CN102458576A - 确定粒子束在材料中的作用的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定粒子束(34a)在至少部分受辐射的材料或待辐射的材料中的作用的方法，其中，根据至少一个表征了粒子束(34a)的参数和根据材料的至少一个性质，至少部分地基于显微破坏相关性，确定所述材料中的粒子束的作用。本发明还涉及一种用于辐射目标体积(44)的相应规划方法以及通过粒子束(34a)辐射目标体积(44)的方法。此外，本发明还涉及具有至少一个射线调节装置(32，70)的辐射装置(30，66)，其具有安装用来实施根据本发明的方法(200)的单元，特别是主动型射线调节装置(32)和/或被动型射线调节装置(70)。

Description

确定粒子束在材料中的作用的方法

技术领域

本发明涉及确定粒子束在至少部分受辐射的材料或待辐射的材料中的作用的方法、用于辐射目标体积的辐射规划方法和使用粒子束来辐射目标体积的方法、辐射规划、射线调节装置和辐射设备。

背景技术

使用离子束或粒子束对辐射体积中的目标体积进行辐射涉及对物质、特别是无机材料、有机材料和生物材料进行辐射，并且用于研究、工业和医学工程学等各个领域。目标体积特别包括将要沉积预定剂量从而使受辐射材料改性的区域；辐射体积特别还包括材料中被射线穿透从而在目标体积中实现所需剂量的那些区域。“粒子束”或“离子束”特别理解为由带电粒子如质子、碳离子或其他元素的离子、π介子或中性粒子(如氖)构成的高能束。在以下说明中，术语“离子束”和“粒子束”可以互换使用。“高能”特别理解为在数个MeV/amu至数个GeV/amu(amu：原子质量单位)范围内的粒子能量。

适于实施辐射的辐射设备一般具有产生并形成离子束的加速装置，为了辐射，将该离子束经由射线传输***引导到设置有辐射体积的区域中。辐射设备还包括射线调节装置，其可以调节离子束的参数使之适应目标体积的位置和大小。

辐射体积例如可以是用来验证辐射区域的检测器***。一般而言，辐射体积包括辐射区域，该辐射区域是在侧边方向上、一般为x和y方向最大伸展的区域，并垂直于离子束的方向。检测器***可以包括检测器区域或所谓的“堆(Stack)”，其具有多层彼此先后设置的侧边伸展的检测器区域。在放射剂量确定领域中，为此目的，例如使用具有照相乳剂的胶片。也可使用核示踪检测物测量辐射区域的能流分布。在医学应用中，对生物组织进行辐射用于研究粒子辐射的作用，从而能够估计暴露于空间宇宙辐射的作用。最后，辐射体积也可以是患者中的肿瘤体积。在这种情况中，离子束用来破坏目标体积中的肿瘤体积。

在肿瘤治疗中，离子束的特别性质使其能够破坏肿瘤组织并且对周围健康组织的破坏最小。这与离子束的有利的深度剂量分布有关。当高能离子束穿透至材料中时，它们首先沉积很少的能量。随着深度增加，能量沉积增加，在称为布拉格峰的分布曲线区域中达到其最大值，然后迅速降低。以这种方式，甚至在更深的肿瘤的情况中，在肿瘤组织中可以沉积比周围健康组织中更多的能量。

离子束在辐射体积显示一种作用，该作用取决于待辐射材料的类型并取决于离子束的参数。一般而言，离子束具有不同于光子辐射的作用。这表示，使用离子束时，必须沉积与使用光子束时不同的剂量，从而实现预定的作用或预定的辐射效应。引起与离子剂量D_I相同辐射效应的光子剂量D_γ称为“有效剂量”。对于无机材料、有机材料和生物材料都观察到了离子束的改变作用。在无机材料中，与光子束相比，倾向于观察到更小的离子束的作用。相反，当用离子辐照生物材料时，通常观察到比利用光子束更高的作用以及更大的效应。

在实际辐射前，一般而言，生成了对目标体积(如模体(phantom)中的亚区域或肿瘤)进行辐射的辐射规划。在用离子束进行辐射的情况下，该辐射规划应当尽可能考虑离子束的作用。

多种生成辐射规划的方法是已知的。例如，在文献

和Scholz，2000，Physics in Medicine and Biology，Vol.45，pp.3319-3330中记载了一种生成辐射规划的方法。

离子束在材料中的作用以复杂的方式依赖于离子类型、离子能量、辐射剂量、受辐射的材料和各个所观察到的效应。以对于辐射规划的必要的精确性来实验地确定多重依赖性，实际上是不可实现的。因此，可以预测变化的作用的模型是实施辐射规划的重要工具。这些模型通常基于简化处理和近似处理，这是因为它们所基于的破坏无机材料、有机材料和生物材料的机制还没有足够精确地被定量确定。相应地，这些模型的应用领域一般也受到限制。

在文献Scholz et al，Radiation Environmental Biophysics，Vol.36，pp.59-66(1997)中记载了这种模型的一个实例。该模型称为LEM，其为“局部效应模型”的缩写。

到目前为止，已知的模型不能在轻离子到重离子的整个范围上提供辐射规划的足够精确的信息。

因此，有必要使用在宽的质量范围上、特别是从质子到氖离子的模型，以所需的精确度可靠地描述并预测粒子束、特别是离子束的作用。

发明内容

本发明的要解决的技术问题为提供一种相比于现有技术得到改善的方法，用于确定粒子束在至少部分受辐射的材料或待辐射的材料中的作用。本发明的目的还在于提供一种用于目标体积的辐射规划和用于辐射目标体积的方法，以及提供一种改善的辐射设备。

本发明要解决的技术问题通过独立权利要求的特征得以实现。所建议的方法和所建议的装置的扩展在从属权利要求中给出。

在建议的方法中，确定粒子束在至少部分受辐射的材料或待辐射的材料中的作用，其中，根据至少一个表征粒子束的参数和根据至少一个表征材料性质的参数，至少部分地基于显微破坏相关性，确定所述材料中的粒子束的作用。

所述“显微破坏相关性”具体是指，在材料中、优选在长度尺度上发生的破坏或破坏事件的空间相互作用。所使用的长度尺度的大小优选按照对材料、已经发生的破坏和它们的空间相互作用有意义的数量级。根据待辐射的或受辐射的材料的不同，该长度尺度可以不同，特别是其尺寸不同。因此，无机材料的破坏的破坏相关性可以不同于在生物材料中的破坏。

粒子束在材料中的作用通常受到离子束的特征的影响，所述特征例如能量、离子类型和/或离子束在材料中的线性能量转移(linear energy transfer：LET)。换言之，粒子束的作用取决于粒子束的能量、离子束中单个颗粒的质量和电荷状态和转移至材料的粒子束能量，等等。粒子束的典型能量在数百keV GeV/amu至数十GeV/amu的范围，其中“amu”表示“原子质量单位”。

一般而言，材料性质描述了材料的性质，并且涉及材料对涉及能量沉积并因此涉及沉积在材料中的剂量的能量输入的敏感性。破坏事件可以通过能量输入而诱导，由此敏感性描述了对于诱导破坏事件所必需的能量沉积。这可以是聚合物材料的敏感性、X射线胶片的敏感性或生物组织的敏感性。材料的该敏感性一般针对用光子射线辐射材料来进行确定和测量，并由此是一种材料性质。

在本发明的一个实施方案中，显微破坏相关性可以发生在亚微米范围。具体地，在所述材料为生物材料的情况下，长度尺度在亚微米范围。亚微米范围包括数百纳米的长度范围，特别地大于约100nm。优选地，长度尺度包括约400至500nm之间的范围，特别优选440nm。原则上，破坏或破坏事件可以是由材料中的能量损失所引起的材料或材料组分的变化。这种变化可以为化合物的化学变化，例如无机分子或有机分子的分解、聚合物链的断裂、聚合物材料中的侧链或侧基团(Seitengruppen)的消除和/或生物材料中的DNA的一个或多个链断裂或双链断裂。换言之，粒子束诱导的破坏或破坏事件可以按照空间上的关系彼此设置，优选地，所有发生的或预计的破坏或破坏事件都在约100nm或更大但是小于约1000nm的长度尺度上观察到。特别地，在生物材料中，例如，在细胞或细胞构成的组织中，发生的或预计的DNA双链断裂可以在约440nm的距离上被观察到，并且用作材料中粒子束的作用的特征性度量。在该情况中，长度尺度的分辨率可以优选小于长度尺度，特别在约10nm的范围。

