部病例的数值研究中，生成了具有不同治疗时间和扫描次数的计划。据观察，随着治疗时间限制变得更严格，更少的扫描可能导致更好的计划质量。的原始和修改后的版本的算法的性能进行评估并行。应用修改后的版本的结果在更好的目标函数值和更少的剂量之间的差异优化和准确的剂量，和优势是明显的扫描次数减少。
2018-10-19 math.OC physics.med-ph
Monte-Carlo-based 4D robust optimization using physical and temporal uncertainties for intensity-modulated proton therapy
目的：呼吸运动和相互作用效应导致点扫描质子治疗输送给患者的剂量与优化期间计划的剂量不同。开发了一种新的4D鲁棒优化方法，该方法将患者呼吸和相互作用效应以及它们的不确定性纳入优化过程中。研究方法：4D鲁棒优化器使用4DCT图像集来获得关于患者呼吸的信息，并包括射束输送模拟以合并相互作用效应。使用蒙特卡罗模拟计算所有呼吸相位上来自潜在点的剂量，使用可变形图像配准将其变形为参考相位，然后添加加权和。不同阶段的权重基于波束传输模拟。通过将范围和设置不确定性视为物理不确定性场景，将患者呼吸和治疗输送的不确定性视为时间不确定性场景，将稳健性添加到优化中……结果如下：4D稳健优化计划显示出改善的靶区覆盖率，平均剂量增加到靶区体积的98%，平均剂量增加4.9%，均匀性改善，均匀性指数平均降低6.0%，稳健性改善，所有不确定性场景中的覆盖率和均匀性范围平均分别降低35.0%和52.5%。结论：一个4D鲁棒优化器的开发，其中包括相互作用的影响，并不依赖于呼吸和交付的同步。
2019-07-30 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
Ultrafast Proton Delivery with Pin Ridge Filters (pRFs): A Novel Approach for Motion Management in Proton Therapy
提出使用针状脊形滤波器(pRFs)构建单能量束计划，将IMPT-DS转换为IMPT-pRF，在肺和肝SBRT病例中显著减少了剂量传输时间及危及器官剂量。
2025-02-03 physics.med-ph
Dynamic Modulated Arc Therapy (DMAT): A Time Aware, Modulation Steered Optimization Framework for Next Generation Radiotherapy Delivery
Varian Medical Systems Inc., a Siemens Healthineers company（瓦里安医疗系统公司，西门子健康技术旗下公司）
DMAT通过联合优化剂量质量、交付时间和调制复杂度，实现意图驱动的放疗交付。该方法结合机器仿真和动态调制控制，通过用户设定的调制水平优化叶轮运动、MU行为和CP密度，提升治疗计划的质量和效率。
2026-09-03 physics.med-ph
Direct leaf trajectory optimization for volumetric modulated arc therapy planning with sliding window delivery
我们提出了一种新的优化模型的体积调制弧治疗（VMAT）规划，直接优化可交付的叶轨迹的治疗计划优化问题，并消除了需要一个单独的弧排序步骤。在这个模型中，一个360度的弧被分成给定数量的弧段，叶片在这些弧段中单向移动。这有助于确定每个弧段的最佳分段线性叶轨迹的算法，其在给定的治疗时间内可递送。多叶准直器（MLC）的约束，包括最大叶速度和交错，明确占。该算法经过定制，允许使用恒定机架速度和剂量率进行VMAT输送，但是，如果有益，该算法可推广到可变机架速度。我们展示了三个不同的肿瘤部位的方法：头颈部的情况下，前列腺的情况下，和脊柱旁的情况下。为此目的，我们首先获得一个参考计划的调强放疗（IMRT）使用注量图优化和20个等距束方向。随后，通过将360度弧划分为20个对应的弧段来优化VMAT计划。假设典型的机器参数（剂量率为600 MU/min，最大叶片速度为3 cm/sec），证明了优化的VMAT计划的质量接近IMRT基准计划的质量，输送时间为3至4分钟。
2013-06-17 math.OC physics.med-ph
