近日，原子能院核物理研究所在束伽馬研究小組把核物理基礎研究的技術方法拓展應用到核醫學領域，首次提出基于在束伽馬譜學的元素重建算法，相關研究成果發表在國際知名學術期刊、醫學影像領域最受關注的期刊之一——《物理學前沿》的“醫學物理和成像”欄目中，得到了國際同行的高度認可。這是核物理基礎科學研究向醫學應用領域轉化的一次成功實踐，對質子治療有重要的研究意義和應用價值。

在束伽馬研究小組長期致力于在束伽馬譜學技術及相關核結構研究，積累了豐富的在束測譜方法和技術。此次研究小組把在束伽馬譜學技術應用于質子治療中的在束檢測和自適應粒子放療中。

元素含量和物質密度分布計算是醫學影像重建的基礎。研究小組運用在束伽馬譜學元素重建理論解釋了實驗測得的元素濃度與伽馬射線光子數量之間存在的線性關系，并首次詳細闡述和論證了氫元素因中子吸收反應而產生的非線性關系。通過建立數學模型和數學方法求解元素含量的方式，最終確定了材料的密度范圍。在算法的初步驗證過程階段，為增強材料選擇的靈活性，研究小組采用蒙特卡洛方法，選用有機玻璃、戊二醇和乙醇三種材料進行模擬，并通過可提高運算效率的云計算完成所有計算。算法結果顯示，碳氧元素含量誤差小于4%，密度誤差小于3.5%，驗證了該算法在重建元素含量和密度上的有效性。

在束伽馬譜學的元素重建算法原理示意圖

射程和劑量不確定性研究是質子重離子治療領域的前沿熱點課題。在束伽馬譜學的元素重建算法不僅可廣泛用于質子重離子治療、硼中子治療等多個應用場景，為質子重離子治療擦亮“雙眼”、錨定目標對象，向患者提供更精準、更具有針對性的治療，還將成為連接在束伽馬譜學和醫學成像之間的一座橋梁，為質子重離子治療在線醫學監測設備開發，實現真正的自適應放療，奠定堅實的理論和數學算法基礎。

論文第一作者和通訊作者均為核物理所博士研究生汪金龍，廣州泰和腫瘤醫院教授李左峰、蘭州大學教授黑大千和醫科達醫療器械公司物理系統總監Andrii Rusanov博士等國內外核醫學領域專家對該論文提供了重要支持和幫助。