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由本文蒙特卡罗模拟计算得到能量在100~400 MeV/u的碳离子束在Cu、Al、Fe和PMMA等材料中Bragg峰位所处的深度结果如表1所列。从表中结果可以看到,400 MeV/u的碳离子束在PMMA中Bragg峰位较深(大于20 cm),制作楔形板时需要短边的尺寸较长。我国目前铁、铜、铝矿产资源紧缺[10],资源再利用的方式提高铜、铁和铝的产量[11],综合考虑,本文对单楔板的模拟选择铜材料,对双楔板和组合楔板的模拟选择铝材料。
表 1 不同能量碳离子束在不同材料中Bragg峰位所处的深度(cm)
材料 深度/cm 400 MeV/u 350 MeV/u 300 MeV/u 250 MeV/u 200 MeV/u 150 MeV/u 100 MeV/u Cu 4.6 3.7 2.9 2.1 1.5 0.9 0.4 Al 13.0 10.5 8.2 6.0 4.1 2.5 1.2 Fe 5.0 4.1 3.2 2.3 1.6 1.0 0.5 PMMA 23.7 19.1 15.0 10.9 7.5 4.5 2.2 -
在单楔板情况下,能量范围为100~400 MeV/u、能量间隔为50 MeV/u的碳离子束穿越铜单楔板后,照射到水模体表面的横向(即图1中的Y轴方向)剂量分布如图2所示,图中横坐标Y为横向尺寸,纵坐标D/Dm为剂量/最大剂量。由图可知,水模体表面横向剂量分布峰值出现位置与Y轴负方向10 cm处(即模体边缘位置)的距离分别是4, 15, 34, 58, 85, 113, 144 mm。
双楔板分为背楔板和对楔板两种情况,能量范围为150~400 MeV/u、能量间隔为50 MeV/u的碳离子束,分别穿越对楔板和背楔板后,照射到水模体表面(即图1(a)和(b)中红色箭头处的平面,位于X-Y轴方向并与双楔板距离最近),表面横向(即图1中的Y轴方向)剂量分布如图3和图4所示。对楔板情况下,水模体表面横向剂量分布出现两个峰值,两个剂量峰值出现位置与Y轴负方向15 cm处(即模体边缘位置)的距离分别是(136 mm, 166 mm)、(118 mm, 184 mm)、(95 mm, 205 mm)、(72 mm, 230 mm)、(46 mm, 254 mm)和(18 mm, 283 mm)处,双峰值之间的距离分别为30, 66, 110, 158, 208和265 mm;背楔板情况下,水模体表面横向剂量分布同样出现两个峰值,两个剂量峰值出现位置与Y轴负方向15 cm处(即模体边缘)的距离分别是(4 mm, 297 mm)、(19 mm, 280 mm)、(41 mm, 260 mm)、(64 mm, 236 mm)、(91 mm, 209 mm)和(119 mm, 180 mm)处,双峰值之间的距离分别为293, 261, 219, 172, 118和61 mm。
单楔板情况下,水模体表面横向剂量分布峰值出现位置与最低边之间的距离、以及对楔板和背楔板情况下横向剂量分布峰值间距与不同能量的关系如图5所示。由图可知,铜单楔板情况下,横向剂量分布峰值出现位置与最低边的间距(
$ {Y}_{\mathrm{m}}{\text -}{Y}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}} $ )与碳离子能量之间单调递增;对楔板情况下,横向剂量分布双峰值间距($ {Y}_{\mathrm{m}1}{\text -} $ $ {Y}_{\mathrm{m}2} $ )与碳离子能量之间也单调递增;背楔板情况下,横向剂量分布双峰值间距($ {Y}_{\mathrm{m}1}{\text -}{Y}_{\mathrm{m}2} $ )与碳离子能量之间单调递减。考虑单楔板易出现误差,故采用双楔板将纵向剂量分布转换为横向剂量分布,统计双峰值间距,可提高束流射程验证的准确度,减小误差。将不同能量碳离子束在铝中Bragg峰位所处的深度分别与对楔板、背楔板情况下横向剂量分布双峰值间距进行线性拟合,结果如图6所示,线性回归决定系数
$ {R}^{2} $ (又称拟合优度)分别为0.999 89和0.999 37,误差分别为0.011%和0.063%。因此,在对楔板、背楔板情况下,不同能量碳离子穿越楔形装置后横向剂量分布双峰值间距与对应能量碳离子束在铝中Bragg峰位所处深度成线性关系。在大小组合楔板情况下,能量范围为50~400 MeV/u,能量间隔为50 MeV/u的碳离子束,分别穿越分模体一和分模体二后,照射到水模体表面(即图1(c)中红色箭头处的平面,位于X-Y轴方向并与大小组合楔板距离最近)。分模体一情况下,水模体表面横向剂量分布峰值出现位置与Y轴负方向10 cm处(即模体边缘)的距离分别是149, 2, 12, 37.5, 68, 102, 139和179.5 mm;分模体二情况下,水模体表面碳离子横向剂量分布峰值出现位置与Y轴负方向10.5 cm处(即模体边缘)的距离分别是52.5, 199, 187.5, 163.5, 131, 100, 60和20.5 mm。分模体一和分模体二合并后形成大小组合楔板,不同能量碳离子束穿越大小组合楔板后,照射到水模体表面,表面横向(即图1中的Y轴方向)剂量分布如图7所示,横向剂量分布双峰值间距分别为51.5, 197, 175, 126, 67.5, 2, 78.5和159.5 mm。
根据以上大小组合楔板的模拟结果,能量在50和100 MeV/u的碳离子束与能量在150, 200, 250, 300, 350和400 MeV/u的碳离子束的情况不同。能量较小时,两个小楔板起主要作用,保证低能量碳离子束通过大小组合楔板后出现明显的横向剂量分布峰值的位置;两个大楔板可以保证能量范围为150~400 MeV/u,能量间隔为50 MeV/u的碳离子束通过楔形装置后有横向剂量分布峰值间距,后续模拟结果分析以两个大楔板为分析对象。
分模体一、分模体二情况下,水模体表面横向剂量分布峰值出现位置与模体边缘的间距以及二者合并后大小组合楔板情况下,横向剂量分布峰值间距与不同能量的关系如图8所示。分模体一情况下,水模体表面横向剂量分布峰值出现位置与模体边缘的间距与碳离子束能量之间的关系呈单调递增;分模体二情况下,水模体表面横向剂量分布峰值出现位置与模体边缘的间距与碳离子能量之间的关系呈单调递减。将分模体一和分模体二合并成大小组合楔板,横向剂量分布双峰值间距与碳离子束能量近似成V字型关系。