A 2D antiscatter grid and scatter sampling based CBCT method for online dose calculations during CBCT guided radiation therapy of pelvis
提出一种结合数据校正与散射抑制的定量CBCT流程，提升HU准确性，使盆腔在线剂量计算误差极小，媲美计划CT，无需密度覆盖，支持精确剂量监测与在线计划自适应。
2023-10-10 physics.med-ph
Universal and dynamic ridge filter for pencil beam scanning particle therapy: novel concept for ultra-fast treatment delivery
目的在PBS粒子治疗中，短治疗时间对于使用运动缓解技术（如屏气、重新扫描和门控）有效治疗移动目标至关重要。能量和光斑位置改变时间是减少治疗时间的限制因素。在这项研究中，我们设计了一个通用的和动态的能量调制器（脊形滤波器，RF），以扩大布拉格峰，以减少覆盖目标体积所需的能量和斑点的数量，从而降低治疗时间。方法我们的射频装置包括两个相同的射频放置在等中心点之前。两个RF相对于彼此移动，动态地改变布拉格峰特性。我们在TOPAS中模拟了不同的布拉格峰形状，并进行了实验验证。然后，我们将单场计划以1Gy/分次输送到水中的不同几何目标，以使用RF测量剂量输送时间并将其与临床设置进行比较。结果在不同位置排列的射频产生不同的展宽在布拉格峰，我们实现了最大展宽2厘米。对于所有研究的几何靶点，使用RF，我们将场中的能量数量减少了60%以上，剂量输送时间减少了50%，而不会影响剂量分布的横向和远端衰减。结论我们的新型通用和动态RF允许基于靶体积中剂量成形的要求来适应斑点和/或能量层的布拉格峰展宽。它显著减少了覆盖目标体积的能量层和点的数量，从而减少了治疗时间。这种射频设计非常适合单次屏气（5-10秒）内的超快速治疗输送、运动缓解技术的有效输送以及超高剂量率（FLASH）的小动物辐照。
2022-08-13 physics.app-ph physics.med-ph
Toward Ultra-fast Treatments: Large Energy Acceptance Beam Delivery Systems and Opportunities for Proton Beam Therapy
Peter MacCallum Cancer Centre（彼得·麦卡勒姆癌症中心）；University of Melbourne（墨尔本大学）；Cockcroft Institute（科克克罗夫特研究所）；University of Manchester（曼彻斯特大学）；Massachusetts General Hospital（麻省总医院）；Harvard Medical School（哈佛医学院）；Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO)（澳大利亚核科学和技术组织）
本文探讨了通过增大传统束流线的能量接受度来减少能量层切换时间，从而实现超快束流输送，提升质子束治疗的效率和效果。
2026-01-20 physics.acc-ph 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
Generating Synthesized Computed Tomography (CT) from Cone-Beam Computed Tomography (CBCT) using CycleGAN for Adaptive Radiation Therapy
锥形束计算机断层成像（CBCT）图像可用于自适应放射治疗（ART）中的剂量计算。主要的挑战是大的伪影和不准确的Hounsfield单位（HU）值。目前，变形的计划CT图像通常用于此目的，尽管解剖精度可能是一个问题。理想情况下，我们希望将CBCT图像转换为CT图像，去除或大大减少伪影，并校正HU值，同时保持解剖精度。最近，深度学习在图像到图像的翻译任务中取得了巨大的成功。在有监督的训练中，很难获得与解剖结构完全匹配的成对CT和CBCT图像。为了克服这一限制，我们开发并测试了一种循环生成对抗网络（CycleGAN），这是一种无监督学习方法，不需要配对的训练数据集来从CBCT图像合成CT图像。合成CT（sCT）图像与变形计划CT（dpCT）进行了比较，显示出视觉和定量相似性，伪影被去除，HU值误差从71.78 HU降至27.98 HU。与原始CBCT图像相比，使用sCT图像的剂量计算准确度有所提高，1 mm/1%标准的平均伽马指数通过率从95.4%提高到97.4%。已进行了一项可变形体模研究，并证明sCT的解剖准确性优于dpCT。
