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中国科学院近代物理研究所与兰州科近泰基股份有限公司合作自主研发了中国首台医用重离子加速器示范装置(型号:HIMM-01-GS-WW-01)[20],其共有4个治疗终端,分别采用主动式与被动式两种束流配送方式;4个治疗终端分别从水平、垂直、水平+垂直、45°倾斜的不同方向进行治疗;在治疗终端等中心处的剂量率为0.001~1 Gy/s;在人体组织中的最大治疗深度为27 cm,可进行全体位照射治疗[21]。
本文模拟的HIMM 2号室被动式束流配送系统如图1所示[6]。束流通过扫描磁铁扫描在横向上扩展为15 cm×15 cm的方形照射野;穿过真空窗(a)后,受到初级准直器(b)的阻挡进而被初级准直。经过脊形过滤器(d),单能Bragg峰在纵向上得到展宽,形成展宽的Bragg峰(SOBP)。束流经过射程移位器(e)调制射程后,利用多叶光栅(g)进行横向适形,最终高剂量区的三维分布与靶区的形状保持一致。补偿器(h)的使用让靶区后沿的剂量分布更加陡峭,有利于危及器官的保护。束流的强度由剂量探测器(c)测量并控制,束流的形状和位置由束流位置探测器(f)进行测量。模拟的中子注量谱由直径为12 cm的球体探测器(i)进行收集,中子注量探测器位于等中心点以及距离等中心点r= 25,50,100,150和200 cm处,角度为与束流方向呈θ= 0°,45°和90°,共有16个中子注量探测器[22]。
为简化模拟,真空膜窗、射程移位器、补偿器、剂量探测器及束流位置探测器在本次研究中均不考虑。为了消除内源性中子对结果的干扰,采用自由束条件,不放置水模。模拟计算中各组件材料成分及其与等中心点的距离如表1所列。
表 1 模拟组件所用材料及其摆放
组件名称 材料质量分数/% 密度/(g·cm−3) 距离等中心的距离/cm 初级准直器 Cu-100 8.96 357 脊形过滤器 Al-100 2.7 236 多叶准直器 Cu-5, W-95 18.23 72 被动式束流配送系统可以针对不同的横向射野大小适当改变初级准直器的开口大小,以便最大化降低束流在后端的损失率。因为多叶光栅的次级中子产生率最大,将初级准直器的开口设置为最大即15 cm×15 cm。记录使用的直方图的组距宽度呈对数增加,每1个量级的组数为40,能量范围为
${10}^{-6} \sim 1\;000$ MeV。为得到最大中子产额,大多数模拟中多叶光栅设置为完全闭合。探究多叶光栅开口大小对中子剂量当量的影响时,多叶光栅方形开口的边长以3 cm为间隔,从闭合一直增大到15 cm。使用这种方法,我们计算了6种开口大小情况下,3处探测器位置的中子剂量。模拟粒子数为1×107,使用服务器工作站上的CPU(Intel® Xeon® CPU E5-2690 V3 @2.60 GHz×48,OS:Scientific Linux release7.6)进行模拟计算。 -
本文采用的蒙特卡罗软件为GATE v8.2/GEANT4-10-05。GEANT4(Geometry And Tracking)是由欧洲核子研究中心(CERN)开发的一套蒙特卡罗工具包,使用基于C++面向对象技术,其用途是模拟粒子在物质中运输的物理过程。由于其灵活性,GEANT4也被广泛应用于高能物理、核物理、空间和天体物理、辐射防护与探测,同时增加一些扩展包后,也可以将其应用到医学物理领域[23]。GATE是由OpenGATE团队基于GEANT4内核设计的一款模拟平台,主要用途是对计算机断层成像进行蒙特卡罗模拟,也能实现模拟粒子放疗的功能。本文使用的物理过程是GEANT4 中的强子物理模拟包:QGSP_BERT_HP_EMY。
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不同能量单能中子的相对生物学效应有着很大不同,为了评估不同空间位置的中子剂量当量,需要将该位置的中子注量谱转化为剂量当量进行统一比较,剂量当量的计算公式为
$$ H{\rm{^*}}(10)=\sum _{i = 1}^{{\rm{m}}{\rm{a}}{\rm{x}}}{\varPhi }_{i} \boldsymbol\cdot {h}_{i} , $$ (1) 其中:
$H{\rm{^*}}(10)$ 为某点处中子剂量当量;$ i $ 为对应计数直条(bin);$ {\varPhi }_{i} $ 为第$ i $ 个计数直条(bin)记录的中子注量;$ {h}_{i} $ 为第$ i $ 个计数直条组距中点能量所对应的中子注量-剂量转化系数。在ICRP第74号出版物中,发表了$ {10}^{-9}\sim $ $ 201\;{\rm{M}}{\rm{e}}{\rm{V}} $ 能量范围内的中子注量-剂量当量转化系数,但是其范围无法覆盖碳离子放疗过程中产生的次级中子最大中子能量[24]。Ferrari等[25]于1998年发表了从$ {2.5\times 10}^{-8} \sim {10}^{7} {\rm{M}}{\rm{e}}{\rm{V}} $ 能量范围的中子注量-剂量系数等相关实验模拟数据。应用上述文献数据进行插值得到全能量范围内的中子注量-剂量转换系数,如图2所示。 -
首先我们考察了多叶光栅完全闭合的情况下,距离等中心点不同位置及角度的中子能谱。图3是经射程调制后展宽Bragg峰宽度为6 cm的400 MeV/u碳离子束被完全闭合的多叶光栅阻挡后,在距离等中心点不同角度和距离的注量谱分布结果。图中纵坐标为单位碳离子产生的中子注量;横坐标为中子能量,由于次级中子能量横跨9个数量级,探测时使用对数组距直方图记录,绘制时使用半对数坐标系。这种方式确保能谱曲线下每个矩形的底长保持不变,其相对注量和贡献正比于矩形的高[16]。
