D-T快中子治療準(zhǔn)直屏蔽體設(shè)計(jì)及中子特性模擬

張 宇 羅 鵬 姚澤恩 楊巧云 劉 洋

1 (蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 蘭州 730000)

2 (蘭州大學(xué)教育部中子應(yīng)用技術(shù)工程研究中心 蘭州 730000)

作為放射治療的重要手段, 快中子治療已在世界范圍得到廣泛研究[1–4]。中國科學(xué)院高能物理研究所用35 MeV質(zhì)子直線加速器產(chǎn)生的快中子治療病例累計(jì)約～600人。臨床結(jié)果表明，快中子對某些類型腫瘤的療效明顯優(yōu)于光子治療[5]。蘭州大學(xué)已建成3.3×1012/s的D-T強(qiáng)流中子發(fā)生器[6,7]，并開展了D-T快中子治療機(jī)的研究，除建造足夠強(qiáng)的D-T快中子源外，還需研究以下問題：(1) 治療機(jī)快中子屏蔽準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)及屏蔽效果研究；(2) 準(zhǔn)直中子束特性參數(shù)研究(包括中子束中子能譜、中子束均勻性、中子束在人體等效水箱中的劑量分布等)；(3) 準(zhǔn)直中子束流中的光子污染研究等。

文獻(xiàn)[8]給出了 D-T快中子治療準(zhǔn)直屏蔽體方案，通過中子、γ射線輸運(yùn)的Monte-Carlo模擬，對準(zhǔn)直屏蔽體的屏蔽效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并對準(zhǔn)直快中子束的特性參數(shù)、中子束在人體等效組織中的劑量分布等進(jìn)行了模擬和數(shù)值計(jì)算。

1 準(zhǔn)直屏蔽體設(shè)計(jì)及其屏蔽效果模擬

對D-T快中子的屏蔽效果，鎢-聚乙烯-鉛組合最好，銅-聚乙烯-鉛組合次之，鐵-聚乙烯-鉛組合第三[8]。由圖1，快中子治療準(zhǔn)直屏蔽器為圓柱體，D束以及靶點(diǎn)中心在圓柱體中心軸上，圓柱屏蔽體外形Φ1480 mm×1900 mm，為安裝大面積旋轉(zhuǎn)靶，圓柱體中心為邊長460 mm的立方體空腔，對準(zhǔn)靶點(diǎn)垂直向下為圓錐形準(zhǔn)直器，準(zhǔn)直器開口為方錐形(根據(jù)治療要求更換)。屏蔽體第一層快中子慢化材料為鎢，準(zhǔn)直器方向最大厚度30 cm；第二層材料為鐵，軸向厚度40 cm，徑向厚度10 cm；第三層為15 cm厚含硼8%的聚乙烯；第四層為2 cm厚的鉛；第五層為2 cm厚的不銹鋼結(jié)構(gòu)材料。準(zhǔn)直器采用鎢、含硼聚乙烯、鉛、不銹鋼組合材料，厚度分別為35、15、2、2 cm，以保證治療方向的良好屏蔽。

圖1 D-T快中子治療準(zhǔn)直屏蔽器設(shè)計(jì)方案示意圖(a) Y-Z剖面, (b) X-Z剖面1.旋轉(zhuǎn)靶, 2.鎢, 3.鐵, 4.含硼 8%聚乙烯,5.鉛, 6.準(zhǔn)直孔Fig.1 Schematic diagram of (a) Y-Z and (b) X-Z sections of the beam-shaping-assembly for D-T fast neutron therapy.1.Rotating target, 2.W, 3.Fe, 4.Boron-containing (8%) PE,5.Pb, 6.Neutron beam channel

我們用 MCNP程序[9]模擬了400 keV D束的D-T中子及γ射線在準(zhǔn)直屏蔽體中的輸運(yùn)，記錄屏蔽體重要方向和薄弱方向的透射中子能譜和透射光子能譜，計(jì)算它們在水中的吸收劑量。

