随着质子治疗中心数量的增长，人们对可以进行质子放射生物学研究的实验设施的兴趣日益增加。欧洲粒子治疗网络放射生物学小组最近发表的一项调查证实了这一点。动机在于在该领域进行广泛的研究活动。尽管如今已经确立了质子治疗所提供的物理优势即由于布拉格峰分布，提高了剂量释放的选择性，这反映出与光子相比，质子放射生物学的几个方面需要更好地理解。对阐明与粒子辐照有关的生物学机制的兴趣源于进一步提高放射治疗效果的潜力。例如，放射疗法和免疫疗法的结合最近提供了令人鼓舞和令人鼓舞的结果，这引发了涉及粒子辐射的更多研究。该领域的许多专家都支持这样一种想法，即粒子疗法有效性的下一个显着提高将来自开发不同类型的联合疗法。在这种框架下，在研究中心“隔壁”建立研究设施的可能性听起来特别有用。在特伦托质子治疗中心，提供了一个专门用于实验活动的房间，该房间配备了两条质子束线。根据与APSS达成的机构协议，实验室的研究活动由意大利国家核物理研究所的特伦托基础物理和应用研究所进行管理和监督。对设施感兴趣的研究小组可以向TIFPA组织的计划咨询委员会提交研究建议。一条光束线专用于面向物理的研究，范围从探测器测试到太空辐射防护。固定铅笔束已交付使用。第二条光束线专用于放射生物学研究。这需要产生足够大的辐照场，以确保在几平方厘米的面积上传递剂量，且剂量均匀性高于90％。已经设计并实施了适当的无源散射系统。从在空气中测量的光束参数开始，使用双环散射系统获得横向调制，该系统已进行了优化，以便在两种尺寸的场上达到所需的剂量均匀性。使用定制设计的3D调制器执行能量调制，从而产生2.5厘米的扩展扩展布拉格峰。这项工作提出了从两个照射场的实验表征获得的结果。在开源代码的高级示例中，光束线的几何形状已得到完全实现。还介绍了根据实验数据从MC模拟基准获得的结果。
　　 海外医疗网发现，质子束在70个228兆电子伏之间的能量范围可以在1–300nA的范围内调节。光束由回旋加速器加速到最大能量，然后是能量选择系统，该能量选择系统允许将70–228MeV范围内的任何能量传输到治疗门架或治疗室和实验室。低于70MeV的能量可通过位于光束线末端的预吸收器使光束降解而获得，该光束正好位于要照射的目标的上游。实验洞穴入口处的偶极磁体允许将光束切换到两条可用的光束线之一，在此处传送固定的水平笔形光束。空气中笔形束的特性在两个出版物中进行了概述。
　　 在设施中实现的无源散射系统是双环设计的。该系统由产生第一放大的第一散射箔组成在第二个散射元件之后，特征是由环形结构包围的内部圆形区域，这两个元件具有不同的散射能力，但具有相同的水等效厚度。可以优化不同的元素，以便在目标位置获得平坦轮廓。与单散射系统相比，双环设计是可取的，这是因为预期的光束传输效率提高了约3倍。为了优化系统，必须选择初始质子束能量。决定为148MeV质子束设计散射系统，代表质子治疗中使用的典型能量。然后将第一箔片和双环之间的距离以及从光束出射窗到目标位置的距离分别固定为0.5m和1.5m。已经研究148MeV标称能量下的电子束特性。总之空气中的铅笔束在目标位置具有15.24cm的距离具有高斯分布。对光束线元件进行了优化，以便在直径分别约为6和16cm的两个照射场中获得90％以上的剂量均匀性。该尺寸足够大，可以辐照用于放射生物学实验的普通样品。
　　 所得辐射场的表征通过商业检测器进行。用耦合到CCD相机的闪烁屏幕测量目标位置的横向轮廓，分辨率为0.5mm。范围和轮廓的测量是通过将CC01电离室插入水体模中进行的。使用EBT3膜确定表面剂量。由于在剂量范围内具有最高的灵敏度，因此仅在48位RGB图像的红色通道中进行了分析。通过先前的校准，将EBT3薄膜强度转换为剂量值。最后，Mini-Q检测器由整体式和剥离式电离室组成，用于监测传递的束通量。该最后一个检测器被放置在第一片散射箔之后。将有关总发射束通量的信息用于剂量学检查。被动散射线的所有元素的几何形状，在Geant4高级示例Hadrontherapy类中复制了实验设置。根据测量源由质子束组成，质子束起源于束出口窗口，在垂直X和Y方向上分别具有2.5mmsigma的高斯分布和分别在正交X和Y方向上的角发散分别为3.2和3.6mrad。初始束能量设置为147.8MeV，高斯能量散布等于0.8MeV。与148MeV的标称能量相比，该能量略低，这是因为在将束传输到实验室期间发生了较小的束损耗。
　　 剂量和剂量平均线性能量转移通过水体模检测器进行评分，该检测器可以任意细分为切片。具体地，模拟了40×40×40cm3的水体模。将体模分成边缘长度为1mm的立方体素，以比较侧向和深度剂量轮廓。在每种配置中模拟了5×106初级粒子。需要更高的统计量模拟轮廓。在中心±2.5cm区域对平均剂量的LET进行评分，并且波束方向的体素厚度增加到2mm。为了获得统计上稳定的结果，这是必需的。将使用术语LET来表示剂量平均LET。当将其应用于设置1的±3cm中心区域时，在X和Y方向上分别获得98.4％和98.1％的均匀度。对于设置2，在较大区域内评估了均匀性，分别在X和Y方向上达到了97.4％和96.5％。这种较低的均匀性是由于在光束轮廓中观察到小的“波效应”。这是由于内圈和外圈散射的光束分量混合造成的，这种影响在较大的场中更为明显。在任何情况下，两种设置均可获得远远高于要求的90％的均匀度。