显微破坏相关性可以使用空间显微破坏分布进行测定。此外，空间显微破坏分布可以至少部分地由显微剂量分布来测定。由此可以测定粒子束产生的显微破坏分布，其中局部破坏诱导的可能性至少部分地由描述每剂量单位的破坏事件数量的第一光子剂量效应曲线所推导。此外，根据本发明的一个实施方案，在确定显微破坏相关性时，在对敏感体积适当选择的部分体积中的相关破坏数量期望值可以至少部分地由空间显微破坏分布确定，特别是由相关破坏的数量与通过粒子束沉积的剂量的以及由此总共诱导的、隔离的和相关的破坏的的比例所确定。此外，可以确定光子剂量，所述光子剂量为了实现与相应于粒子束的相关破坏数量期望值相同的相关破坏产量已经是必要的。在该情况下，相关破坏产率可以描述相关破坏数量和通过辐射所沉积的剂量的比例。或者，相关破坏产率也可以描述相关破坏数量和隔离的破坏数量的比例。根据本发明的一个实施方案，与该光子剂量对应的效应可以至少部分地由第二光子剂量效应曲线所确定。粒子束的作用可以至少部分地通过相应于所述光子剂量与通过粒子束在敏感体积中沉积的剂量的比例、标定与光子剂量对应的作用来确定。优选地，粒子束的作用可以至少部分地通过相应于所述相关破坏数量和通过离子辐射所诱导的相关破坏数量的比例、标定与光子剂量对应的效应来确定。

在该方法步骤中为了确定粒子束对材料的作用而使用的术语将在下文中更详细地进行解释。

空间显微破坏分布(rSv)一般可以通过破坏或破坏事件的空间分布来确定。空间显微破坏分布可以至少部分地由显微剂量分布(mDv)确定。

显微剂量分布，特别是局部剂量分布，可以至少部分使用围绕单离子踪迹的径向剂量分布来确定。径向剂量分布描述了局部能量沉积作为离子踪迹轨道的距离的函数的期望值。使用该径向剂量分布的优势在于，由此可以直接参考光子辐射后的效应。径向剂量分布例如可以通过蒙特卡罗模拟法计算。另一可能性可以通过在无定形通道结构意义上的分析的剂量描述给出。

光子剂量效应曲线本身是已知的，并且通常以实验方法确定。例如，破坏的平均数量常常可以通过线性-二次关系进行描述：

N_破坏＝γD_x+δD_x    (1)

其中D_x为X射线或光子剂量，并且γ和δ为特定于材料的常数，如描述GafChromic胶片单体晶体中每剂量单位的聚合事件数的参数，或表示每剂量单位的双链断裂数的参数。

光子束的作用的特征在于，所发生的破坏的空间分布通常基于光子能量沉积的物理性质而随机均匀分布。如果将敏感体积分成部分空间，也称为分部(Parzell)，可以假设各分部具有相同的破坏密度分布。这表示在各个分部中存在均匀破坏分布。

相反，对于分成各个分部并用离子进行辐射的敏感体积，由于离子束的极端局域化的能量沉积，存在不均匀的破坏分布。如果将敏感体积分成尺寸小于或者小于等于1x1x1nm³(≤1x1x1nm³)的分部，并且在各个分部中确定显微剂量、特别是局部显微剂量分布，那么由此可以确定显微的空间破坏分布rSv。

在对敏感体积适当选择的部分体积中相关破坏数量(AkS)的期望值可以至少部分地根据空间显微破坏分布更加精确地得以确定。在这种情况中，术语“相关破坏事件”表示通过个体破坏事件的空间相互作用而发生的破坏。由此，空间相关性可以通过分析个体破坏事件之间的距离而限定。在生物材料的情况中，例如，相关破坏事件可以通过两个双链断裂的组合而给出，所述两个双链断裂引起对生物材料而言更难修复的破坏。使用相关破坏的优势在于，由此特别可以更好地考虑材料或细胞对辐射的非线性反应。

可以确定为了实现与受离子辐射后相同的相关破坏产率，即，关于个体破坏事件的总数或孤立破坏事件的数量(AiS)来说相同的相关破坏数量(AkS)，已经所需的光子剂量(PD1)。这表示对于在辐射区域中的宏观光子剂量，根据光子剂量效应曲线PEK1确定破坏事件的空间分布、它们的类型和它们的数量，从该光子剂量效应曲线中可以确定相关破坏数量的期望值。特别地，由此得到造成与受离子辐射后相同的相关破坏产率的光子剂量PD1。例如，对于在规定距离内的双链断裂对的数目的期望值，可以假设这平方地取决于宏观光子剂量。具体地，这实现了可以基于在确定的光子剂量的情况下对相关破坏产率的模拟来快速确定PD1。为此目的，假设在使用足够小地选择的分部和使用相同的局部剂量的情况下，使用光子和离子辐射诱导相同的破坏。其原因也可以是，即使在离子束的情况中也使用足够小的分部体积，在该体积中的能量沉积期望值可以认为是均匀分布地，并且因此可以与光子束的辐射作用直接比较。在该情况中，有利的是由光子辐射已知的破坏事件数可以在该维度上转移至用离子辐射的材料中。

从用于可观察效应(PEK2)的第二光子剂量效应曲线中，可以至少部分地确定与光子剂量(PD1)对应的效应(E1)。光子剂量效应曲线(PEK1)描述了局部的、显微的或分子的破坏，与此相反，光子剂量效应曲线(PEK2)代表了宏观可观察的效应。例如，在细胞的情况中，PEK2可以描述细胞的失活，例如通过对于许多细胞和组织类型是已知的线性-二次方参数α_x和β_x表征，在组织和器官的情况中，PEK2可以描述组织破坏或器官衰竭的可能性。类似于PEK1，优势在于，通过参考实验光子数据，使用PEK2对于离子辐射可以实现所确定的生物效应的高度精确性。此外，与其他方法相比，使用该方法可以显著减少计算时间。

可观察效应(E2)可以至少部分地由相应于光子剂量(PD1)与在敏感体积中沉积的离子剂量(ID)的比例、标定生物相对效应(E1)而确定。具体地，可观察效应(E2)可以如下计算：

$E2=E1\·\frac{{\mathrm{AkS}}_2}{{\mathrm{AkS}}_1}---\left(2\right)$

其中可以假设，例如E2由具有对应离子剂量沉积ID和对应光子剂量PD1的单离子而生成。还可以假设，例如，E2通过单离子而生成，以及AkS1和AkS2分别描述了由光子剂量PD1和离子剂量ID引起的相关破坏数量。

或者，粒子束的作用还可以直接由隔离和相关的破坏的数量所确定，如果这些破坏类型的效应可以从光子剂量效应曲线推导：

E2＝AiS2·ε_i+AkS2·ε_k    (3)

有效剂量可以至少部分地由与可观察效应(E2)对应的光子剂量(PD2)所确定。由此，通过合适的优化方法，对于辐射区域各点的离子剂量可以如下选择，使得以此方式可以在辐射体积的各点实现规定的效应。在混合的射线区域的情况中，例如，PD2还可以通过根据本领域已知的方法在辐射区域的各点来观察射线区域所确定。在此情况中，特别地，可以使用各个离子的所谓的本征RBW，可以如下确定本征RBW：

${\mathrm{RBW}}_{\mathrm{int}}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{int}}}{{\mathrm{\α}}_X}=\frac{{E2}_{\sin \mathrm{gle}}}{{\mathrm{ID}}_{\sin \mathrm{gle}}\·{\mathrm{\α}}_X}---\left(4\right)$

其中α_int*ID_single相应于具有剂量沉积ID_single的单离子的生物效应E2_single。根据公开文献

和Scholz，Physics in Medicine and Biology，Vol.51，pp.1959-1970，2006，β_int可以由α_int获得，并且由α_int和β_int最终可以获得全部混合射线区域的效应E2。由此例如可以借助线性-二次方参数α_ion和β_ion描述离子辐射后的效应。