MCNP模擬時(shí)，根據(jù)D-T反應(yīng)產(chǎn)生的中子能譜和角分布數(shù)據(jù)建立中子源模型[8]。由圖 1，治療頭下端準(zhǔn)直中子束出射口一側(cè)為患者治療位置，是重要屏蔽方向，A點(diǎn)為重要屏蔽方向屏蔽體最薄的地方，選擇A方向距D束靶點(diǎn)100 cm處作為劑量計(jì)算測試點(diǎn)。在屏蔽體上側(cè)B點(diǎn)，屏蔽材料最薄，選擇B方向距D束靶點(diǎn)100 cm處為另一劑量計(jì)算測試點(diǎn)。為判斷屏蔽效果，模擬了準(zhǔn)直中子束在距D束靶點(diǎn)100 cm處的能譜，計(jì)算其在水中的吸收劑量，并與A、B方向的透射中子、光子劑量相比較。

中子在水中的吸收劑量按下式計(jì)算：

式中，DnH、DnO分別為水中氫、氧的中子吸收劑量，CH、CO分別為水中氫、氧的質(zhì)量百分比，Φn,i(Ei)是第 i個(gè)能量區(qū)間的中子注量，KnH,i(Ei)、KnO,i(Ei)分別為氫、氧對第i個(gè)能量區(qū)間中子的比釋動(dòng)能因子，DnWater為水中的中子總吸收劑量。KnH,i(Ei)、KnO,i(Ei) 取ICRU-44報(bào)告中數(shù)據(jù)[10]。

圖2 照射野10 cm×10 cm條件下SSD=100 cm處的中子束(a)和γ射線(b)平均能譜Fig.2 Energy spectra of the neutrons (a) and γ photons for 10 cm×10 cm radiation field at SSD=100 cm.

光子在水中的吸收劑量為：

其中，Φγ,i(Ei)為第 i能量區(qū)間的光子注量，Ei為此能區(qū)光子平均能量，μenWater/ρ是水對能量為Ei的光子的質(zhì)量能量吸收系數(shù)[11]。

2 準(zhǔn)直中子束特性研究

2.1 準(zhǔn)直中子束能譜及中子束中光子污染

準(zhǔn)直中子束的能譜及中子束中的光子污染會(huì)對治療劑量大小及分布產(chǎn)生影響，且與準(zhǔn)直器材料、準(zhǔn)直孔尺寸等相關(guān)。為測試準(zhǔn)直屏蔽體材料的散射、慢化、吸收對準(zhǔn)直中子束能譜的影響及造成的γ射線污染，模擬了5 cm×5cm、10 cm×10 cm、15 cm×15 cm、20 cm×20 cm照射野范圍內(nèi)SSD=100 cm處的中子束能譜和γ射線能譜(圖2)。

以10 cm×10 cm照射野為例，模擬結(jié)果顯示，準(zhǔn)直中子束中 En＞10 MeV的中子占 81.20%，5 MeV< En≤10 MeV 的中子占 3.51%，1 MeV< En≤5 MeV的中子占6.92%，10 keV< En≤1 MeV的中子占4.88%，1 eV< En≤10 keV 中子占 2.52%，En≤1 eV 占0.79%。中子束中熱中子通量與總中子通量比(ΦTn/Φn)，超熱中子通量與總中子通量比(ΦEpn/Φn)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 ΦTn /Φn、ΦEpn /Φn和 Dγ /Dn計(jì)算數(shù)據(jù)*Table 1 Calculated ΦTn /Φn,ΦEpn /Φn and Dγ /Dn.