2018-12-11 physics.med-ph
Dose Delivery Verification
本文着重介绍了质子治疗和笔形束扫描的剂量学方面的经验积累的基础上，在保罗谢勒研究所（PSI）。本文概述了质子治疗中绝对剂量学的基本形式，并介绍了进行初级束流监测室校准的两种主要技术和设备。详细讨论了深度-剂量曲线和横向束宽的测量方法，特别是分别对电离室的尺寸和CCD剂量测量系统的特性进行了讨论。还解释了如何在实践中可以确定单个笔形波束的角空间分布。用于执行常规机器特定质量检查的设备和技术集中在（i）输出恒定性检查、（ii）笔形波束位置和尺寸检查以及（iii）波束能量检查。最后，针对患者的验证。
2018-04-23 physics.med-ph
Guaranteed epsilon-optimal treatment plans with minimum number of beams for stereotactic body radiation therapy
立体定向体部放射治疗（SBRT）的特点是在短时间内提供高剂量。在SBRT中，使用开放视野（例如，光束眼视图），称为“孔径”。数学方法可用于优化治疗计划，以向癌细胞递送足够的剂量，同时保持对周围危险器官（OAR）的剂量最小。治疗计划的两个重要因素是质量和交付时间。计划的质量是根据目标覆盖率和OAR剂量来衡量的。输送时间在很大程度上取决于计划中使用的射束数量，因为不同射束方向的设置时间占输送时间的很大一部分。因此，理想的计划，其中所有潜在的波束可以同时使用，将与一个长的不切实际的交付时间。我们使用理想计划中的OAR剂量来找到具有最小数量射束的计划，该计划保证是ε最优的（即，保证与理想计划的预定最大偏差）。由于治疗计划优化本质上是一个多准则优化问题，计划者可以导航理想的剂量分布帕累托面，并选择一个计划的期望的目标覆盖率与OAR的节省，然后使用所提出的技术，以减少波束的数量，同时保证ε-最优。我们使用混合整数规划（MIP）进行优化。为了减少所得到的MIP的计算时间，我们使用两个启发式算法：一个波束消除方案和一个家庭的启发式切割，被称为“邻居切割”，基于“相邻波束”的概念。我们提出的解决方案的技术在两个临床病例，肝脏和肺部的情况下的有效性。基于我们的技术，我们提出了一个快速生成ε-最优计划的算法。
2013-04-17 physics.med-ph
Efficient Proton Transport Modelling for Proton Beam Therapy and Biological Quantification
本研究提出了专为质子束治疗（PBT）设计的质子输运基础数学模型，该模型计算高效且稳健，可用于探索PBT多方面应用，有望成为临床现有复杂模拟技术的补充工具。
2024-11-23 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
Mathematical optimization of treatment schedules
在过去的几十年中，数学优化已经进入放射治疗领域，并产生了深刻的影响。如今，几乎所有先进的治疗方法，如IMRT、VMAT、断层放射治疗、LDR/HDR近距离放射治疗、质子治疗，都是基于某种形式的优化方法，这些方法可以改变治疗变量（射束强度、多叶准直器形状、射束角度、停留时间和种子或源位置），直到找到治疗（计划）目标的最佳值。公平地说，真正最佳的放射治疗计划仍然难以捉摸。其原因包括难以用数学术语界定有意义的规划目标和限制、规划和交付过程中的各种不确定性以及优化算法无法找到真正的最佳值。因此，放射治疗优化仍然是一个活跃的研究领域。
2018-10-30 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
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
The First Nozzle-Mounted Compton Camera Prompt Gamma Imaging System for In Vivo Proton Therapy Dose Verification
