原子能院核物理基础研究在医学应用领域取得新成果

近日，原子能院核物理研究所在束伽马研究小组把核物理基础研究的技术方法拓展应用到核医学领域，首次提出基于在束伽马谱学的元素重建算法，相关研究成果发表在国际知名学术期刊、医学影像领域最受关注的期刊之一——《物理学前沿》的“医学物理和成像”栏目中，得到了国际同行的高度认可。这是核物理基础科学研究向医学应用领域转化的一次成功实践，对质子治疗有重要的研究意义和应用价值。

在束伽马研究小组长期致力于在束伽马谱学技术及相关核结构研究，积累了丰富的在束测谱方法和技术。此次研究小组把在束伽马谱学技术应用于质子治疗中的在束检测和自适应粒子放疗中。

元素含量和物质密度分布计算是医学影像重建的基础。研究小组运用在束伽马谱学元素重建理论解释了实验测得的元素浓度与伽马射线光子数量之间存在的线性关系，并首次详细阐述和论证了氢元素因中子吸收反应而产生的非线性关系。通过建立数学模型和数学方法求解元素含量的方式，最终确定了材料的密度范围。在算法的初步验证过程阶段，为增强材料选择的灵活性，研究小组采用蒙特卡洛方法，选用有机玻璃、戊二醇和乙醇三种材料进行模拟，并通过可提高运算效率的云计算完成所有计算。算法结果显示，碳氧元素含量误差小于4%，密度误差小于3.5%，验证了该算法在重建元素含量和密度上的有效性。

在束伽马谱学的元素重建算法原理示意图

射程和剂量不确定性研究是质子重离子治疗领域的前沿热点课题。在束伽马谱学的元素重建算法不仅可广泛用于质子重离子治疗、硼中子治疗等多个应用场景，为质子重离子治疗擦亮“双眼”、锚定目标对象，向患者提供更精准、更具有针对性的治疗，还将成为连接在束伽马谱学和医学成像之间的一座桥梁，为质子重离子治疗在线医学监测设备开发，实现真正的自适应放疗，奠定坚实的理论和数学算法基础。

论文第一作者和通讯作者均为核物理所博士研究生汪金龙，广州泰和肿瘤医院教授李左峰、兰州大学教授黑大千和医科达医疗器械公司物理系统总监Andrii Rusanov博士等国内外核医学领域专家对该论文提供了重要支持和帮助。