在肿瘤的放射治疗中,离子射线因其较高传能线密度从而具备较强的相对生物效应,能够斩断DNA双链,可以更有效地对辐射不敏感的肿瘤进行治疗。点扫描技术能够让靶区的剂量分布更加适形,然而相对尖锐的布拉格峰（Bragg Peak,BP）成为了影响治疗效率的重要因素。针对碳离子束流,目前临床上主要应用波纹滤波器（Ripple Filter,RiFi）来展宽BP,但是使用RiFi展宽后的碳离子束流需要输运较长的距离才能实现均匀,并且会使等中心束斑大小增加。为解决RiFi带来的问题,国际学者提出了使用多孔隙材料（如泡沫、海绵、肺代替物等）展宽BP的方法,它能够在展宽BP的同时保证束流的短距离均匀性,此外,在相同的射程深度下,多孔隙材料能够减小等中心束斑大小,以更好的保护靶区两侧的正常组织。然而,多孔隙材料尚未应用于临床,与之相关的研究也相对较少,其束流调制特性需要进行深入全面的评估。本文以碳离子束流在调制前后的各项参数作为研究对象,用实验与模拟相结合的研究方法评估了多孔隙材料展宽BP的能力及其临床应用的可行性。主要研究内容包括:基于上海市质子重离子医院（Shanghai Proton and Heavy Ion Center,SPHIC）的治疗头结构与碳离子束流参数,使用蒙特卡罗（Monte Carlo,MC）程序FLUKA建立了碳离子束流模型,为后续的模拟工作奠定了基础;分析了碳离子束流不对称性对靶区内剂量分布的影响,为后续实验工作的束流参数选取提供了参考。使用纳米矿晶颗粒制作原始多孔隙材料（Original Porous Material,OPM）并进行了相关实验,在相似的BP展宽效果下,比较了分别使用OPM和第二代波纹滤波器（2D-RiFi）展宽后的其他束流参数,如后沿半影宽度（Distal Falloff Width,DFW）、束斑大小（以半高宽表示,Full Width Half Maximum,FWHM）等;通过改变束流在OPM上的入射点,得到了不同入射点下束流参数的差异。使用FLUKA建立了原始多孔隙结构体（Original Porous Structure,OPS）的二元体素模型（Binary Voxel Model,BVM）来模拟OPM;针对其不足之处,提出了相应的优化方法并设计了一种用于展宽BP的嵌入式多孔隙结构体（Porous Structure with Plug-ins,PSP）,也将其以BVM的形式描述于FLUKA中;通过比较展宽效果、横向散射、束流均匀性以及展宽效果稳定性等特性,对PSP的性能评估,验证了其临床应用的可行性。主要研究结果包括:相较于临床使用的2D-RiFi与射程位移器的组合,使用OPM展宽后的碳离子等中心束斑最多减小了2.39 mm（35.3%）;质子等中心束斑最多减小了5.11mm（34.5%）。但在相似的展宽程度下,使用OPM展宽后的234.05 Me V/u碳离子束流DFW相较于2D-RiFi增加了2.04 mm（73.9%）;OPM上不同入射点的展宽效果与中心点差异最大为2.06 mm（40.9%）。相似的展宽程度下,234.05 Me V/u的碳离子束流经PSP展宽后的DFW较OPS减小了0.89 mm（46.1%）;不同能量下,DFW减小量最多能够达到1.01mm（54.3%）。横向散射方面,经过PSP展宽后的束流束斑大小最多减小了1.72 mm。束流均匀性方面,经PSP展宽后的150 Me V/u碳离子束流表现出来的横向平坦度与原始束流的差异为0.02%。稳定性方面,当束流经过20个体素时,在碳离子束流的束斑大小不小于6 mm的情况下,可以保证束流深度剂量分布曲线上各参数差异在0.1 mm之内。本文的创新点在于,提出了基于OPS的结构优化方法,与之相比,应用该方法设计出来PSP能够使展宽后的碳离子束流DFW大幅减小,从而提高束流品质。通过本文的研究,能够归纳出如下结论:1)在相同BP展宽效果与相同的射程深度下,使用OPM造成的等中心束斑尺寸明显小于RiFi。2)使用OPM展宽后的碳离子束流DFW明显大于RiFi,且展宽效果不稳定。3)在相同BP展宽效果与相同的射程深度下,与RiFi相比,PSP能够降低展宽后碳离子束流DFW,并且使等中心束斑明显减小,同时保证调制后束流的短距离均匀性;PSP能够在初始束斑尺寸≥6 mm时保证束流展宽效果的稳定性。4)PSP表现出了优于临床使用的RiFi的束流调制能力,具有临床应用的可行性。