University of Maryland School of Medicine（马里兰大学医学院）；University of Cape Town（开普敦大学）；University of Wisconsin School of Medicine and Public Health（威斯康星大学医学院与公共卫生学院）；University of Maryland, Baltimore County（马里兰大学巴尔的摩县分校）；H3D, Inc.（H3D公司）
本研究首次将喷嘴安装式康普顿相机瞬发伽马成像系统集成到临床质子治疗机头，通过实验验证了其在体内质子射程验证中的可行性，并展示了毫米级射程变化的检测能力。
2026-06-02 physics.med-ph
Recent Advancements of Artificial Intelligence in Particle Therapy
我们正处于人工智能（AI）进步的黄金时代。放射治疗由于其技术密集型的性质以及直接的人机交互，非常适合从人工智能中受益，以提高准确性和效率。在过去的几年里，绝大多数人工智能研究已经在光子治疗领域发表，而专门针对粒子治疗的人工智能应用仍然很少研究。光子治疗和粒子治疗之间有两个明显的区别：射束相互作用物理学（光子与带电粒子）和射束输送模式（例如IMRT/VMAT与笔形射束扫描）。因此，这两种放射治疗模式之间需要不同的AI部署策略。在这篇文章中，我们的目标是全面调查最近的文献，专门关注AI动力粒子治疗。包括治疗计划、剂量计算、范围和剂量验证、图像引导、质量保证和自适应重新计划六个主要方面。还讨论了一些观点以及潜在的挑战和常见的陷阱。
2022-11-18 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
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
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
Simultaneous Reduction of Number of Spots and Energy Layers in Intensity Modulated Proton Therapy for Rapid Spot Scanning Delivery
本文提出一种自适应更新权重的 reweighted $l1$ 正则化凸优化算法，在保证剂量学计划质量的前提下同时促进点和能量层稀疏，显著减少点数和能量层数，从而提高质子治疗的照射效率。
2024-04-24 math.OC 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
Unsupervised deep learning model for fast energy layer pre-selection of delivery-efficient proton arc therapy plan optimization of nasopharyngeal carcinoma
Research Center of GNSS, Wuhan University（武汉大学GNSS研究中心）；Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology（同济医学院，华中科技大学）；Wuhan University（武汉大学）；Anhui No. 2 Provincial People's Hospital（安徽省第二人民医院）
针对质子弧治疗能量层选择耗时问题，提出无监督深度学习模型SPArc_dl，通过斑点计数表示和三目标优化快速预选能量层，在35例鼻咽癌中提升计划质量并缩短37.2%切换时间。
2025-08-07 cs.AI physics.med-ph
Aspects of the physical principles of the proton therapy with inclusion of nuclear interactions