上述“确定”或“测定”可以特别理解为表示在复杂技术方法的计算单位中计算相应的量值。

可以看出确定粒子束在材料中或在材料上的作用的方法的优势在于，其允许将使用常规辐射的经验直接转移至使用粒子束的辐射。所建议方法的另一优势在于，在计算对于混合的射线区域的E2之前，对于从质子到氖的单独离子、对于从0.1MeV/u至1GeV/u的能量，可以独立于所存在的射线区域，提前计算RBW_int值和/或线性、二次系数，并以表格形式存储。这可以进一步节省相当多的计算时间。

这些扩展的进一步的优势和性质从以下对用于辐射规划的方法和/或用于辐射目标体积的方法、辐射设备及其改进方案的描述中类似地得到。

借助粒子束用于目标体积的辐射规划的建议方法具有以下步骤：

-指定辐射体积中的目标体积；

-测定包括目标体积的辐射体积中的粒子束的能流和/或能量分布；

-测定由能流和/或能量分布引起的有效剂量分布，其中使用至少部分地基于显微破坏相关性确定在辐射体积的材料中的作用的数据。在该情况中，指定辐射体积中的目标体积的方法步骤可以在确定能流和/或能量分布之前进行。

在该方法中，通常对于粒子束的能流和/或能量分布，确定在目标体积中产生的作用，优选确定有效剂量分布。作用的确定优选基于显微破坏相关性。其表明破坏事件在亚微米尺度(优选大于约100nm)上的相互作用。

在该情况中，目标体积通常为目标物体中要辐射的体积。目标物体可以为待辐射的材料中的隔离的体积，例如检测器***、X射线胶片、模拟辐射情形的模体或人。辐射体积可以为在粒子束的方向上看在目标体积前设置的材料，也可以是在目标体积后设置的材料。在该情况中，目标体积的材料，例如，目标物体的要修改的材料或要破坏的肿瘤通常在粒子束的布拉格峰的区域。

通常描述通过每单位面积的离子或粒子通过量(离子/cm²)以及对应的能量分布的能流分布，通常在目标体积的至少一点被确定，但是优选在目标体积的各点的三维(3D)设置或矩阵中被确定。除了关于一次离子束的信息之外，该能流分布可以包括关于核反应产生的二次粒子的信息。

从能流和能量分布可以确定所得宏观的、物理的剂量分布。该宏观的、物理的剂量分布在以下理解为在典型的若干立方毫米或更大的体积中的离子束的剂量沉积期望值所造成的剂量分布。该剂量分布基于粒子数量的知识和它们在目标体积中各点x_i、y_i、z_i的能量沉积。

然而，对于描述所期望的辐射效应，在离子束或粒子束的情况中，仅仅宏观剂量分布是不够的。与常规光子束相比，射线作用也可以通过离子束的改变活性而明确地确定。

辐射规划的目的通常为能够以约5至10％的精确性确定有效剂量。有效剂量表示必须用光子束沉积以实现与离子束相同的效应的那个剂量。用于计算辐射规划的起始点因此为在目标体积的材料上所实现的和可观察到的或期望的作用或所需的效应。在该情况中，可以考虑要施用的离子束的参数，例如，离子束类型、离子束能量和/或通常为与光子束相比改变的活性，并且由它们参考目标体积确定或计算要施用的剂量。

现有技术的LEM允许根据离子束的物理性质的知识和材料对光子辐射的反应的知识推导离子束的活性。然而，由于所使用的简化性和近似性，模型的精确性通常仅对于使用较重离子如碳的应用的辐射规划是足够精确的。从原始实施(LEM I)开始，虽然可以通过改进方案(LEM II：

and Scholz2007，Radiation Research Vol.167，319-329；LEM III：

et al.2008，International Journal of Radiation Oncology Biology Physics，Vol.71，866-872)改善计算的精确性；然而，该模型对于在较广质量范围的离子(质子到氖离子)范围和能量范围(1MeV/u至1GeV/u)上的一般应用仍然不能提供充分的精确性。

与到目前为止在LEM I至LEM III模型中使用的方法不同，在所建议的方法中，使用显微空间破坏相关性以确定有效剂量。对于辐射非生物材料如无机材料而言，为了确定改变的活性以及由此确定有效剂量，特别地，材料常数如溴化银晶体在X射线胶片中的敏感性或辐射变色染料在辐射后的显色是决定性的。在辐射生物材料例如肿瘤细胞的情况中，对细胞核中含有的DNA的破坏通常代表了可观察的射线作用的决定性因素。为了描述有效剂量，在此经常使用离子的相对生物活性(RBW)，其通过对于实现与光子束和/或离子束相同的效应所必需的离子剂量的比例所限定。

$\mathrm{RBW}=\frac{D_{\mathrm{Photon}}}{D_{\mathrm{Ion}}}{|}_{\mathrm{Isoeffekt}}---\left(5\right)$

术语“Isoeffekt”表示对于D_Photon和D_Ion而言相同的效应。这表示，破坏类型或可观察效应必须首先被限定，并用作参数。

在用于辐射规划的方法的一个方案中，对于表征粒子束和/或材料的各种性质的各个参数，粒子束对待辐射的材料的作用可以分别基于显微破坏相关性进行确定。分别对于粒子束的各个参数和对于各种材料性质所确定的效应，和/或表征作用的数据和数值，可以保存在存储单元中。

以此方式，对于粒子束的各性质，例如对于从质子到氖的离子和/或对于从0.1MeV/u至1GeV/u的能量，可以提前计算效应，并存储在存储单元如数据组和/或数据表中。该存储的效应然后可以在用于辐射规划的方法被使用中。

为了能够确定实现规定效应的所需剂量，描述相对生物活性的相应材料常数或必要的数据、剂量效应曲线或其他系数的线性和/或二次系数可以优选地以含有数据的数据组或表的形式使用。

这类数据组的实例有具有确定的离子能量和离子类型的参数的表格，它们允许确定有关的RBW值。含有这些表的数据组可以命名为RBW数据组，并且可以以用来控制辐射设备的参数表的形式存在。然而，还可以想到的是直接在辐射设备的控制设备中实施用于确定RBW数据组的方法。该数据组可以作为参数字段存在于用来控制辐射设备、如加速器的控制设备中。

此外，根据能流分布，可以在通常为10x10x10μm³的体积中的每个点以通常＜1nm³的分辨率、即在亚纳米范围内，确定在辐射区域中的局部剂量分布。局部剂量分布还可以考虑粒子的光谱分布。与上述定义的宏观剂量分布相比，局部剂量分布因此为显微剂量分布。

例如在辐射规划的意义上，对于粒子束对材料的作用或有效剂量分布的确定，可以基于对局部破坏相关性的考虑，所述局部破坏相关性可以使用局部的显微剂量分布确定。产生相关破坏、特别是空间相关破坏或破坏事件的可能性取决于在适当选择的敏感体积的部分体积中的破坏事件的数量等。在胶片的情况中，敏感体积可以通过溴化银晶粒的体积限定；在细胞的情况下，其可以为细胞核。在适当选择的距离内的单个破坏事件的相互作用所引起的这些破坏事件称为相关破坏。在放疗胶片(GafChromicfilm)的单体晶体中的聚合事件或在生物组织的细胞核中的DNA破坏事件可以看作单独破坏事件的实例。因此，产生相关破坏的可能性可以例如由对破坏的距离分析来确定。确定相关生物破坏的简单实例为计算规定距离内双链断裂对(DSB对)的数量。

在到目前为止已知的方法中，所产生的破坏的数量和空间分布通常不是在(亚)纳米尺度上计算，而是在微米维度上计算。因此，计算通常基于在相应微米范围上的能量分布的全局信息进行；由此过分简化了在辐射区域中实际上位于(亚)纳米尺度上的物理剂量沉积。此外，到目前为止已知的方法通常不是基于从光子剂量效应曲线的效应的转移。

对空间破坏分布(rSv)在亚微米范围的精确计算与对光子剂量效应曲线的参考的组合代表本发明所建议方法的本质创新。

该用于辐射规划的方法的优势特别在于，可以更精确地计算有效剂量，并因此可以显著改进的精确性实行辐射规划。优选地，通过该方法改善了在轻离子的情况下的精确性，从而可以在从质子到重离子如氖离子的大范围离子上以相同的精确性应用所建议的方法。此外，既可以对于前瞻性的辐射规划也可以对已经创设和应用的辐射规划的回溯性的重新计算、检查和验证，考虑离子束的作用。

