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本文模拟计算采用的蒙特卡罗软件Gate (GEANT4 Application for Tomographic Emission),是基于高能物理学常用的蒙特卡罗软件GEANT4开发的用于辐射层析成像系统与模拟放射治疗过程的一款软件[15]。本文采用GATE v8.2/GEANT4-10-05-patch-01模拟平台,物理过程调用QGSP_BERT_HP_EMY强子物理模拟包,该物理过程被广泛地应用在辐射防护及生物医学的蒙特卡罗模拟计算中。
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本文模拟的HIMM被动式束流配送系统如图1所示。碳离子束的能量为400 MeV/u,纵向上利用脊形过滤器将单能束流的Bragg峰展宽6 cm,形成展宽的Bragg峰(SOBP),横向上通过扫描磁铁对束流进行均匀扫描,横向扩展为20 cm×20 cm的方形照射野。其中脊形过滤器(RF)材料为铝,密度为2.7 g/cm3;MLC最大开野尺寸为30 cm×30 cm,在本文的蒙特卡罗模拟计算时MLC开野设为10 cm×10 cm;叶片厚度根据所选用的材料而定,取400 MeV/u碳离子在该材料内的射程的2倍再加1 cm,模拟计算所选用MLC叶片材料的厚度及其性质如表1所列。为简化模拟,真空膜窗、初级准直器、射程移位器、补偿器、剂量探测器及束流位置探测器均设为空。在等中心位置放置一个大小为20 cm×20 cm×30 cm长方体水模体,模拟粒子数为107,使用服务器工作站上的CPU(Intel® Xeon® CPU E5-2690 V3 @2.60 GHz×48,OS:Scientific Linux release 7.6)进行模拟计算。
MLC叶片
材料名称质量分数 密度/
(g/cm3)MLC叶片
厚度/cmMLC叶片
材料名称质量分数 密度/
(g/cm3)MLC叶片
厚度/cmAl 100% 2.70 27.0 H96 Cu-59% Zn-41% 8.85 10.2 Fe 100% 7.87 11.0 WCu1 W-50% Cu-50% 12.25 8.32 Ni 100% 8.90 9.6 WCu2 W-55% Cu-45% 12.71 8.14 Cu 100% 8.96 10.0 WCu3 W-60% Cu-40% 13.22 7.96 W 100% 19.30 6.24 WCu4 W-65% Cu-35% 13.76 7.76 H59 Cu-59% Zn-41% 8.40 10.6 WCu5 W-70% Cu-30% 14.36 7.56 H62 Cu-62% Zn-38% 8.50 10.4 WCu6 W-75% Cu-25% 15.00 7.36 H68 Cu-68% Zn-32% 8.50 10.4 WCu7 W-80% Cu-20% 15.70 7.14 H80 Cu-80% Zn-20% 8.66 10.4 WCu8 W-85% Cu-15% 16.48 6.92 H85 Cu-85% Zn-15% 8.70 10.2 WCu9 W-90% Cu-10% 17.34 6.70 H90 Cu-90% Zn-10% 8.73 10.2 SS304 Fe-69.5%Cr-19
Ni-9.5%Mn-2%7.92 10.8 -
束流从真空窗出射,穿过RF后照射在MLC上后形成10 cm×10 cm的射野,该射野照射在水模体上与水相互作用沉积能量,超出MLC射野构形外的束流被MLC叶片阻挡,被阻挡的束流照射在MLC叶片上产生次级粒子。次级粒子具有一定的能量和强度,利用水模体内绑定的剂量探测器探测次级粒子在水模体中沉积的能量,从而判断模拟所用的金属材料作为MLC叶片材料时产生的次级粒子。
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当选用不同的金属材料作为MLC叶片材料时,碳离子照射到MLC叶片材料产生的次级中子与γ射线在水模体中沉积的剂量与空间分布等都有很大的区别。为了比较不同类型的辐射引起的生物效应,评估次级粒子在水模体中沉积的剂量对于靶区周围正常组织及器官造成的损伤,需要将水模体中次级中子与γ射线沉积的吸收剂量转化为当量剂量进行统一比较,当量剂量的计算公式为:
$${H_{{\rm{T,R}}}} = {W_{\rm{R}}}{D_{{\rm{T,R}}}} ,$$ (1) 其中:HT,R为R类辐射在组织器官(T)中所致的当量剂量;DT,R为R类辐射在组织或器官(T)中所致的平均吸收剂量;WR是R类辐射的辐射权重因数。
考虑到多种类型和能量的射线,总的当量剂量HT为
$${H_{\rm{T}}} = \mathop \sum \limits_{\rm{R}} {W_{\rm{R}}}{D_{{\rm{T,R}}}}{ \text{ 。}}$$ (2) 由于高能碳离子束照射到不同材料的MLC叶片上会产生不同能量的次级中子和
$\gamma $ 射线,因此必须得到不同能量次级粒子沉积的剂量,再借助于公式(1)将吸收剂量转化为当量剂量,最后利用式(2)计算次级粒子总的当量剂量,其中WR取值可参考表2。表 2 辐射权重因数WR
辐射类型 能量范围 WR 光子 所有能量 1 电子和μ介子 所有能量 1 中子 < 10 keV 5 10 keV~100 keV 10 100 keV~2 MeV 20 2 MeV~20 MeV 5 20 MeV 5 $\alpha $粒子,裂变碎片,重核 所有能量 20 根据表2所提供的辐射权重因数与式(1),可计算得到不同材料的MLC叶片产生的次级中子与