恶性肿瘤的放射治疗在过去的十年中取得了很大的进展。因此，调强放射治疗（IMRT）和VMAT（Rapidarc）现在属于临床实践中高能辐射肿瘤治疗的标准模式。最近，粒子治疗（质子和部分重碳离子）已经达到了这些模式的重要完成，对于一些合适的应用。尽管有这种浓缩，但在这一领域的基本特征需要进一步的研究活动和出版物：核反应和释放的中子的作用，在较低的射弹能量下（例如在布拉格峰的环境中和在粒子轨道的远端）带正电的核的电子捕获，通过考虑小束的横向散射的影响在扫描方法中的正确剂量递送。去卷积方法可以帮助克服这些问题，这些问题已经发生在非常小的光子束的放射治疗中[1 - 8]。
2016-11-12 physics.med-ph
Artificial Intelligence-Facilitated Online Adaptive Proton Therapy Using Pencil Beam Scanning Proton Therapy
提出集成 AI 自动勾画、vCT 再优化与 LET 评估的 oAPT 工作流程，并在 11 例前列腺 PBSPT 患者中验证其可快速生成高质量、剂量准确且鲁棒的再计划。
2023-11-01 physics.med-ph
Dose Delivery Concept and Instrumentation
放射治疗的目的是在尽可能保护周围组织的同时，向肿瘤提供规定量的剂量。在带电粒子治疗中，输送规定剂量相当于在照射场的每个位置输送规定数量的给定能量的离子。准确的输送是由剂量输送（DD）系统来实现的，该系统在患者进入之前对射束进行整形、引导和控制。大多数早期DD系统通过使用不同的器械（主要是患者特定器械）提供均匀的横向剂量分布，这些器械放置在射束线中以形成三维最终目标剂量。最近，开发了使用数千个窄射束以明确定义的能量提供高度适形剂量分布的系统，其具有先进的扫描磁体和实时射束监测器，而无需患者特定的硬件。本讲座将涵盖一般剂量输送概念以及主要取决于束流输送技术和粒子和加速器类型的不同DD仪器。本文将介绍世界上一些具有代表性的DD和束流监测系统。
2018-02-14 physics.acc-ph physics.med-ph
Volumetric modulated arc therapy or step-shoot IMRT? A 4D dosimetry study of motion effect in lung SBRT using a dynamic virtual patient model
本研究利用动态虚拟患者模型评估肺SBRT中运动相互作用对IMRT和VMAT计划的影响，发现VMAT比IMRT更不易受运动相互作用影响，且计划参数选择对剂量差异具有显著作用。
2025-01-30 physics.med-ph
Assessment of the proton boron fusion reaction for practical radiation therapy applications using MCNP6
用MCNP 6研究了质子硼聚变反应11B（p，3α），以评估其在放射治疗中的潜在应用。11 B（p，3α）在理论上是理想的，因为它可以将局部剂量递送质子表现出的（布拉格峰）与在肿瘤区域局部沉积能量的三个高LET α粒子的产生相结合。使用MCNP 6对入射到水模型和轴向区域也包含硼的水模型上的质子笔形束进行简单模拟，以确定硼对计算的能量沉积的影响程度。进行的MCNP模拟表明，在临床相关硼浓度下的质子硼聚变反应速率太小，无法对吸收剂量产生任何可测量的影响。已确定在MCNPX/6中使用的11 B（p，3α）反应没有得到良好的评价，应在截面评价中进行进一步的工作，以明确评价质子硼聚变反应用于放射治疗应用的可行性。
2022-09-29 physics.med-ph
Technologies for Delivery of Proton and Ion Beams for Radiotherapy
质子和离子束治疗的递送的最新发展已经是显著的，并且现在存在许多技术解决方案用于产生和利用这些粒子来治疗癌症。在本文中，我们回顾了粒子加速器用于外束放射治疗的历史发展，并讨论了更有能力和成本效益的粒子源的最新进展。
2013-10-01 physics.acc-ph physics.med-ph
Characterization of pixelated silicon detectors for daily quality assurance measurements in proton therapy