该方法还可以用来确定中子束的活性。当使用中子对目标体积进行辐射时，通过核反应可以产生带电荷的二次粒子。这些反过来引起敏感体积中的破坏。中子的作用是基于形成的所谓的“反冲”的作用并且由此通过混合粒子区域为特征，所述混合粒子区域通常可以含有带电粒子如从质子到氧离子。因此，为了计算该混合的射线束区域的作用，可以类似于离子束疗法中的情形使用相同方法。

上文所述也适用于其他粒子。

在所建议方法的一个方案中，该方法用来生成目标体积的辐射规划和/或验证辐射规划。通常在实际辐射目标体积之前，通过计算参数数据组确定辐射规划，所述参数数据组可以存储于辐射设备中用于控制辐射方法。因此，辐射规划包括以数据组或数值表的形式保存在存储单元中的参数数据组，所述参数数据组直接或间接用来控制辐射***，从而在辐射期间实施辐射规划。辐射规划可以确保在目标体积中使用期望的有效剂量。通过在确定的有效剂量分布中至少部分地使用取决于受辐射或待辐射的材料的具体的射线反应的数据，根据所建议的方法通常可以更精确地实施辐射规划或辐射规划验证。在辐射肿瘤的具体情况中，因此可以优化肿瘤中的有效剂量，并且周围的健康组织也可以最佳地得到保护。

在确定有效剂量分布的方法的一个方案中，由能流分布至少部分地确定显微剂量分布。在该情况中，显微剂量分布，特别是局部剂量分布，可以至少部分地使用围绕单离子踪迹的径向剂量分布来确定。径向剂量分布描述了局部能量沉积作为与离子踪迹的轨迹的距离的函数的期望值。使用径向剂量分布的优势在于，以此方式，可以直接参考在光子辐射后的效应。径向剂量分布可以例如由蒙特卡罗模拟产生。另一可能性在于对无定形通道结构的分析性剂量描述。

在该方法进一步优选的实施方案中，显微的空间破坏分布(rSv)至少部分地由可以由粒子束或由诱导的能流/能量分布所引起的显微剂量分布(mDv)来确定，其中为此目的所需的局部破坏诱导的可能性至少部分由对应的光子剂量效应曲线(PEK1)所推导。特别地，空间破坏分布可以通过破坏事件的空间分布来确定。光子剂量效应曲线本身是已知的，并且通常以实验方法确定。例如，破坏的平均数量常常可以通过线性-二次关系来描述：N_破坏＝γD_x+δD_x。在此，D_x为X射线或光子剂量，并且γ和δ为特定于材料的常数，如在GafChromic胶片的单体晶体中的聚合事件，或用于双链断裂的产率的参数。

光子束的作用的特征在于，基于光子能量沉积的物理性质，所发生的破坏事件的空间分布通常随机均匀分布。如果将敏感体积分成部分空间，也称为分部，则可以假设各分部具有相同的破坏密度分布。这表示在各个分部中存在均匀破坏分布。

相反，对于分成各个分部并用离子进行辐射的敏感体积，由于离子束的极端局域化的能量沉积，存在不均匀的破坏分布。如果将敏感体积分成尺寸小于或者小于等于1x1x1nm³(≤1x1x1nm³)的分部，并且在各个分部中确定显微剂量、特别是局部显微剂量分布，那么由此可以确定显微的空间破坏分布rSv。

在该方法进一步优选的实施方案中，在对敏感体积适当选择的部分体积中相关破坏数量(AkS)的期望值可以至少部分地根据空间显微破坏分布更加精确地得以确定。在这种情况中，术语“相关破坏事件”表示通过个体破坏的空间相互作用而发生的破坏。由此，空间相关性可以通过分析个体破坏之间的距离而限定。在生物材料的情况中，例如，相关破坏事件可以通过导致DNA双链断裂的、DNA的两个单链断裂的组合，或引起对生物材料而言更难修复的破坏的两个双链断裂而限定。使用相关破坏的优势在于，以此方式，特别地可以更好地考虑材料或细胞对辐射的非线性反应。

在辐射方法和确定粒子束对至少部分受辐射或待辐射的材料的作用的方法的进一步优选的方案中，辐射体积中的材料至少部分为生物材料。在该情况中，材料可以包括由细胞构成的材料、细胞培养物和/或组织如肿瘤组织。然而，该体积可以同时还包括其他材料，例如金属植入物与生物组织一起。

在该方法进一步优选的实施方案中，敏感性体积至少部分地包括生物材料、特别是细胞的至少一亚体积和/或部分体积。特别地，敏感体积包括细胞的部分体积。优选可以是细胞核。相应地，敏感体积的用于确定局部的显微剂量分布的尺寸可以对应于细胞的典型尺寸，即，约10μm。对于将敏感体积细分成上述的分部，分辨率可以在纳米范围，即上述一个分部的尺寸在典型≤1nm的尺寸量级。在纳米尺度上观察的优势为在足够细微的分辨率的情况下，在一个分部中的显微剂量可以假设恒定为第一近似值。该假设实现了从光子辐射的剂量效应曲线推导在一个分部内的离子束的能量沉积的作用。

在该方法进一步优选的实施方案中，可以确定为了实现与受离子辐射后相同的相关破坏产率，即，关于个体破坏事件的或孤立且相关的破坏事件的总数来说相同的相关破坏数量(AkS)，已经所需的光子剂量(PD1)。这表示对于在辐射区域中的宏观光子剂量，根据光子剂量效应曲线PEK1确定破坏事件的空间分布、它们的类型和它们的数量，从该光子剂量效应曲线PEK1可以确定相关破坏数量的期望值。特别地，由此，结果为造成与受离子辐射后相同的相关破坏产率的光子剂量PD1。例如，对于在规定距离内的双链断裂对的数目的期望值，可以假设其平方地取决于宏观光子剂量。具体地，这实现了在规定的光子剂量的情况下可以基于对相关破坏产率的模拟快速确定PD1。为此目的，假设使用选择足够小的分部和使用相同的局部剂量，使用光子和离子辐射诱导相同的破坏。其原因也可以是，使用足够小的分部体积，即使在离子束的情况中，在该体积中的能量沉积期望值可以认为是均匀分布地，并且因此可以与光子束的辐射作用直接比较。在该情况下，有利的是，由光子辐射已知的破坏的数量可以在该维度中转移至用离子辐射的材料。

在该方法进一步优选的实施方案中，从可观察效应(PEK2)的第二光子剂量效应曲线，至少部分地确定与光子剂量(PD1)对应的效应(E1)。与描述局部的、显微的或分子的破坏的光子剂量效应曲线(PEK1)相反，光子剂量效应曲线(PEK2)代表宏观的可观察效应。例如，在细胞的情况中，PEK2可以描述细胞的失活，例如，以对于许多细胞和组织类型是已知的线性-二次参数α_x和β_x为特征。在组织或器官的情况下，PEK2可以描述组织破坏或器官衰竭的可能性。类似于PEK1，优势在于，通过参考实验光子数据，使用PEK2对于离子辐射可以实现所确定的生物效应的高度精确性。此外，与其他方法相比，使用该方法可以显著减少计算时间。

在该方法进一步优选的实施方案中，对于给定的能流分布，可观察效应(E2)至少部分地由相应于光子剂量(PD1)与在敏感体积中对应于能流分布而沉积的剂量(ID)的比例、标定生物有关效应(E1)而确定。具体地，可观察效应(E2)可以如下计算：

$E2=E1\·\frac{\mathrm{ID}}{\mathrm{PD}1}$ 或 $E2=E1\·\frac{{\mathrm{AkS}}_2}{{\mathrm{AkS}}_1}---\left(6\right)$

其中可以假设，例如，E2通过具有对应的剂量沉积ID和对应的PD1的单离子所生成的。备选地或优选地，可以假设E2由单个离子生成，AkS1和AkS2分别描述了通过光子剂量PD1和离子剂量ID的相关破坏数量。

备选地，粒子束的作用还可以直接由隔离和相关的破坏的数量所确定，如果这些破坏类型的效应可以从光子剂量效应曲线推导：

E2＝AiS2·ε_i+AkS2·ε_k    (7)

在此，AiS2表示隔离的破坏的数量，并且AKS2表示可以通过一个离子诱导的相关破坏数量；ε_i和ε_k分别描述了单独隔离的和相关的破坏的作用。

在该方法的另一实施方案中，有效剂量可以至少部分地由与可观察效应(E2)对应的光子剂量(PD2)所确定。由此，通过合适的优化方法，对于辐射区域各点的离子剂量可以如下选择，使得以此方式可以在辐射体积的各点实现规定的效应。在混合的射线区域的情况中，例如，PD2还可以通过根据本领域已知的方法在辐射区域的各点观察射线区域所确定。在此情况中，特别地，可以使用各个离子的所谓的本征RBW，可以如下确定本征RBW：

