MedAustron碳离子笔形束微剂量学研究：284.7 MeV/u束流横向辐射质量分布特征

本研究采用微型固态硅微剂量仪，首次对MedAustron中心284.7 MeV/u碳离子笔形束进行毫米级分辨率横向微剂量谱分析，揭示距束轴4 mm外次级碎片剂量贡献增加导致谱线变化的规律，发现硼离子边缘特征，为治疗计划系统(TPS)中辐射质量参数建模提供关键实验依据。

　　

碳离子治疗因其独特的布拉格峰(Bragg peak)和更高的相对生物有效性(RBE)，已成为肿瘤放射治疗的重要选择。然而，碳离子在穿透组织时会发生核碎裂反应，产生氢、氦、锂、铍、硼等次级碎片，这些碎片会改变辐射场的质量分布，进而影响治疗效果和正常组织损伤风险评估。目前，临床治疗计划系统(TPS)对碳离子束横向辐射质量变化的建模仍不完善，亟需高空间分辨率的实验数据支持。

针对这一挑战，来自奥地利MedAustron离子治疗中心、澳大利亚伍伦贡大学医学辐射物理中心(CMRP)等机构的研究团队，在《Zeitschrift für Medizinische Physik》发表了创新性研究成果。研究采用直径18 μm、厚度10 μm的SOI(绝缘体上硅)三维蘑菇状硅微剂量仪阵列，在284.7 MeV/u碳离子笔形束中，以2 mm步长测量水模体四个深度位置（包括布拉格峰和远端剂量跌落区R₅₅、R₀₈）的横向微剂量谱，通过双线性化校正和边缘校准技术将脉冲高度谱转换为线性能量(y)谱，并计算频率平均线性能量(y_F)和剂量平均线性能量(y_D)。

【材料与方法】
研究在MedAustron研究辐照室进行，通过移动束流（非探测器）实现横向扫描。采用400个圆柱形灵敏体积(SV)的硅微剂量仪阵列，利用ICRU阻止本领数据校准线性能量值。数据分析聚焦三个区间：全谱（y>8 keV/μm）、初级粒子主导区（y>30 keV/μm）和次级碎片主导区（8-30 keV/μm）。

【结果与讨论】

1. 横向分布特征：距束轴4 mm内谱线无显著变化；超过4 mm时，10-30 keV/μm区间的次级碎片峰强度随距离增加30%。在R₀₈深度首次观测到405.3 keV/μm的硼离子边缘特征，与蒙特卡洛模拟结果一致。

2. 辐射质量参数：y_F对横向距离更敏感，最大变化达30%（15.8→10.5 keV/μm），而y_D仅变化10%（8.1→7.3 keV/μm）。初级粒子区间的y_F和y_D标准差分别为2.9和2.4 keV/μm，显示良好稳定性。

3. 深度依赖性：在布拉格峰后区（深度C），117 keV/μm处出现氦离子特征峰；垂直方向-11.2 mm位置，次级碎片剂量占比达55%，显著高于中心轴位置。

【结论与意义】
该研究首次实现碳离子束毫米级分辨率微剂量谱测绘，揭示横向辐射质量梯度变化规律：
1）建立4 mm"核心区"概念，该区域内辐射质量均匀，超出后次级碎片贡献显著增加；
2）发现硼/氦离子的特征性能量边缘，为碎片鉴别提供新方法；
3）提出将30 keV/μm作为谱线分割阈值，与RBE变化阈值吻合，可直接应用于TPS优化。

这项工作的临床价值在于：为动态束流扫描治疗中的生物效应计算提供实测数据支撑；提出的y_F/y_D参数化模型可提升现有铅笔束算法精度；微型硅探测器方案为临床束流质控提供可行方案。未来研究可扩展至不同能量束流和多场照射条件，进一步完善碳离子治疗的微剂量学数据库。