质子治疗中先进的成像和输送技术允许使用笔形射束扫描或射束成形孔径以高精度对靶体积进行适形高剂量照射。这些照射方法越来越多地包括具有大剂量梯度的小辐射场，这需要具有高空间分辨率的检测器系统以保证质量。此外，仅用一个质子场和一个简单的探测器系统测量用于日常质量保证的所有成功参数将在临床使用中节省大量时间。基于其良好的空间分辨率和高速率兼容性，像素化硅探测器可以满足新的要求。为了评估它们在质子治疗中的适用性，ATLAS像素化硅探测器用于测量具有高空间分辨率的横向束轮廓。此外，剂量相关的检测器校准，以允许所要求的输出恒定性的测量。正在研究在日常质量保证期间核实质子能量的战略。在位于德国埃森的西德质子治疗中心进行的原理验证测量已经获得了令人满意的结果。
2022-04-05 physics.med-ph
The Role of Artificial Intelligence in Enhancing Insulin Recommendations and Therapy Outcomes
ARTORG Center of Biomedical Engineering Research, University of Bern（伯尔尼大学ARTORG生物医学工程研究中心）；CARIM School for Cardiovascular Diseases, Maastricht University（马斯特里赫特大学CARIM心血管疾病学院）；Maastricht University Medical Centre+（马斯特里赫特大学医学中心+）；Radboud University Medical Centre（拉德堡德大学医学中心）
本文综述了AI（尤其是强化学习算法）在个性化胰岛素输注系统中的应用进展，分析了数据隐私等现存挑战，展望了AI驱动系统优化糖尿病管理的未来方向。
2025-03-24 cs.AI cs.LG physics.med-ph
Proton Pencil-Beam Scanning Stereotactic Body Radiation Therapy and Hypofractionated Radiation Therapy for Thoracic Malignancies: Patterns of Practice Survey and Recommendations for Future Development from NRG Oncology and PTCOG
本研究由NRG肿瘤学组与PTCOG胸部小组委员会开展，调查美国质子中心胸部PBSPT SBRT/大分割治疗的实践模式，提出技术发展建议，以应对高剂量分割下的不确定性挑战，提升胸部恶性肿瘤治疗效果。
2024-02-01 physics.med-ph
Investigations on physical and biological range uncertainties in Krakow proton beam therapy centre
物理和生物学范围的不确定性限制了质子束治疗（PBT）的临床潜力。在这篇论文中，我们报告了两个研究项目，我们正在平行进行，这两个项目都解决了范围不确定性的问题。一个旨在开发软件工具，另一个旨在开发探测器仪器。关于第一个，我们报告我们的开发和临床前应用的GPU加速蒙特卡罗（MC）模拟工具包弗雷德。关于这封信，我们报告了我们对基于塑料闪烁体的PET探测器用于粒子治疗输送监测的研究。我们研究的可行性Jagiellonian-PET探测器技术的质子束治疗范围监测的MC模拟的$β^+$活动在一个幻影中引起的质子束和PET图像重建的初步结果。使用GPU加速的蒙特卡罗模拟工具包Fred和基于塑料闪烁体的PET探测器，我们的目标是提高患者的质子治疗质量。
2019-10-25 physics.med-ph
Medipix3 for dosimetry and real-time beam monitoring: first tests at a 60 MeV proton therapy facility
带电粒子治疗（CPT）是一种先进的放射治疗方式，在技术和输送方法的最新发展的推动下，在全球范围内迅速发展。为了确保安全和高质量的治疗，各种仪器用于一系列不同的测量，例如质量保证，监测和剂量测定目的。随着新的和增强的交付技术的出现，需要具有改进能力的系统来超越传统工具的现有性能限制。Medipix 3是一种混合像素探测器，能够以毫秒级时间分辨率对单个质子进行计数，临床通量接近即时读数和计数率线性。该系统先前已被证明可用于医疗和其他应用，显示出广泛的通用性和粒子治疗的潜力。在这项工作中，我们提出了测量的Medipix 3探测器在60 MeV的眼质子治疗光束线在Clatterbridge癌症中心，英国。在治疗线的多个位置处评估射束电流和横向射束轮廓，并与EBT 3 Gafchromic胶片进行比较。使用Medipix 3在整个可用射束强度范围内（高达$3.12 \times 10^{10}$质子/s）测量记录的计数率线性和射束结构的时间分析。我们探讨Medipix 3提供非参考测量的能力及其作为CPT剂量测定和射束监测工具的适用性。这是首次在临床高质子通量环境中测试Medipix 3探测器技术的性能。