${\mathrm{RBW}}_{\mathrm{int}}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{int}}}{{\mathrm{\α}}_X}=\frac{{E2}_{\sin \mathrm{gle}}}{{\mathrm{ID}}_{\sin \mathrm{gle}}\·{\mathrm{\α}}_X},---\left(8\right)$

其中α_int*ID_single对应于使用剂量沉积ID_single的单离子的生物效应E2_single。

根据公开文献

和Scholz，Physics in Medicine and Biology，Vol.51，pp.1959-1970，2006，β_int可以从α_int得到，并且由α_int和β_int最终可以获得根据能流分布所生成的整个混合的射线区域的效应E2。可以例如通过线性-二次参数α_ion和β_ion描述离子辐射后的效应。

可以看出该方法的优势在于，可以将常规的辐射的经验直接移植到利用粒子束的辐射中。所建议方法的另一优势在于，在计算混合的射线区域的E2之前，对于从质子到氖的单独离子和对于从0.1MeV/u至1GeV/u的能量，独立于所存在的射线区域，可以提前计算RBW_int值，并以表格形式存储。这可以进一步节省相当多的计算时间。

本发明要解决的技术问题还通过使用粒子束辐射目标体积的方法来实现，具有以下步骤：

-测定在包括所述目标体积(44)的辐射体积(46)中的能流和/或能量分布；

-测定由能流和/或能量分布得到的有效剂量分布，其中使用粒子束在所述辐射体积(46)的材料中的作用，所述作用至少部分地基于显微破坏相关性根据确定粒子束在材料中的作用的方法所确定。

辐射规划的方法的性质、特征和优势类似地适用于辐射目标体积的方法。

本发明要解决的技术问题通过一种用于对包括目标体积的辐射体积进行辐射的辐射规划进一步实现，其中所述辐射规划可以至少部分地使用上述方法建立和/或已经建立。因此，为了生成辐射规划，使用确定由能流分布所得有效剂量分布的数据，其中至少部分地基于宏观破坏相关性、以及特别地基于相关破坏数量(AkS)，确定辐射体积的材料中的有关可观察效应。

本发明要解决的技术问题还通过一种射线调节装置来实现，所述射线调节装置可以使用上述辐射目标体积的方法制造和/或操作。射线调节装置可以具有设置用来实施该方法的主动型和/或被动型的装置。主动型射线调节装置例如可以为光栅扫描装置，其根据关于目标体积的位置和能量参数区域引导粒子束。被动型射线调节装置例如可以为通过所建议的方法设计或制备的过滤元件。以此方式设计的过滤元件然后可以嵌入辐射装置。在这种情况中，通过过滤元件，可以调节能量以及由此离子束或粒子束的穿透深度(z方向)，同时通过扫描仪偏转射线而分别扫描(abfahren)x和y方向。因此，通过被动型过滤元件和主动型扫描仪的相互作用可以扫描要辐射的目标体积。

本发明要解决的技术问题还可以通过辐射设备而实现，其具有至少一个包括上述特征的射线调节装置。在该情况中，辐射设备可以特别包括用于产生和加速粒子束的加速器装置，并且具有射线调节装置，通过该射线调节装置可以在所有三个空间方向上扫描待辐射的目标体积。在此情况中，射线调节装置可以具有主动型和被动型装置以及主动型和被动型装置的组合，用于改变目标体积的位置中射线能量和射线位置和/或射线轴。辐射设备优选具有用于控制加速器装置的控制***，和用于辐射对象，特别是患者的至少一个射线调节装置。以此方式，辐射设备可以借助控制***来控制，所述控制***具有存储了辐射规划的装置或者通过该控制***可以生成辐射规划。

参考优选实施方式描述了本发明，并且要强调的是对象和/或特征的等价物、备选项和变化都包括在本发明的范围中，只要它们不超出本发明权利要求的保护范围。

附图说明

在下文中，将基于附图更详细地描述本发明。对于附图中的类似对象，使用相同的附图标记。在附图中：

图1是射线调节装置的工作原理及其对深度剂量分布的作用的示意图；

图2是具有主动型射线调节装置(图2a)和具有被动型射线调节装置(图2b)的辐射设备示意图；

图3是使用离子(3a，3b，3c)辐射和使用光子(3d)辐射的在敏感体积中的显微剂量分布的示意图；

图4是辐射目标体积的方法的流程图；

图5是可以在图4所示方法中详细实施的方法步骤的流程图；

图6显示了在用离子和光子辐射后的DNA破坏在敏感体积中的分布；

图7显示了光子辐射后DNA破坏在敏感体积中的分布，这引起了与图6所示的离子辐射相同的相关破坏产率；

图8显示了RBW因子取决于线性能量转移(LET)的函数；

图9a是作为穿透深度的函数在目标体积中施用氦离子的辐射剂量的示意图；

图9b是在用图9a的辐射区域进行辐射后，细胞存活作为穿透深度在目标体积中的函数；

图10a是对于典型的两区域辐射的目标体积中，用质子和碳离子施加的辐射剂量的示意图；

图10b是对于来自图10a的辐射区域的目标体积的辐射，计算的细胞存活和对应的实验方法确定的存活可能性的示意图。

具体实施方式

图1在示意图中显示了射线调节装置10及其对单能离子或粒子束12的作用。使用等长的箭头14示意性显示单能离子束12。箭头16a至16i代表不同能量的离子束，并且因此代表非单能的、即具有不同能量离子的离子束16。在图1的下部，分别以示意性方式各显示一个图。其表示待辐射的材料(未示出)中的布拉格峰18′(显示在左边)、24(显示在右边)，所述布拉格峰18′显示相对剂量作为材料中的穿透深度的函数。将相对剂量作图在称为y轴的轴20上，并且将穿透深度作图在称为x轴的轴22上。布拉格峰18的曲线的变化描述了剂量的变化作为用单能离子进行辐射的深度的函数。布拉格峰24描述了材料中的相对剂量作为具有由箭头16a至16i表示的不同能量的离子束16的穿透深度的函数。布拉格峰24称为拉伸的布拉格峰24，并且由分别针对由箭头16a至16i象征性表示的离子束16的能量的单个布拉格峰19a至19i的叠加构成。离子束16可以通过射线调节装置10由离子束12产生。相对剂量在此对应于在辐射体积(未示出)中的沉积剂量。x轴22的零点26对应于辐射体积的表面。

在该情况下，示意性示出了该射线调节装置10的作用，其中使用射线调节装置10可以用规定剂量分布来辐射目标体积(未示出)。为此目的，通过射线调节装置10的主动型或被动型射线引导元件调节单能射线的射线能量和穿透深度，使得可以将期望剂量施用于规定的深度范围。从单能离子辐射的布拉格峰18至离子束16的布拉格峰24的箭头28象征射线调节装置10的作用。

图2显示了实施射线调节装置10的不同可能性。图2a示意性显示了具有主动型射线调节装置32的加速器装置36的结构，该加速器装置36设置为加速器设备或粒子治疗***30，所述主动型射线调节装置32包括主动型射线导向和射线施加。粒子治疗***30一般具有产生粒子束34的射线产生装置38和射线加速装置40。射线产生装置38一般具有粒子源，例如离子源。射线加速装置一般具有低能加速器和对应的射线导向。连接在加速器装置36下游的是同步加速器42、回旋加速器或其他加速器，以及高能射线输送装置。在同步加速器42之后，提供具有辐射用必需能量的粒子束34a。一般使用粒子或微粒如质子、π介子(Pion)、氦离子、碳离子、氧离子或化学元素或化合物的称为离子的其他带电荷的粒子或微粒作为粒子。因此，在本发明中，术语离子、微粒和粒子同义使用。

在图2中，作为实例，显示了离子源38、线性加速器40和同步加速器42。该加速器装置36和连接在其下游的高能加速器装置还可以具有其他能够提供具有辐射目标体积44所需能量的粒子束34a、特别是带电离子的加速器。对于肿瘤治疗中的应用，使用典型的加速器装置36，其提供具有通常为1GeV/amu数量级的最大粒子能量的离子束34a。

