与光子相比,重离子束(如,碳离子束)运用于肿瘤放射治疗,主要具有物理学和生物学两方面的优势:一是重离子束具有独特的倒转深度剂量分布,即Bragg曲线。通过对离子束能量的调节能精确地将高剂量区(即,Bragg峰)落在肿瘤靶区内,使肿瘤区域获得足够的致死剂量,而正常组织区域获得较小的剂量；二是在Bragg峰区,因高传能线密度(linear energy transfer,LET)而具有的高相对生物学效应(relative biologicaleffectiveness,RBE),在坪区LET较小,因而具有与X射线或γ射线相似的生物学效应,这使得重离子束在杀死肿瘤细胞的同时进一步保护了正常组织细胞。基于上述两方面优势,碳离子束被认为是目前最佳放疗用射线。　　 重离子治疗计划系统是重离子束临床放射治疗实践的软件支持,它是包括放射物理学、放射生物学、计算机图形学、医学图像处理、软件工程及数学等多学科融合的产物,是辅助放射治疗医师完成治疗方案制定以及实施治疗的计算机软件系统。重离子治疗计划软件系统主要由图象处理、重离子剂量计算和治疗计划评估三大部分组成。图像处理部分和治疗计划评估部分与传统光子线治疗计划系统类似；重离子剂量计算部分的实现方式与束流配送系统相关。　　 中国科学院近代物理研究所(IMP-CAS)基于兰州重离子研究装置(HIRFL)及冷却储存环(CSR),利用被动式束流配送系统下的分层适形照射方式进行碳离子束临床放射治疗试验研究。通过本文的工作,与之相配套的重离子治疗计划系统初级版的研发已基本完成。在该重离子治疗计划系统中,剂量计算功能的实现主要涉及剂量优化计算及剂量分布计算两个部分。在此系统中利用细胞存活实验数据及线性平方(linear-quadratic,LQ)模型将RBE因素纳入到优化计算过程中。该系统采用迭代法或遗传算法获得分层适形照射方式中各Bragg峰的照射剂量权重,即物理吸收剂量。由于重离子的侧向散射效应小等因素,基于光线跟踪(ray-tracing)技术的宽束剂量分布算法仍被使用在该治疗计划系统中。　　 由于分层适形照射的优势,在该计划系统中采用了与日本国立放射科学研究所(NIRS)的重离子束二维适形照射方式不同的剂量处方策略,以达到在生物学意义上更加适形的目的。在分层适形照射方式中存在着为减少分层数而使用较大迷你型脊形过滤器(mini ridge filter)导致的Bragg展宽峰(spread-out Bragg peak,SOBP)后沿增大剂量半影的问题。为解决这一矛盾,本文提出采用双迷你型脊形过滤器组合照射的方式解决这一问题。　　 在IMP-CAS浅层肿瘤和深层肿瘤重离子治疗终端的深度剂量分布验证实验以及人体仿真体模剂量验证实验的结果表明,以IMP-CAS现有的技术水平在分层适形照射方式中剂量精度可以控制在5％以内。本文最后讨论了该治疗计划系统尚存在和待解决的一些问题,以及发展更为完善和成熟的重离子治疗计划系统的设想和所需的研究工作。