2021-09-16 physics.ins-det physics.med-ph
On the tradeoff between treatment time and plan quality in rotational arc radiation delivery
对于配备有多叶准直器（MLC）的直线加速器的癌症中心-即可以进行调强放射治疗（IMRT）的中心-的一种新的输送选择是旋转输送。在旋转输送中，当机架旋转且MLC叶片移动时，射束开启，因此比IMRT更有效地治疗患者（就时间而言）。在评估这种新型输送方法时，应考虑的一个因素是治疗计划质量和输送时间之间的权衡：例如，通过保证2分钟的输送，我们在计划质量方面牺牲了什么？在本文中，我们研究这个问题，通过研究一个简化的2D幻影叶和机架运动直接包括在优化模型。我们制定的模型作为一个线性混合整数规划。由于解决最优性的困难，我们采用了额外的模型，使我们能够在上限和下限之间捕获真正的最优解。下限解揭示了哪些射束方向对治疗最有用（即，机架应该减速），并且该信息用于产生接近下限解的可递送解。对于幻影的情况下，我们研究表明，当时间不是一个问题，调强放射治疗的解决方案是最佳的，但当允许的治疗时间受到足够的限制，旋转交付是首选。
2009-10-26 physics.med-ph
Modeling the Biophysical Effects in a Carbon Beam Delivery Line using Monte Carlo Simulation
相对生物学效应（RBE）在设计离子束治疗的均匀剂量响应中起着重要作用。本研究利用蒙特卡罗模拟研究了碳离子束传输系统的生物学效应。为韩国重离子医用加速器（KHIMA）项目设计了一条碳离子束输送线。利用GEANT 4模拟工具包对碳束在介质中的传输过程进行了模拟。选择在220 MeV/u和290 MeV/u之间的范围内的入射能量碳离子束来产生次级粒子。微剂量动力学（MK）模型被用来描述10%的人唾液腺（HSG）细胞的存活率的RBE。RBE加权剂量被估计为水模沿入射射束方向的穿透深度的函数。利用RBE加权吸收剂量设计了生物光子等效的展宽布拉格峰（SOBP）。最后，混合光束的RBE预测作为水模深度的函数。
2016-07-21 physics.med-ph
Optimization of Radiation Therapy Fractionation Schedules in the Presence of Tumor Repopulation
我们分析了肿瘤再增殖对放射治疗中最佳剂量递送的影响。我们的主要动机是在放射治疗结束时加速肿瘤再增殖，这被认为是某些肿瘤部位治疗失败的原因。开发了动态规划框架，以基于治疗日之间由于辐射和肿瘤生长导致的细胞杀伤模型来确定最佳分级方案。我们发现，肿瘤生长速度越快，表明总体治疗时间越短。此外，加速再增殖的存在表明治疗后期的较大剂量分数，以补偿增加的肿瘤增殖。我们证明，最佳剂量分数随时间增加。数值模拟表明治疗效果的改善潜力。
2015-04-24 math.OC physics.med-ph
Simultaneous Motion Monitoring and Truth-In-Delivery Analysis Imaging Framework for MR-guided Radiotherapy