从图3可以看出,碳离子放疗产生的次级中子注量谱主要有两个显著的峰区,第一个峰区由复合核退激出射的蒸发中子组成,能量范围为10 keV到15 MeV。第二个峰区由核内级联产生的高能中子组成,其能量范围从15 MeV到碳离子束流能量的两倍,最大可达约1 000 MeV。
根据不同峰的面积与总和面积之比,计算不同种类中子的贡献率,如表2所列。统计结果表明,尽管碳离子束放射治疗过程中在等中心点周围的次级中子主要成分是低能蒸发中子,但也存在部分高能中子,其占比最大达到22.45%。
表 2 各位置不同中子峰对注量总和贡献率表
位置 低能蒸发中子峰
贡献率/%高能级联中子峰
贡献率/%iso 80.57 19.43 0deg_25 cm 79.65 20.35 0deg_50 cm 79.06 20.94 0deg_100 cm 78.37 21.63 0deg_150 cm 77.84 22.16 0deg_200 cm 77.55 22.45 45deg_25 cm 81.82 18.18 45deg_50 cm 83.71 16.29 45deg_100 cm 86.20 13.80 45deg_150 cm 87.06 12.94 45deg_200 cm 87.50 12.50 90deg_25 cm 84.54 15.46 90deg_50 cm 88.34 11.66 90deg_100 cm 90.96 9.04 90deg_150 cm 91.54 8.46 90deg_200 cm 91.47 8.53 -
使用图2中的中子注量-剂量转换系数对不同位置的中子注量谱进行转换,得到中子剂量当量谱如图4所示,并计算不同种类中子贡献率如表3所列。由图表可知,高能中子的注量-剂量当量转换系数较大而部分蒸发中子(小于0.1 MeV)的转换系数较小,导致高能中子对于总中子剂量当量的贡献有所提升,其最高可达约25.96%。
表 3 各位置不同中子峰对剂量当量总和贡献率表
位置 低能蒸发中子峰
贡献率/%高能级联中子峰
贡献率/%iso 76.87 23.13 0deg_25 cm 76.02 23.98 0deg_50 cm 75.41 24.59 0deg_100 cm 74.76 25.24 0deg_150 cm 74.28 25.72 0deg_200 cm 74.04 25.96 45deg_25 cm 77.98 22.02 45deg_50 cm 79.68 20.32 45deg_100 cm 82.06 17.94 45deg_150 cm 82.85 17.15 45deg_200 cm 83.31 16.69 90deg_25 cm 80.54 19.46 90deg_50 cm 84.21 15.79 90deg_100 cm 86.88 13.12 90deg_150 cm 87.48 12.52 90deg_200 cm 87.29 12.71 -
为了探究多叶光栅开口大小与中子剂量当量的影响,分别模拟了多叶光栅的开口尺寸以3 cm为间隔从0 cm×0 cm逐渐扩大到15 cm×15 cm的6种情况下的中子剂量当量,数据处理时以多叶光栅完全闭合时的中子剂量当量作归一化。图5显示了经过归一化处理后,等中心点(iso)、0°角(束流方向)距离等中心点150 cm处(0 deg_150 cm)以及90°角(束流横向方向)距离等中心点150 cm处(90 deg_150 cm)这三处位置相对剂量当量强度随多叶光栅开口增大的情况。
图5中的数据显示:随多叶光栅开口大小由完全闭合增大到15 cm×15 cm,iso与90 deg_150 cm(横向远端)处位置相对剂量当量强度降低约85%,0 deg_150 cm(束流方向远端)处位置的相对剂量当量强度降低约70%。
Monte Carlo Study on the Characteristics of Secondary Neutrons in Passive Beam Delivery System of Heavy Ion Medical Machine
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摘要: 在碳离子放射治疗中,碳离子束在剂量配送过程中会与束流输运线相互作用,形成以中子辐射为主的外辐射场。由于中子是高LET射线,具有较高的相对生物学效应,减少碳离子放疗中产生的次级中子有助于降低放疗后正常组织并发症几率及二次肿瘤风险。利用蒙特卡罗方法对保守情况(能量为400 MeV/u,多叶光栅完全闭合)下碳离子治疗被动式束流配送系统引发的外源性中子在等中心点周围不同位置的注量谱及剂量当量谱进行模拟计算,评估了次级中子辐射的剂量当量贡献;同时探究了多元限束装置即多叶光栅不同开口大小对次级中子剂量当量的影响。模拟结果显示:高能中子(≥15 MeV)对所有模拟位置的中子剂量当量占比最高可达26%。实际治疗条件下,当多叶光栅开口由闭合状态扩大至15 cm×15 cm,等中心点和横向远端位置的次级中子剂量当量强度下降约85%,而束流方向远端位置下降约70%。这些结果可用于指导不同治疗条件下次级中子的研究,为治疗条件下评估患者所受非治疗辐射提供依据。