ELIDOSE项目:激光加速带电粒子束剂量学

高能质子束有潜力极大地改善辐射剂量传递到人体的方式。为了进一步发展这项技术，需要对这些光束的相对生物有效性有更多的了解。位于布加勒斯特的堪培拉帕卡德有限公司的Radu Vasilache博士是ELIDOSE项目的首席研究员，该项目是罗马尼亚研究人员的合作项目，旨在解决激光加速光束剂量学所带来的问题。他们的项目收集到的见解有望改变放射疗法，有可能为癌症的诊断和治疗提供重大改进。

明亮的激光脉冲现在被用于各种各样的科学实验。通过将大量光子集中在小区域，脉冲可以使小样本获得巨大的能量，使它们适合于从分析基本粒子的性质到探测生物组织的反应等任务。极轻基础设施(ELI)项目是一个泛欧洲合作项目，它使用高强度激光束作为广泛实验的基础。

对于利用激光加速质子梁的放射生物学实验，剂量测量值极为重要。

在罗马尼亚，若干机构和公司目前正在研究ELI项目的一个具体分支，该分支涉及高功率激光在核物理中的应用。Vasilache博士说:“ELI是一个非常重要的欧洲研究项目，罗马尼亚处于前沿。”“该项目的罗马尼亚支柱，ELI-核物理(ELI- np)，涉及高功率激光在基础和应用核物理领域的各种应用。”

用质子束的短脉冲测量剂量
ELI-NP的研究内容之一是产生高能质子束，这种高能质子束是通过强激光脉冲与不同目标的相互作用产生的。测量剂量(即质子在其相互作用的物质中沉积的能量)可以通过各种方法来完成，但离子室方法被认为是金标准。所述离子室为充气腔;当电离辐射(在这种情况下是质子束)与室内的气体相互作用时，它电离了气体，也就是说，它产生了带负电荷和正离子的电子对。这些电流被收集在离子室的电极上，并产生一种可以测量的电流，这种电流与质子束在材料中沉积的能量直接相关。

这种测量技术是放射医学的标准，因为它是最精确的。质子束与物质相互作用的一个最有用的特征是能量以一种非常局域化的方式沉积，产生所谓的布拉格峰。这一特性意味着我们可以用质子束以非常精确的方式照射肿瘤，而不伤害健康的组织。为了更好地计划质子治疗，我们需要更好地了解身体组织对质子辐照的反应方式，为了做到这一点，我们还需要使用离子室来测量质子剂量，以检测与细胞相互作用的质子束。

Vasilache博士说:“医学应用是这个项目的重要目标之一。”ELI-NP的研究方向之一是利用激光加速质子束进行放射生物学实验。”为了进行这些实验，首先必须建立一个适当的剂量测量方法，以有一个清晰的图像的辐射剂量传递到细胞。Vasilache博士解释说:“这将帮助我们更好地了解这些光束对活细胞的影响，从而最终优化我们治疗癌症的方法。”

重组的问题
在移动到放射生物学实验之前，必须克服与高能量质子束中的离子室的剂量测量有关的几个屏障。One major issue is the fact that at ELI-NP high intensity laser pulses are extremely short (a few femtoseconds, i.e. a million billionth of a second) and thus, the proton beams produced by these lasers are expected to have a duration of only a few nanoseconds (i.e. a billionth of a second), making it difficult to measure the dose using ion chambers. “For these experiments, dosimetry measurements are of extreme importance,” Dr Vasilache continues. “However, due to the particularities of the beams (very intense, yet very short pulses), the doses (the energy deposited by the radiation in the target) are very difficult to measure.”

问题的产生是由于离子室内部的“复合”——在这个过程中，离子室中由入射质子束产生的带电载流子(电子和离子)在被离子室的电极收集之前相互重新结合。

我们在ELIDOSE项目中提出的方法是使用复合探测器进行精确剂量测量。

“因为脉冲如此短，所以很多对都会重新组合，然后在我们获得所有收集所有这些之前重新组合，导致信号丢失，”vasilach博士解释道。“如果我们不考虑这一重组，这意味着我们最终会得到一个不准确的结果。”因此，研究人员的最终挑战将是找到实时计算重组因素的方法。他们的任务可能很困难，但在他们的研究中，Eli-NP团队已经设计了一种先进的新技术，以克服与重组相关的问题。

介绍：Elidose项目
2018年，Vasilache博士及其同事宣布了Elidose项目 - 一种协作努力，以实现与短脉冲质子梁的剂量法相关的问题的最先进的解决方案。“我们的团队带来了一种创新的解决方案，它利用了已经知道的方法，而是以不同的方式应用，例如克服困难并在一次射击中正确地测量剂量，”解释说明。Elidose项目的中心目标是创建一种可以测量辐射剂量的检测器，同时同时计算重组校正。

为了做到这一点，研究小组首先用四个相同的离子室建造了一个探测器，安装在一个框架上。然后，研究人员分析了他们的探测器对各种带电粒子束的响应，以及腔室通过电荷相互作用对彼此的影响。Vasilache博士总结道:“我们在ELIDOSE项目中提出的方法是，用四个独立的探测器构建一个复合探测器;因此，获得了用于复合因子测量的四元阵列探测器阵列(QUADRO-fm)。”

创新的Quadro-FM方法
在团队的设置中，QUADRO-fm的所有四个离子室都有不同的作用;每一个都专注于自己的测量。“在这个阵列中，一个组件测量剂量，而其他三个组件将同时测量不同的校正因子;总的来说，获得正确的剂量值，”Vasilache博士解释道。“这是一种创新的解决方案——同时使用多个探测器，而不是顺序使用一个。”

然后将由每个离子室收集的值输入到相对简单的方程中;产生称为“重组因子”的校正值。该号码讲述了研究人员其测量的质子剂量与实际值的不同，允许它们调节其测量以准确反映现实。“重点是测量重组因子;为了正确测量剂量，必须通过辐射脉冲收集在离子室中产生的所有电子和正离子，“Vasilache博士说。

为了验证他们的重组因子计算的准确性，ELI-NP团队使用计算机模拟研究了四个腔内离子的行为。这些模型对于预测四个离子室相互之间的影响尤为重要;这个因素如果不加以解决，将使质子束测量变得更加困难。由于离子室之间的相互作用依赖于大量的因素，这可能是相当复杂的，但该团队的建模技术，结合他们的重组因素测量，将可能确保eliose项目探测器的成功。

这是一个很有前途的剂量学
在实现了这些技术之后，研究人员现在打算利用这些模拟来进一步提高探测器的准确性。通过对QUADRO-fm功能的初步演示，ELI-NP小组已经表明，该探测器可以成为测量脉冲质子束剂量的可靠工具。ELIDOSE项目中提出的新探测器对医院中医学物理学家使用的剂量测量工具进行了重要改进。通过进一步的研究，Vasilache博士的团队现在希望进一步提高探测器的准确性，并增加新的功能。