$\gamma $ 射线在水模体中沉积的当量剂量。$\gamma $ 射线的辐射权重因数为1,适用于所有能量的次级$\gamma $ 射线,所以不需要在计算时考虑具有不同能量次级$\gamma $ 射线沉积的吸收剂量。但是,对于不同能量的次级中子,需根据式(1)与表2中对应的辐射权重因数计算得到次级中子沉积在水模体中的当量剂量。最终利用式(2)将两种次级粒子的当量剂量相加,得到所有次级粒子在水模体中沉积的总当量剂量。 -
图2是400 MeV/u碳离子束经所模拟的束流配送系统后在水模体中的剂量分布结果。从图中可以看出,碳离子束穿过RF照射在由叶片构形射野的MLC上后,在水模体中纵向上形成展宽6 cm的SOBP,入射水模体表面处横向上形成10 cm×10 cm的射野。
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图3是400 MeV/u碳离子束照射不同材料的MLC叶片形成射野时,产生的次级
$\gamma $ 射线在水模体中的深度积分剂量分布(图3中的W均指钨材料)。可以看到,不同的MLC叶片材料产生的次级$\gamma $ 射线在水模体中沉积的剂量非常相近,其中钨和钨铜合金材料作为MLC叶片材料时产生次级$\gamma $ 射线较少。并且次级$\gamma $ 射线沉积的剂量主要集中于射野在水模体中贯穿时的坪区。Al、Ni、Fe、Cu与不同含量的铜锌合金产生的次级$\gamma $ 射线沉积的剂量非常相近从图中无法直接比较,具体差异将在3.2节中定量分析。图4是由不同材料叶片的MLC对400 MeV/u碳离子束照射形成射野时,产生的次级中子在水模体中的深度积分剂量分布(图4中左右两幅图中的W均指钨材料)。可以看到,不同MLC叶片材料产生的次级中子在水模体中沉积的剂量,随着MLC叶片材料原子序数的增高逐渐增多。并且次级粒子在水模体沉积的剂量,主要集中于射野穿过水模体时的入射端。在模拟的材料中Al产生的次级中子最少,W产生的次级中子最多。钨铜合金产生的次级中子沉积的剂量随着钨含量的增加也逐渐增加。
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图5是由不同材料叶片的MLC对400 MeV/u碳离子束照射形成射野时,产生的次级
$\gamma $ 射线在水模体中沉积的二维相对剂量分布。可以看到,不同的MLC叶片材料产生的次级$\gamma $ 射线在水模体中沉积的剂量分布比较均匀,且较多分布在SOBP射野在水模体中贯穿时的坪区。钨与钨铜合金材料比其他材料产生的次级$\gamma $ 射线,在水模体中沉积的剂量要少。不同比例的钨铜合金材料之间产生的次级$\gamma $ 射线,在水模体中的分布相差不大。图6是由不同材料叶片的MLC对400 MeV/u碳离子束照射形成射野时,产生的次级中子在水模体中沉积的二维相对剂量分布。可以看到,随着MLC叶片材料原子序数逐渐增加,其产生的次级中子在水模体中沉积的剂量也在不断增加,与其他材料相比,钨材料与钨铜合金材料产生的次级中子在水模体中沉积的剂量更多,且由于次级中子与水发生弹性散射与非弹性散射作用,使得次级中子较多分布在离子束在水模体中贯穿时的入射端。
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根据2.4节中次级粒子当量剂量的计算方法可计算得到,当模拟粒子数为107时,不同MLC叶片材料产生的次级中子与次级
$ \gamma$ 射线在水模体中沉积的平均当量剂量。但是在模拟粒子数为107时,400 MeV/u碳离子束经RF形成的SOBP处的生物剂量并未达到临床治疗情况下典型的处方剂量(如4 Gy(RBE))。为了给出临床治疗相关情况下不同MLC叶片材料产生的次级粒子在水模体中沉积的平均当量剂量,本文计算了当SOBP的生物剂量达到4 Gy(RBE)时(即SOBP中点的物理吸收剂量为2.38 Gy),次级粒子在水模体中沉积的平均当量剂量。当SOBP的生物剂量为4 Gy(RBE)时,不同MLC叶片材料产生的次级粒子在水模体中沉积的平均当量剂量如表3所列。表 3 当SOBP的生物剂量为4 Gy(RBE)时不同MLC叶片材料产生的次级粒子在水模体中沉积的平均当量剂量
MLC叶片
材料中子平均当量
剂量/(10–4 Sv)$\gamma $射线平均当量
剂量/(10–5 Sv)次级粒子平均当量
剂量/(10–4 Sv)MLC叶片
材料中子平均当量
剂量/(10–4 Sv)$\gamma $射线平均当量
剂量/(10–5 Sv)次级粒子平均当量
