用于浅层肿瘤重离子治疗的终端束流诊断控制系统

　　重离子在物质中的能量损失主要集中于射程末端,形成高剂量的Bragg峰,且在峰区具有高的相对生物学效应。准确控制重离子束的方向和能量就能 准确控制Bragg峰在物质中的位置,而准确控制重离子束的强度就能准确控制在Bragg峰处的剂量。重离子治癌即是使Bragg峰准确落在肿瘤靶区之 内,从而在有效杀死肿瘤细胞的同时对周围正常组织的损伤尽可能最小。因而,相对于X射线、γ射线以及电子束等常规射线而言,将重离子束应用于放射治疗在物 理学和生物学特性上均有明显的优越性。自1975年美国劳伦斯伯克利国家实验室首次利用重离子进行治癌临床实验研究之后,国际上一些重离子实验室相继展开 了重离子治癌研究[1],中国科学院近代物理研究所也作了大量的基础研究并在2006年11月进行了首次临床治疗试验[2-4],使我国成为国际上第4个 进行重离子临床治疗试验研究的国家[2-3]。在重离子治癌过程中对束流状态的实时监测及控制于提高治疗的准确性及安全性尤为重要,本文将介绍兰州重离子 研究装置(HIRFL)浅层肿瘤临床治疗试验阶段所使用的束控系统。

      1　HIRFL浅层肿瘤重离子治疗终端

　　HIRFL重离子浅层治癌终端示意图如图1所示。HIRFL是一个两台加速器组合的重离子加速系统,主要由离子源、注入器、主加速器、实验终端 及其束流运输线等部分组成,能够提供的碳离子能量可达100MeV/u,相应在水中的射程约25 mm,能够满足浅层肿瘤的辐照试验。HIRFL浅层肿瘤重离子治疗终端[5]于2005年自主设计建成。此后相关各个系统包括被动式束流配送系统[6]、 束流状态监测系统、治疗计划软件系统[7]、束流诊断控制系统以及治疗床等陆续投入使用。被动式束流配送系统任务是将束流构形,进而形成需要的照射野,使 患者靶区肿瘤受到均匀且足够的剂量照射,同时尽可能减小正常组织的辐照损伤;主要包括束流扫描系统、能量调节与调制以及适形照射技术。束流状态监测系统的 作用是测量束流的各种物理参数,包括束流强度、剖面分布均匀性以及束流深度分布,以对束流配送系统的工作状态加以评估。治疗计划软件系统利用肿瘤CT和 MR诊断图像数据、束流相关物理学参数以及生物学效应相关参数等并经模拟计算优化等过程从而能够预先给出较优治疗方案,由此指导束流配送系统预置工作状 态,决定了最终所能达到的治疗效果。束流诊断控制系统主要作用是控制辐照剂量以及在束流的物理状态及配送系统出现非正常状态时保证患者的安全。

     2　束流诊断控制系统

　　在治疗过程中,除了要保证照射剂量的准确性,需要尽可能监测系统的各个状态,以便在发生任何可能的状况时保护患者的安全。图2给出HIRFL浅 层肿瘤重离子治疗终端束流诊断控制系统的结构图。获取系统采用PXI系统,软件采用NI推出的虚拟仪器开发平台软件LabVIEW。整个控制可以通过控制 网用IE远程控制或监测。束流诊断控制系统具体功能是即时监测束流强度,并能在流强超出设定值时切断束流;监测扫描磁铁波形状态,并能在状态超出设定范围 时切断束流;设定照射所需剂量,并在达到剂量时切断束流;环境剂量超出设定范围时切断束流;在自动控制出现非正常状态时手动切断束流。