目标体积44设置在对象或辐射体积46中。对象46可以包括围绕目标体积44的体积和/或待辐射的整个物体。待辐射的目标体积44可以为待暴露于离子辐射的任何形式的体积，例如，胶片探测器***，填充有细胞培养物样品的体积或患者(未示出)中的肿瘤体积。目标体积44可以为静止的目标体积44也可以是运动的目标体积44。目标体积44一般分成片45a，45b，45c，45d，45e，45f，其分别用离子束34a辐射，所述离子束34a具有对于各片45a，45b，45c，45d，45e，45f而言所必需的特定能量。在各情况中的能量通常用同步加速器设定，并且是可变的。

为了在待辐射的目标体积44中施用全部剂量，通过例如光栅扫描方法辐射目标体积44。在该情况中，将细笔形射线使用偏转磁铁48a，48b，50a和50b沿待辐射的体积46的侧面偏转，然后通过改变高能加速器设定或吸收剂厚度来改变射线34a的射线能量并由此改变穿透深度，由此，将射线导向在待辐射的体积上、特别是在片45a，45b，45c，45d，45e，45f的纵向上。

出于此目的，辐射设备30具有流程控制装置52和至少一个探测器54来监视离子束34a的称为离子束参数的参数。流程控制装置52一般经由电连接56偶联至加速器装置36，特别是同步加速器42，并经由连接58偶联至光栅扫描装置60。流程控制器52经由连接62而连接至探测器54。因此，经由探测器54确定的值(粒子束34a的参数)，如粒子束34a的能量和位置可以用来控制和调节辐射设备36，特别是同步加速器42。探测器54可以由多个探测器单元构成。在所示的实施方案中，探测器54包括两个探测器单元54a和54b，因此连接62包括两个连接62a和62b。用于确定离子束参数的探测器54的实例，例如为电离室54a和多丝正比室54b，其可以用作或适合用作射线强度或射线位置监控器。

流程控制装置52代表粒子束***30的控制***，并因此控制***30的单个组件，例如加速器装置36、同步加速器42以及光栅扫描装置60的磁体48a，48b以及50a和50b。此外，在流程控制装置52中可以读入和/或存储测量数据如探测器54的数据用于监控射线参数。

通常，使用在辐射前产生的辐射规划控制粒子束***30的射线参数。该辐射规划通常在开始辐射目标体积44前在规划装置中生成。然而，还可以提供的是，在辐射已经开始时就生成和/或调节辐射规划。该辐射规划可以通过方法200(图4中所示)生成。

图2a所示的射线调节装置为主动型射线调节装置32。图2a所示的粒子束***30的组件的设置仅是示例性的。可以使用其他设置、特别是用于射线产生和射线调节的其他组件。

图2b示意性地显示了辐射装置66的其他实施方案的实例。该情况中，射线能量(离子束的能量)的调节经由所谓的脊形过滤器(ridge filter)***68进行。设计该过滤器68的形状，使得通过在过滤器各点处的可变化厚度，将离子束34a不同程度地减速。由此，通过设计过滤器68，离子束在目标体积44中深度剂量分布的精确形状得到清楚确定。相反地，规定的深度剂量分布确定了对应过滤器68的设计。由此，过滤器68的技术实施通常取决于各情况中的确定的辐射规划。用于生成辐射规划的方法200可以在制造过滤器***68和/或单个组件时被采用，并且由此可以用于例如生成用于CNC制造机器的控制数据。因此，通过建议方法所生成的用于实现有效剂量分布的数据可以用于制造过滤器68。图2b中示出的射线调节装置10称为被动型射线调节装置70。除了过滤器68之外，被动型射线调节装置70通常包括准直器装置71，仅示例性示出其中一个准直器。

除了上述的用于射线调节的主动型和被动型方法，本发明还包括用于实施射线调节装置的混合方法。

图3示例性示出了光子束(3d)和离子束(3b)在微米尺度上能量沉积的期望值。离子束相比于光子辐射的改变的作用由不同射线类型(为离子辐射和光子辐射)的能量沉积72的不同显微分布所引起。在光子辐射的情况中，该分布一般均匀地发生在观察的面74上。相反，离子非常不均匀分布地沉积其能量。在离子的轨迹或踪迹76的附近(在数nm的距离)，可以沉积极高的剂量D(最高约10⁶Gy)，而在与轨迹76更远的距离处(数μm)，剂量值可以非常快地落到非常低的值(＜＜1Gy)。整体结果为沉积能量的非常不均匀的分布78(3b)。然而，如果仅考虑该不均匀分布78的小的部分区域(nm³)80(3c)，则沉积在该部分区域的剂量又可以假设为近似恒定的。因此，该分布类似于使用相同的局部剂量用光子辐射所期望的分布。

由此，通过基于上述相似性选择合适的部分区域80，可以从光子辐射的作用推导离子束在小的部分区域中的作用。特别地，选择敏感体积作为部分区域特别是部分体积。

下面基于图4所示的方法更详细地解释应用该原则计算离子束的作用从而确定和优化辐射方案。

图4显示了用于生成辐射规划的方法200的流程图，该辐射规划用于使用粒子束34a来辐射目标体积44(参见图2)。在确定辐射规划中，计算开始于方法步骤210。在方法步骤220中，确定在辐射体积46的目标体积44中的能流分布。目标体积44可以包括待辐射的无机材料、有机材料或生物材料。生物材料通常包括细胞。目标体积44可以例如包括至少一个细胞培养物和/或至少一个组织如肿瘤组织。

在方法步骤230中，确定由能流分布引起的有效剂量分布，其中使用了基于显微的特别是局部的破坏相关性确定在各材料中的可观察效应的数据。在步骤235中，询问对于给定的能流分布是否实现了所需的目标剂量。如果如此，那么方法在步骤240终止。如果不是如此，那么相应于有效剂量分布的设定值和实际值之间的差异调节能流分布，并且然后方法继续至步骤220。

方法200可以用来辐射目标体积44、用来生成在辐射目标体积44时采用的辐射规划、和/或用于在目标体积44已经受辐射之前或之后验证辐射规划。

方法200在方法步骤230中，包括使用生物物理模型，由于在对材料特别是肿瘤治疗中的生物组织进行辐射时对粒子束的应用，要求精确地获知粒子束的生物作用。所使用的生物物理模型称为局部效应模型(LEM)，并且考虑粒子束34a的参数的活性的复杂依赖性，所述粒子束34a的参数如粒子类型(离子类型)、离子束能量、离子剂量和材料特别是细胞和组织类型。在该情况中，在计算有效剂量分布时，考虑细胞或细胞核内的局部能量沉积的生物作用。

图5显示了可以包括在图4的流程图中的方法步骤230中的方法步骤的流程图。

在方法步骤250中，显微剂量分布mDv由能流分布确定。显微剂量分布，特别是局部剂量分布，可以通过至少部分使用围绕单离子轨迹的径向剂量分布来确定。径向剂量分布描述局部能量沉积的期望值作为与离子踪迹的轨迹的距离的函数。使用径向剂量分布的优势在于，以此方式，可以直接参考光子辐射后的效应。径向剂量分布例如可以通过蒙特卡罗模拟法产生。另一可能性在于对无定形通道结构的分析剂量描述。径向剂量分布描述局部能量沉积的期望值作为与离子踪迹的轨迹的距离的函数。使用径向剂量分布的优势在于，以此方式，可以直接参考光子辐射后的效应。径向剂量分布例如可以通过蒙特卡罗模拟法产生。另一可能性在于对无定形通道结构的分析剂量描述，按照它们在现有技术中已知的用于LEM模型的形式：

$D_{\mathrm{track}}\left(r\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&lambda;LET}/r_{\min }^2:r<r_{\min }\\ \mathrm{\&lambda;LET}/r^2:r_{\min }\&le;r\&le;r_{\max }\\ 0:r>r_{\max }\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中λ为归一化常数，LET描述了线性能量转移，r_min表征具有恒定剂量的内部区域，r_max为最大迹线半径，例如由以下确定：

r_max＝γE^δ(10)

其中γ＝0.062，δ＝1.7。r_max以μm给出，E为离子的比能量，单位为MeV/u。LET表示由离子每长度单位经过水当量材料时沉积的能量，以keV/μm给出。