剂量/(10–4 Sv)Al 2.106 0 4.478 3 2.553 8 SS304 2.376 7 4.464 2 2.823 1 Fe 2.371 2 4.482 5 2.819 4 WCu1 2.961 6 4.323 3 3.394 0 Ni 2.258 6 4.378 3 2.696 4 WCu2 3.012 0 4.310 0 3.443 0 Cu 2.521 5 4.500 8 2.971 6 WCu3 3.067 4 4.296 7 3.497 1 H59 2.486 1 4.491 7 2.935 2 WCu4 3.124 3 4.287 5 3.552 9 H62 2.495 2 4.505 0 2.945 7 WCu5 3.186 0 4.278 3 3.613 8 H68 2.500 7 4.505 0 2.951 2 WCu6 3.250 0 4.269 2 3.676 9 H80 2.511 6 4.496 7 2.961 3 WCu7 3.305 9 4.241 7 3.730 1 H85 2.519 7 4.510 0 2.970 8 WCu8 3.391 3 4.224 2 3.813 7 H90 2.521 1 4.505 0 2.971 6 WCu9 3.452 6 4.219 2 3.874 5 H96 2.524 8 4.514 2 2.976 2 W 3.627 9 4.187 5 4.046 7 由表1与表3中的数据可得到不同MLC叶片材料的厚度与产生的次级粒子在水模体中沉积的平均当量剂量分布,如图7所示。图7(a)显示,不同密度与种类的金属作为MLC叶片材料时所需要的厚度差别很大,其中Al、Fe、Ni、Cu及铜锌合金作为MLC叶片材料时,所需的厚度基本都处于10 cm左右(Al厚度27 cm,图中未画出),而钨铜合金与钨材料作为MLC叶片材料时,厚度从6.5~8.6 cm变化。图7(b)显示,Al、Fe、Ni、Cu及铜锌合金作为MLC叶片材料时,产生的次级粒子在水模体中沉积的平均当量剂量较小。钨铜合金与钨材料比其他金属材料产生更多的次级粒子平均当量剂量,且随着钨铜合金中钨含量的增加,产生的次级粒子平均当量剂量也在逐渐增加。
Study on the Secondary Particles Produced in Different Material Leaves of Multi-leaf Collimator under Carbon Ion Irradiation
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摘要: 在碳离子放射治疗中,碳离子束与治疗头设备和患者身体相互作用产生的次级粒子可以到达患者体内的许多区域,在产生的次级粒子中以中子和
$\gamma $ 射线的产额为最大。在不影响束流配送功能的情况下,减少碳离子放疗中产生的次级中子和$\gamma $ 射线对于降低放疗后出现的正常组织并发症及二次肿瘤风险有着非常重要的意义。本文利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法模拟计算了被动式束流配送系统下,400 MeV/u碳离子束照射到由不同材料叶片构成的多叶光栅(MLC)形成典型的10 cm×10 cm方形射野时,在水模体中产生的次级中子和$\gamma $ 射线所沉积的剂量及空间分布等。模拟结果显示:碳离子束通过MLC形成射野后在水模体中产生的次级中子主要分布在水模体的入射端,次级$\gamma $ 射线较为均匀的分布在整个水模体内,且较多分布在具有展宽Bragg峰(SOBP)射野在水模体中贯穿时的坪区。对于MLC叶片材料的选择,则需根据实际情况对叶片厚度以及次级粒子当量剂量的要求来确定。本文通过模拟研究不同MLC叶片材料产生次级粒子的情况,为被动式束流配送系统中MLC叶片及其他元件的材料选择提供了科学依据。Abstract: In carbon ion radiotherapy, secondary particles produced through the interaction of carbon ion beam with the treatment head devices and the patient's body can reach many areas in the patient's body. Among the secondary particles, the yield of neutrons and$\gamma $ -rays is largest. Without affecting the beam delivery function, reducing secondary neutrons and$\gamma $ -rays produced in carbon ion radiotherapy is very important to decrease the normal tissue complications and secondary cancer risk after radiotherapy. In the present work, the Monte Carlo method was used to calculate the dose and spatial distributions of secondary neutrons and$\gamma $ -rays deposited in water when multi-leaf collimators (MLC) made from different material leaves were adopted to form a typical 10 cm×10 cm square irradiation field for 400 MeV/u carbon ion beam. The simulation results showed that the secondary neutrons produced were mainly distributed at the incident end in the water phantom when