　　 模拟的轮廓与测得的轮廓非常吻合，尤其是在油田的中部。两种设置均与实验数据略有偏差，这归因于光束线光学系统的欠佳仿真。但是，这对应于场外照射区域，与这项工作的目的无关。用水幻影设置获取的两种设置的深度-剂量曲线。第一次测得的深度为5.5厘米。这是由于以下事实：在最低深度处，光束必须穿过幻影入口壁和额外的3厘米水隙，并且还要考虑CC01腔室的有效测量点。用Geant4获得的深度-剂量曲线显示出与实验数据的良好匹配。表明用于模拟的初始束能量和能量散布与实际的一致。在Geant4中实现的RM几何的优越性。水体模型的设置也被用来研究不同深度的辐射曲线。最深的轮廓对应于SOBP中间位置。
　　 到目前为止显示的数据还提供了对Geant4仿真中实现的几何形状和梁参数的验证。因此，MC用于计算作为深度函数的2D积分剂量分布。对于安装程序的四种可能配置执行此操作。然后通过现场最大剂量将数据标准化。就可以看到完整的辐照场，显然可以显示出该场变大以增加深度，并提供了可能对放射生物学计划有用的信息实验。剂量分布还显示，由于在水中多次库仑散射，远端边缘弯曲。这表明在野外进行实验时应特别注意，最终应包括使用距离补偿器来减轻这种影响。通过预校准的EBT3膜对两种设置获得的剂量输出进行了研究。将膜放置在照射场的入口处。请求恒定的束电流而针对不同的照射时间获得的重构剂量。这些剂量率符合放射生物学实验的典型需求以及临床情况。在低剂量最大场获得的速率显然是由于质子的初始数量分布在较大区域上。显然，在SOBP的更深处将获得更高的剂量率。在SOBP的中心，剂量率将根据以上显示的峰高比增加。这些数据证实了质子传递数量随传递时间的线性关系。如果执行了初步校准，则通过监测室测量的质子通量可用于检查辐照后实际递送到样品的剂量，该程序目前在辐照中已实现协议。
　　 在对照实验数据进行基准测试之后，还使用了蒙特卡洛模拟来表征与辐照场相关的剂量平均LET分布。将分析限制在包括RM在内的设置，RM是临床放射生物学研究中最相关的配置。LET分布在不同级别进行了研究。在SOBP区域中，LET值在2-4keV/um范围内，而远侧衰减则更高。中间一行报告了两种设置下剂量百分比分布随深度的LET的关系。这是通过查看模拟目标逐个体素获得的。对于每个体素，深度和分数LET分别给出X和Y坐标，而与体素相关的剂量用于填充2D直方图。将直方图通过传递给目标的总剂量标准化。色标指示在给定深度和LET下的剂量贡献百分比。通过从2D直方图中提取给定深度的1D投影获得光谱。每个光谱通过其积分归一化。这意味着每个光谱在给定的LET下都提供百分比剂量贡献。光谱除了显示随着深度向更高的平均LET值逐渐移动外，光谱还显示LET的分布随深度的增加而变宽，从而反映了质子束能量分布的逐渐扩展。这项工作提出的结果总结了建立质子放射生物学新设施的努力。基于相对简单的被动散射设置，能够产生适合进行放射生物学研究的大辐照场。过去已经出于相似的目的提出了该解决方案，从而从易用性，运输效率和剂量学准确性方面展示了双散射设置在放射生物学研究中的适用性。对于在三个不同深度的两个场，在有效照射区域中的剂量均匀性高于约93％。需要大视野和更高均匀度的实验应考虑较小的照射区域。由于回旋加速器的动态范围扩大，可以对剂量率进行微调输出电流。
　　 当前该设置允许基于组织培养瓶或培养皿的使用进行体外实验，其尺寸与照射场一致。借助激光系统，将样品对准目标位置。可以暴露单个样品以及一叠组织瓶。效水材料的堆栈可以用作预吸收器，因此可以选择不同的深度位置沿SOBP进行辐照。该设施配备了培养箱，可在照射前后用于细胞存储。TIFPA研究所可应要求提供一个生物实验室，距离质子治疗中心只有几公里。为了将设备的使用范围扩大到小型动物的辐射。可调塑料准直器可用于将辐照场限制为较小的目标尺寸。完整的辐射设置在Geant4中进行了复制。光束特性和光束线的几何形状已在Hadrontherapy高级示例的源文件中实现，该文件将与Geant4代码一起发布，因此可供外部用户使用。通过同时考虑LET信息，可以规划未来的实验。最终，对于考虑中的给定细胞组织，可以将剂量和LET结合起来以估计特定照射位置的质子RBE。
　　 带电粒子的放射生物学是一个正在发展的领域，特别是由于近年来在新的生物技术发展中所取得的进展。这与质子治疗中心的逐步普及，这也伴随着增加的数量一起进入病状与质子治疗。重要的是，在当地PAC对研究建议进行积极评估之后，外部用户可以访问研究光束线。最后，这项工作中提供的数据还证明了在由一家商业公司建造的临床设施的框架内建立质子放射生物学设施的可能性，并可能成为对放射生物学研究感兴趣的中心的参考。