在方法步骤260中，空间破坏分布rSv至少部分地由显微剂量分布mDv所确定，其中局部破坏诱导的可能性至少部分地由对应的光子剂量效应曲线PEK1所推导。在生物目标体积例如细胞或组织的情况中，空间破坏分布rSv例如可以由双链断裂(DSB)在细胞核中的分布所给出。在该情况中，对应的光子剂量效应曲线PEK1是描述作为剂量的函数的双链断裂的诱导的那个剂量效应曲线。

在方法步骤270中，在适当选择的体积中的相关破坏数量期望值至少部分地由敏感体积中的空间破坏分布rSv所确定。在生物材料的情况中，敏感体积包括生物材料的细胞的至少一亚体积和/或部分体积。如上所述，分成亚体积和/或部分体积的优势在于，在部分体积中，能量沉积期望值的分布几乎为均匀的，即使在离子束的情况中，并且因此类似于光子束情况中的分布。

因此，在这些小体积中的生物效应应当相应于使用等同大小的剂量进行光子辐射所期望的生物效应。这实现了从光子束的生物作用推导离子束的生物作用。

在方法步骤280中，确定了实现相同的相关破坏产率已经要求的光子剂量PD1。相关破坏通常为在规定距离内诱导的双链断裂的组合。然而，双链断裂与单链断裂或与细胞功能有关的其他DNA破坏的组合也可以被认作相关破坏。

在方法步骤290中，与光子剂量PD1对应的效应E1对于可观察效应由第二光子剂量效应曲线PEK2所确定。在辐射肿瘤组织的情况中，可观察效应例如可以为肿瘤的破坏。然而，可观察效应也可以涉及周围健康正常组织；例如，其可以为在辐射区域的进入通道中肿瘤前方的皮肤的变质。在这些情况中，光子剂量效应曲线PEK2将代表肿瘤破坏和皮肤变质作为辐射剂量函数的依赖性。

在方法步骤300中，对于给定的能流分布，可观察效应E2由相应于光子剂量PD1与在敏感体积中对应于能量分布所沉积的离子剂量的比例、标定可观察效应E1而确定。

优选地，在方法步骤300中，对于给定的能流分布，可观察效应E2由相应于离子辐射(AkS₂)后相关破坏数量对光子辐射(AkS₁)后相关破坏数量的比例、标定可观察效应E1而确定。

在方法步骤310中，有效剂量确定为产生与离子剂量ID相同的效应E2的那个光子剂量PD2。然后，相对生物活性由光子剂量PD2对离子剂量ID的比例给出。

使用方法200可以预测可观察效应，例如细胞在受辐射细胞组织中的存活可能性、肿瘤破坏的可能性、用粒子束34a辐射后正常组织破坏的可能性。

一般而言，使用方法200，正确地描述了在与肿瘤治疗中的采用有关的整个能量范围上以及在不同离子类型的广范围上的作用。通过方法200实施的示例性计算显示并描述在下面的图中。

计算可以基于下列描述和参数，其中它们对于所建议的有效剂量分布的确定不是强制性的：

1)细胞核，作为敏感体积，模拟为体积为500μm³的圆柱体。使用实验数据确定细胞核的半径。相应地给出细胞核的高度。

2)根据方程(11)给出围绕单个离子踪迹的径向剂量分布。其中，r_min＝v/c*6.5nm，为依赖于能量的，其中v为离子速度，c为光速。

3)对于实验数据，PEK1成为N_DSB＝γ_DSB*D_γ，其中γ_DSB＝30DSBs/Gy/细胞，D_γ为光子剂量。此外，考虑单链断裂(ESB)的进一步团簇效应，如

和Scholz 2007，Radiation Research，Vol.167，319-329。

4)PEK2由下式给出：

$S\left(D\right)=\left\{\begin{array}{c}{e}^{-\mathrm{\&alpha;D}-\mathrm{\&beta;}{D}^2}:D\&le;D_t\\ S_t{e}^{-s\&CenterDot;[\mathrm{\&eta;}\left(D\right)D-D_t]}:D>D_t\end{array}\right.---\left(11\right)$

其中，α，β为线性-二次参数，其通常通过“体外”量度或临床数据给出。s＝α+2βD_t为阈值D_t上的斜率，在该阈值D_t上，根据实验知识，PEK2变为纯指数变化。S_t为D＞Dt的斜率，并且η定量表示ESB的团簇效应(参见上文以及

和Scholz 2007，Radiation Research，Vol.167，319-329)。

5)相关破坏在示例性计算中看作距离小于440nm的DSB对。该数值基于实验数据并使用根据本发明的方法进行优化。其取决于离子类型、离子能量、剂量或生物材料。

图6显示了在用离子(11MeV/u，153.5keV/μm)或光子辐射半径为5μm的细胞核后双链断裂的计算的分布。对于两种射线类型，这基于与细胞核中单个离子的剂量沉积对应的相同的能量沉积D₁＝0.3Gy。三个轴x，y，z分别表示细胞核在x，y和z方向上的长度延伸，并且所述数值对应于单位为微米的长度。圆形符号98分别表示在离子横贯细胞核后的双链断裂，而方形符号99分别表示在用光子辐射后的双链断裂。离子如此的飞行路径或轨迹由箭头97表示。可以清楚地看见离子辐射后的双链断裂位于离子路径的狭窄区域中。相反地，符号99表示的光子辐射后的双链断裂是随机的，并且在整个细胞核体积中为近似均匀分布。

由于空间分布的不同，在例如440nm的规定距离内，离子束诱导相关破坏如两个双链断裂的可能性显著更高。

相关破坏数量如双链断裂对(DSB对)对诱导的单个破坏事件或优选的孤立和相关的破坏的总数的比例可以认为是诱导的或者相关破坏产率的可能性的量度。为了用光子束诱导出与利用离子束诱导类似的相关破坏数量AkS对单个破坏或孤立和相关的破坏的总数的比例，显著更高的剂量是必需的。

图7显示了在以如下剂量的光子辐射后的双链断裂99的计算的分布，所述剂量引起与图6中对离子束示出的分布相同的相关破坏对整体破坏的比例。因此，对于细胞核的适当选择的亚体积，图7中所示的分布可以示作图6所示离子束的作用的代表，由此，离子束的作用可以从常规光子束的作用推导。基于该方法的模型，称为一般化局部效应模型(GLEM)。

图8显示了使用GLEM对HSG (Human Salivary Gland，人唾液腺)细胞在用氦离子和碳离子辐射后的失活的相对生物活性进行的计算。在y轴上对相对生物活性(RBW)作图，作为在x轴上画出的线性能量转移(LET)的函数。该计算所基于的PEK2(α＝0.313Gy^-1，β＝0.0615Gy^-2)的光子数据选用自Furusawa等人，2000，Radiation Research，Vol.154，pp.485-496，其中D_t＝18Gy，细胞核的半径为5μm。

曲线85和92表示根据GLEM方法计算的在最大RBW因子RBW_α＝α_ion/α_x和用氦离子和碳离子辐射的LET之间函数关系，以及实验数据90和96的比较(取自Furusawa et al.2000，Radiation Research，Vol.154，pp.485-496的实验数据)。曲线85、88和86为氦离子的曲线，曲线85根据GLEM计算，曲线86根据LEM III计算，曲线88根据LEM II计算。圆形符号和90代表性表示的测量数据为用氦离子辐射目标体积44后确定的那些。类似地，对于碳离子，曲线92表示用GLEM进行的计算，曲线93是使用LEM III，并且曲线94表示用LEM II进行的计算；96示意性表示的方形符号显示了对应的实验数值。清楚可见的是，曲线85和92最好地反映了实验数值。特别地，对于低LET，清楚可见的是用GLEM计算的曲线更好地预测了测量值90和96的位置。

这得到了图9中示出的比较的证实。图9a显示了用能量调节的氦离子辐射的目标体积44的物理剂量分布81(在8cm的水当量深度中超过布拉格峰4cm)与穿透深度x(mm)的依赖关系。附图标记79表示沉积在目标体积44中的剂量D。箭头100表示离子束。作为与实验数据的比较，实验确定的CHO细胞的存活率(参数为PEK2α＝0.228Gy^-1，β＝0.02Gy^-2，D_t＝35Gy(细胞核半径5μm))与计算的存活率进行比较。