分割内运动在腹部和胸部放射治疗的成功中起着关键作用。混合磁共振引导放射治疗系统具有控制分次内运动的潜力。最近，我们介绍了一种能够在两个正交平面（SOPI）中采集实时电影成像的MRI序列。我们在这里扩展SOPI允许在一个平面中的切片位置的动态更新，同时保持其他平面位置固定。在该实施方式中，来自静态平面的电影图像用于运动监测，并且用作图像导航器以在另一平面中对步进图像进行分类，从而产生用于剂量重建的动态4D图像体积。填充有辐射变色FXG凝胶的定制3D打印目标与动态运动体模连接。在由显示振幅/频率变化和漂移的实际患者呼吸波形驱动的动态运动体模中以及在健康志愿者中采集4D-SOPI。从体模运动的时间序列重建独特的4D-MRI时期。在每个4D呼吸相位箱和历元图像上计算来自静态4cmx 15 cm射野的剂量，按每个箱中花费的时间缩放，然后严格累积。然后将体模定位在Elekta MR直线加速器上，并在移动时进行辐照。辐照后，通过将R1与剂量校准曲线应用于体模的R1图，确定沉积到FXG凝胶上的实际剂量。4D-SOPI电影图像产生的呼吸运动导航器与实际体模运动高度相关（CC=0.9981）。目标内累积剂量和测量剂量之间的平均差异为最大处方剂量的4.4%。这些结果提供了早期验证，即4D-SOPI同时实现了集成MR引导放射治疗（MR-gRT）系统的实时运动监测和输送中的真实分析。
2018-06-20 physics.med-ph
An anthropomorphic multimodality (CT/MRI) phantom prototype for end-to-end tests in radiation therapy
随着体外射束治疗的复杂性日益增加，所谓的“端到端”测试旨在涵盖从治疗计划到随访的所有步骤，以满足对质量保证的高要求。由于磁共振成像（MRI）在治疗过程中的重要性日益增加，并且已建立的体模（如Alderson头）不能用于这些测试，因此必须开发新的多模态体模。在这里，我们提出了这样一个可定制的多模态头部模型的可行性研究。我们使用一组患者CT图像作为拟人头部形状的基础。容器-由环氧树脂组成-使用快速原型（3D打印）生产。体模受体包括鼻腔、两个软组织体积和颅骨。此外，将球形肿瘤体积定位在中心。用磷酸二钾基颅骨替代物、琼脂糖凝胶和蒸馏水填充体积。肿瘤体积填充有含氧量正常的剂量测定凝胶。放射治疗的整个工作流程（包括临床质子照射）可成功应用于体模。CT测量显示Hounsfield单位与所有替代品的参考值一致。MRI对比度与体模材料的预期一致，但骨替代物提供了不期望的高信号强度。通过聚合凝胶剂量计的T2加权读数进行的剂量验证可以成功显示颗粒范围方面的正确计划交付。
2015-07-08 physics.med-ph
OpenTPS -- Open-source treatment planning system for research in proton therapy
导论.治疗计划系统（TPS）是在将放射治疗施用于患者之前模拟和优化放射治疗的重要组成部分。它确保肿瘤被很好地覆盖，并将健康组织的剂量降至最低。然而，商业公司提供的TPS通常带有大量工具，每个工具都以黑盒的形式实现，这使得研究人员很难使用它们来实现和测试新的想法。为了解决这个问题，我们开发了一个开源的TPS。Approach.我们开发了一个开源软件平台OpenTPS（opentps.org），用于生成外部射束放射治疗的治疗计划，特别是质子治疗。它被设计成一个灵活且用户友好的平台（使用免费使用的Python语言编码），可供医学物理学家，放射肿瘤学家和放射治疗社区的其他成员用于创建用于教育和研究目的的定制治疗计划。结果. OpenTPS包括一系列工具和功能，可用于分析患者解剖结构，模拟放射束的输送，并优化治疗计划以实现所需的剂量分布。它可用于创建各种癌症类型的治疗计划，并被设计为扩展到其他治疗方式。意义一个新的开源治疗计划系统已经建立了质子治疗的研究。其灵活性允许轻松集成新技术和定制治疗计划。它免费提供使用，并定期更新，并得到用户和开发人员社区的支持，他们为软件的持续开发和改进做出了贡献。
2023-03-01 physics.med-ph
Bridging cone-beam CT and MRI to stopping power ratio maps: a modality-agnostic Brownian bridge approach to support robust adaptive proton therapy
University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；Henry Ford Health（亨利福特健康系统）；Wayne State University（韦恩州立大学）
本研究提出模态无关的正则化布朗桥（rBBrg）框架，从CBCT或MRI确定性预测阻止本领比（SPR）图，在骨MAE上优于ResNet，伽马通过率更高，支持高效灵活的自适应质子治疗。
2026-09-30 physics.med-ph