将不同能量碳离子束在铝中Bragg峰位所处的深度分别与分模体一、分模体二情况下水模体表面横向剂量分布峰值出现位置与模体边缘的间距进行线性拟合,二者合并形成大小组合楔板情况下,碳离子束在铝中Bragg峰位所处的深度与与碳离子束穿越大小组合楔板后的横向剂量分布双峰值间距进行统计如图9所示,分模体一和二的情况下,
$ {R}^{2} $ 分别为0.999 95和0.999 33,误差分别为0.005%和0.067%。因此,水模体表面横向剂量分布峰值出现位置与模体边缘的间距与碳离子束在铝中Bragg峰位所处的深度成线性关系。二者合并后近似成V字型关系。 -
通过本文的模拟计算可以看到,利用双楔装置统计模体表面横向剂量分布出现两个峰值之间的距离,与碳离子束Bragg峰位所处深度进行拟合后成线性关系;大小组合楔形装置中模体表面横向剂量分布出现两个峰值之间的距离与碳离子束Bragg峰位所处深度也成线性关系。由于横向剂量分布双峰值间距和碳离子束Bragg峰位所处深度都与碳离子束能量成高斯非线性关系,相同能量下双峰值间距与Bragg峰位所处深度成线性关系,故可采用以上楔形装置将碳离子束纵向上的深度剂量分布转化成横向剂量分布,然后采用探测器对横向剂量分布进行测量,通过本文模拟得到横向剂量峰位与能量之间的关系,快速对碳离子束的射程进行验证,提高重离子治疗当中束流射程QA验证的效率。当然,这些关系还需要通过实验测量做进一步的确认。
在本文模拟计算的基础之上,接下来我们会结合不同探测手段构建一套快速进行碳离子束射程QA验证的测量装置,并通过实验测量,为重离子治疗当中束流射程QA验证提供有效的方法和技术手段。
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摘要: 可通过楔形装置把离子束(质子和重离子)纵向上的的深度剂量分布转换成横向上的剂量分布,进行离子束射程的快速测量及验证。本工作通过基于GEANT4内核的GATE蒙特卡罗模拟平台,模拟计算了不同能量碳离子束在用于制作楔形装置的铜、铝、铁和有机玻璃等材料中的深度剂量分布,得到不同能量碳离子束在不同材料中Bragg峰位所处深度与能量之间的关系;模拟计算了不同能量碳离子束穿越单楔板、双楔板和大小组合楔板等楔形装置后横向上的剂量分布,得到了横向剂量峰值出现位置与碳离子束射程之间的关系。本文蒙特卡罗模拟研究为进一步开发重离子治疗当中的射程快速验证方法与设备奠定了坚实的基础。Abstract: The depth dose distribution of an ion beam (protons and heavy ions) in the longitudinal direction can be converted into a lateral dose profile via wedge devices for rapid measurement and verification on the range of the ion beam. In this work, the GEANT4 kernel-based GATE Monte Carlo simulation platform was used to calculate the depth dose distributions of various energy carbon-ion beams in materials of copper (Cu), aluminum (Al), iron (Fe) and polymethyl methacrylate (PMMA), which are usually applied to make wedge devices. The relationships between the beam energy and corresponding penetration depth of the Bragg peak position for the carbon ion beams in the various materials were obtained. The lateral dose profiles of carbon ion beams with different energies passing through a single wedge plate, a double wedge plate, and a large and small combined wedge plate were simulated and calculated under different configurations. Therefore, the relationships between the position of the peak of lateral dose and the beam range for the various energy carbon ion beams were acquired. Thus, our Monte Carlo simulations provided a substantial basis for further development of rapid range verification methods and devices in heavy ion therapy.
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表 1 不同能量碳离子束在不同材料中Bragg峰位所处的深度(cm)
材料 深度/cm 400 MeV/u 350 MeV/u 300 MeV/u 250 MeV/u 200 MeV/u 150 MeV/u 100 MeV/u Cu 4.6 3.7 2.9 2.1 1.5 0.9 0.4 Al 13.0 10.5 8.2 6.0 4.1 2.5 1.2 Fe 5.0 4.1 3.2 2.3 1.6 1.0 0.5 PMMA 23.7 19.1 15.0 10.9 7.5 4.5 2.2 -
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