Abstract: In carbon-ion radiotherapy, a variety of secondary particles are produced when carbon-ion beams pass through beam-line components during the dose delivery process and form an external radiation field. The predominant part of external radiation is from neutrons. As high LET radiation, low-dose neutron exposures have high relative biological effectiveness. Reducing the secondary neutrons can help to curb the risks of normal tissue complications and secondary cancers. The fluence and dose equivalent spectrums of exogenous neutrons induced by the passive beam delivery system of carbon ion therapy at different locations around the isocenter were simulated using the Monte Carlo method to evaluate the dose equivalent contribution of neutron radiation; The influence of the different collimating aperture sizes on the secondary neutron dose equivalent was also investigated. The simulation results show that high-energy neutrons had a certain contribution to the total neutron dose equivalent of the simulated locations, which account for up to 26%. Under real treatment conditions, as the collimating aperture size increased from closed to 15 cm×15 cm, the neutron dose equivalent decreased by approximately 85% at the isocenter and laterally distal locations, and about 70% at the distal locations in the beam direction. These results can be used to guide the study of secondary neutrons under different treatment conditions, and provide a basis for assessing non-therapeutic radiation received by patients under treatment conditions.
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Key words:
- carbon ion radiotherapy /
- passive beam delivery /
- secondary neutrons /
- Monte Carlo method
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表 1 模拟组件所用材料及其摆放
组件名称 材料质量分数/% 密度/(g·cm−3) 距离等中心的距离/cm 初级准直器 Cu-100 8.96 357 脊形过滤器 Al-100 2.7 236 多叶准直器 Cu-5, W-95 18.23 72 表 2 各位置不同中子峰对注量总和贡献率表
位置 低能蒸发中子峰
贡献率/%高能级联中子峰
贡献率/%iso 80.57 19.43 0deg_25 cm 79.65 20.35 0deg_50 cm 79.06 20.94 0deg_100 cm 78.37 21.63 0deg_150 cm 77.84 22.16 0deg_200 cm 77.55 22.45 45deg_25 cm 81.82 18.18 45deg_50 cm 83.71 16.29 45deg_100 cm 86.20 13.80 45deg_150 cm 87.06 12.94 45deg_200 cm 87.50 12.50 90deg_25 cm 84.54 15.46 90deg_50 cm 88.34 11.66 90deg_100 cm 90.96 9.04 90deg_150 cm 91.54 8.46 90deg_200 cm 91.47 8.53 表 3 各位置不同中子峰对剂量当量总和贡献率表
位置 低能蒸发中子峰
贡献率/%高能级联中子峰
贡献率/%iso 76.87 23.13 0deg_25 cm 76.02 23.98 0deg_50 cm 75.41 24.59 0deg_100 cm 74.76 25.24 0deg_150 cm 74.28 25.72 0deg_200 cm 74.04 25.96 45deg_25 cm 77.98 22.02 45deg_50 cm 79.68 20.32 45deg_100 cm 82.06 17.94 45deg_150 cm 82.85 17.15 45deg_200 cm 83.31 16.69 90deg_25 cm 80.54 19.46 90deg_50 cm 84.21 15.79 90deg_100 cm 86.88 13.12 90deg_150 cm 87.48 12.52 90deg_200 cm 87.29 12.71 -
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