the carbon ion beam passed through the MLC, while the secondary$\gamma $ -rays were uniformly distributed in the entire water phantom and more dose of the secondary$\gamma $ -rays appeared in the plateau when the irradiation field with spread-out Bragg peak (SOBP) travelled in the water phantom. The selection of MLC leaves should be determined according to the actual conditions of MLC leaves thickness and secondary particle equivalent dose requirements. The simulation study presented in this paper provides scientific evidence for the material selection of MLC leaves and other components in carbon ion radiotherapy using passive beam delivery system. -
MLC叶片
材料名称质量分数 密度/
(g/cm3)MLC叶片
厚度/cmMLC叶片
材料名称质量分数 密度/
(g/cm3)MLC叶片
厚度/cmAl 100% 2.70 27.0 H96 Cu-59% Zn-41% 8.85 10.2 Fe 100% 7.87 11.0 WCu1 W-50% Cu-50% 12.25 8.32 Ni 100% 8.90 9.6 WCu2 W-55% Cu-45% 12.71 8.14 Cu 100% 8.96 10.0 WCu3 W-60% Cu-40% 13.22 7.96 W 100% 19.30 6.24 WCu4 W-65% Cu-35% 13.76 7.76 H59 Cu-59% Zn-41% 8.40 10.6 WCu5 W-70% Cu-30% 14.36 7.56 H62 Cu-62% Zn-38% 8.50 10.4 WCu6 W-75% Cu-25% 15.00 7.36 H68 Cu-68% Zn-32% 8.50 10.4 WCu7 W-80% Cu-20% 15.70 7.14 H80 Cu-80% Zn-20% 8.66 10.4 WCu8 W-85% Cu-15% 16.48 6.92 H85 Cu-85% Zn-15% 8.70 10.2 WCu9 W-90% Cu-10% 17.34 6.70 H90 Cu-90% Zn-10% 8.73 10.2 SS304 Fe-69.5%Cr-19
Ni-9.5%Mn-2%7.92 10.8 表 2 辐射权重因数WR
辐射类型 能量范围 WR 光子 所有能量 1 电子和μ介子 所有能量 1 中子 < 10 keV 5 10 keV~100 keV 10 100 keV~2 MeV 20 2 MeV~20 MeV 5 20 MeV 5 $\alpha $ 粒子,裂变碎片,重核所有能量 20 表 3 当SOBP的生物剂量为4 Gy(RBE)时不同MLC叶片材料产生的次级粒子在水模体中沉积的平均当量剂量
MLC叶片
材料中子平均当量
剂量/(10–4 Sv)$\gamma $ 射线平均当量
剂量/(10–5 Sv)次级粒子平均当量
剂量/(10–4 Sv)MLC叶片
材料中子平均当量
剂量/(10–4 Sv)$\gamma $ 射线平均当量
剂量/(10–5 Sv)次级粒子平均当量
剂量/(10–4 Sv)Al 2.106 0 4.478 3 2.553 8 SS304 2.376 7 4.464 2 2.823 1 Fe 2.371 2 4.482 5 2.819 4 WCu1 2.961 6 4.323 3 3.394 0 Ni 2.258 6 4.378 3 2.696 4 WCu2 3.012 0 4.310 0 3.443 0 Cu 2.521 5 4.500 8 2.971 6 WCu3 3.067 4 4.296 7 3.497 1 H59 2.486 1 4.491 7 2.935 2 WCu4 3.124 3 4.287 5 3.552 9 H62 2.495 2 4.505 0 2.945 7 WCu5 3.186 0 4.278 3 3.613 8 H68 2.500 7 4.505 0 2.951 2 WCu6 3.250 0 4.269 2 3.676 9 H80 2.511 6 4.496 7 2.961 3 WCu7 3.305 9 4.241 7 3.730 1 H85 2.519 7 4.510 0 2.970 8 WCu8 3.391 3 4.224 2 3.813 7 H90 2.521 1 4.505 0 2.971 6 WCu9 3.452 6 4.219 2 3.874 5 H96 2.524 8 4.514 2 2.976 2 W 3.627 9 4.187 5 4.046 7 -
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