在图9b中，曲线87代表根据LEM I的计算结果，曲线82代表根据LEMII计算的，曲线78代表根据LEM III计算的，曲线84代表根据GLEM计算的。83标记的实心圈表示实验结果(Müller，GSI Report 2004公开)。在此同样的是，与LEM I至LEM III模型相比，用GLEM的计算显示与实验结果的显著更好的一致性。

图10以进一步比较显示了对质子束和碳束在治疗样辐射区域中的作用的计算与CHO细胞的相应的实验数据，具有类似的实验确定的PEK2参数α＝0.105Gy^-1，β＝0.025Gy^-2和D_t＝40Gy(细胞核半径6μm)。

图10a显示了在180°角受辐射的两个相对区域的物理剂量分布。目标体积44从箭头100示意性表示的第一方向和箭头110示意性表示的第二方向受粒子束34a的辐射。曲线116显示了碳辐射的物理剂量曲线D，曲线118显示了质子辐射的物理剂量曲线D。剂量由D表示，并在y轴上作图，并且长度单位x在x轴上作图。目标体积44的位置通过区域112示意性给出。

图10b显示了计算方法和实验方法所确定的CHO细胞的存活率。方形符号124为质子辐射后测量的存活率，并且曲线114为计算的存活率。圆形符号122表示碳辐射后测量的存活率，并且曲线120表示计算的存活率。从对于进行的质子辐射的曲线114与测量结果124的比较以及从曲线120与测量数据122的比较，可以看出用建议的方法200使用GLEM模型计算的有效剂量分布非常好地重现了实验数据。

由此，在图8至10中的比较显示了根据本发明使用GLEM模型的计算对于预测有效剂量分布、特别是对于粒子疗法是最可信的。

所示的用于辐射的和/或用于辐射规划的方法包括确定粒子束34a在至少部分受辐射的材料或待辐射的材料中的作用的方法。在该方法中，至少部分地根据至少一个表征离子束34a的参数和根据材料的至少一个性质，至少部分地基于显微破坏相关性，确定所述材料中的粒子束的作用。用于辐射的和/或用于辐射规划的方法是确定粒子束34a在至少部分受辐射的材料或待辐射的材料中的作用的方法并且还可以包括以下所列步骤：

-使用空间显微破坏分布确定显微破坏相关性；

-至少部分地由粒子束34a产生的显微剂量分布确定空间显微破坏分布，其中局部破坏诱导的可能性至少部分地由第一光子剂量效应曲线推导；

-至少部分地由空间显微破坏分布在对敏感空间适当选择的部分空间中确定相关破坏数量期望值；

-确定为了达到与粒子束的相关破坏数量期望值大致相同的相关破坏产率已经必需的光子剂量；

-至少部分地由第二光子剂量效应曲线确定与光子剂量对应的效应或对应的作用；

-在存储单元中存储对于粒子束不同的参数和对于不同作用所测量的不同参数，其中对于表征粒子束34a的不同参数和/或至少一种材料性质、特别是材料的不同性质，分别基于显微破坏相关性确定粒子束在待辐射的材料中的作用。

因此，粒子束34a在至少部分受辐射的或待辐射的材料中的作用可以在单独的方法中所确定，并且以数据组、表、数值表等的形式存储在存储介质中。这些数据组、表等可以作为输入数据被输入到用于辐射、特别是辐射规划的不同于上述方法的已知方法中。

Claims (26)

1.一种确定粒子束(34a)在至少部分受辐射的材料或待辐射的材料中的作用的方法，其中，根据至少一个表征了粒子束(34a)的参数和根据至少一个表征了材料性质的参数，至少部分地基于显微破坏相关性，确定所述材料中的粒子束的作用。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述显微破坏相关性发生在亚微米范围。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用空间显微破坏分布测定所述显微破坏相关性。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述空间显微破坏分布至少部分地由通过粒子束(34a)产生的显微剂量分布测定，其中局部破坏诱导的可能性至少部分地由第一光子剂量效应曲线推导。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当确定所述显微破坏相关性时，在对敏感体积适当选择的部分体积中的相关破坏数量期望值至少部分地由所述空间显微破坏分布确定。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，测定光子剂量，所述光子剂量对于实现与粒子束的相关损坏数量期望值几乎相同的相关破坏产率而言已经是必需的。

7.根据前述权利要求中任一项、特别是权利要求6所述的方法，其特征在于，与所述光子剂量对应的作用至少部分地由第二光子剂量效应曲线确定。

8.根据前述权利要求中任一项、特别是权利要求7所述的方法，其特征在于，所述粒子束的作用至少部分地通过相应于光子剂量与通过光子束在敏感体积中沉积的剂量的或者在光子或粒子辐射后的相关破坏数量的比例、标定与光子剂量对应的作用而确定。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对于表征粒子束(34a)和/或不同材料性质的不同参数，分别基于所述显微破坏相关性确定所述粒子束在至少部分受辐射的材料或待辐射的材料中的作用，其中对不同的粒子束参数和对不同的材料参数所测定的各个作用保存在存储单元中。

10.一种借助粒子束(34a)来辐射在辐射体积中的目标体积的辐射规划方法，包括以下步骤：

-指定辐射体积(46)中的目标体积(44)；

-测定在包括目标体积(44)的辐射体积(46)中的能流和/或能量分布；

-测定由能流和/或能量分布引起的有效剂量分布，其中使用粒子束在辐射体积(46)的材料中的作用，所述作用已经基于根据权利要求1至9中任一项所述的方法至少部分地基于显微破坏相关性被测定。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，为了生成对目标体积(44)的辐射规划或在生成对目标体积(44)的辐射规划时和/或在验证对目标体积(44)的辐射规划的情况下，使用所述方法。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，由所述能流分布至少部分地测定显微剂量分布。

13.根据前述权利要求中任一项、特别是权利要求12所述的方法，其特征在于，对于给定能流分布所观察到的效应，至少部分地通过相应于光子剂量与在敏感体积中对应所述能流分布而沉积的剂量的比例、标定对光子剂量所观察到的效应来确定。

14.根据前述权利要求、特别是权利要求10至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述有效剂量分布至少部分地由对应的光子剂量的作用、特别是所观察到的效应来确定。

15.一种借助粒子束(34a)对辐射体积中的目标体积进行辐射的方法，包括以下步骤：

-测定在包括目标体积(44)的辐射体积(46)中的能流和/或能量分布；

-测定由能流和/或能量分布得到的有效剂量分布，其中使用粒子束在所述辐射体积(46)的材料中的作用，所述作用已经至少部分地基于根据权利要求1至9中任一项所述的方法基于显微破坏相关性被确定。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，为了生成对目标体积(44)的辐射规划或在生成对目标体积(44)的辐射规划时和/或在验证对目标体积(44)的辐射规划的情况下，使用所述方法。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，由所述能流分布至少部分地测定显微剂量分布。

18.根据前述权利要求中任一项、特别是权利要求17所述的方法，其特征在于，对于给定能流分布可观察的效应至少部分地通过相应于光子剂量与在敏感体积中对应所述能流分布而沉积的剂量的比例、标定对光子剂量可观察到的效应来确定。

19.根据前述权利要求、特别是权利要求15至18中任一项所述的方法，其特征在于，所述有效剂量分布至少部分地由对应的光子剂量的作用、特别是可观察到的效应确定。

20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述材料、特别是在辐射体积(46)中的材料至少部分地包括生物材料。

21.根据前述权利要求中任一项、特别是权利要求20所述的方法，其特征在于，所述敏感体积至少部分地包括生物材料的至少一个亚体积和/或部分体积、特别是细胞。

22.一种用于包括目标体积(44)的辐射体积(46)的辐射规划，其特征在于，所述辐射规划已经至少部分地在使用根据权利要求1至21中任一项所述的方法(200)和/或用于确定粒子束在材料中的作用的方法被设定。

23.一种辐射规划装置，包括设计或安装用来实施根据权利要求1至21中任一项所述方法的计算单元。

24.一种射线调节装置，其可以使用根据权利要求1至21中任一项所述的方法(200)制造和/或操作，或者使用根据权利要求22生成的辐射规划进行操作。

25.根据权利要求24的射线调节装置，其具有被设计和/或安装用来能够实施根据权利要求1至21中任一项所述的方法(200)的单元，特别是主动型射线调节装置(32)和/或被动型射线调节装置(70)。

26.一种辐射设备，其具有根据权利要求24或25的射线调节装置(10)和/或根据权利要求23的辐射规划装置。

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