根據(jù)MCNP模擬得到的中子和γ能譜以及它們的相對通量，按式(1)–(4)計(jì)算SSD=100 cm處幾種照射野條件下中子和γ射線在水中的吸收劑量，得到γ射線吸收劑量與中子吸收劑量比Dγ/Dn(表1)。

2.2 人體組織等效水箱的中子劑量分布

人體的中子劑量深度分布是制定快中子治療計(jì)劃的重要依據(jù)。我們用40 cm×40 cm×35 cm水箱作為人體等效組織[12]，置于圖 1準(zhǔn)直中子束通路上SSD=100 cm處，其與準(zhǔn)直束的幾何關(guān)系見圖3。

MCNP模擬時(shí)，將等效水箱表面0–1 cm深度范圍分割成若干5 mm×5 mm×1 mm體積單元(cell)，將1 cm深度以下范圍分割成若干個(gè)5 mm×5 mm×5 mm體積單元，通過中子束在水箱中的輸運(yùn)模擬，記錄每單元的中子通量和中子能譜，計(jì)算每單元中子吸收劑量。以每單元中心坐標(biāo)繪制劑量分布曲線。

圖3 水箱與準(zhǔn)直束示意圖Fig.3 Schematic diagram of the water phantom and neutron beam.

圖4(a)為5 cm×5 cm、10 cm×10 cm、20 cm×20 cm照射野下的歸一化中子劑量深度分布，圖4(b)為10 cm×10 cm照射野條件下不同深度處相對于單位源中子的中子吸收劑量橫向分布。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，還繪制了10 cm×10 cm照射野條件下水箱中中子吸收劑量等劑量曲線(圖5)。

圖4 水箱中心軸上中子劑量深度分布(a)和不同深度處中子劑量的橫向分布(b)Fig.4 Dose distribution along the water phantom axis under various fields of irradiation (a), and dose mapping of various depths under the irradiation field of 10 cm×10 cm (b).

3 討論

準(zhǔn)直屏蔽體透射中子和光子的 MCNP模擬及劑量計(jì)算結(jié)果顯示，圖1中A點(diǎn)方向測試點(diǎn)的透射中子和透射光子在水中的吸收劑量分別為準(zhǔn)直中子束吸收劑量的 0.062%和 0.042%，顯示了良好的屏蔽效果；B點(diǎn)方向分別為其的1.432%和0.237%，透射劑量偏大，但B點(diǎn)方向遠(yuǎn)離治療方向，仍在可接受范圍。說明所設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直屏蔽體能滿足治療對屏蔽的基本要求。準(zhǔn)直屏蔽體直徑Φ148 cm，滿足屏蔽體半徑不大于源皮距(SSD)100 cm的要求。本研究設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直屏蔽體為圓柱形，總重～17 T，工程設(shè)計(jì)時(shí)，可將柱體兩端倒成錐形，進(jìn)一步減小準(zhǔn)直屏蔽體體積和重量。

圖5 水箱中中子吸收劑量等劑量曲線Fig.5 Isodose contour line in the water phantom.

準(zhǔn)直中子束能譜模擬及不同能區(qū)相對中子通量的計(jì)算結(jié)果顯示，中子束中快中子成份占絕對優(yōu)勢，盡管照射野增大，中子束中熱中子、超熱中子所占比例仍較小，不會(huì)對中子劑量深度分布產(chǎn)生顯著影響(圖 5)。

由中子束中γ射線能譜模擬及γ射線吸收劑量計(jì)算結(jié)果看出，γ射線吸收劑量隨照射野增大，但與中子吸收劑量的比值不大于 5%，考慮到中子相對生物效應(yīng)遠(yuǎn)大于γ射線，本研究設(shè)計(jì)的中子束中，光子的污染不會(huì)對總相對生物劑量產(chǎn)生顯著影響。

為盡可能縮短治療時(shí)間，在D-T快中子治療機(jī)總體設(shè)計(jì)方案中提出，在SSD=100 cm處中子吸收劑量率須大于0.25 Gy/min[13]。由此，D-T中子源的強(qiáng)度須大于 6×1012/s。由圖5–7，50%劑量約在 10 cm深度處，最大劑量出現(xiàn)在0–0.5 cm深度范圍，利用D-T快中子進(jìn)行深部腫瘤治療時(shí)，易造成皮膚過劑量損傷，應(yīng)該采取旋轉(zhuǎn)等中心治療方案以減小皮膚效應(yīng)。

1 Raju M R.Radiat Res, 1996, 145: 391–407

2 Vynckier S.Radiat Prot Dosim, 2004, 110(1-4): 565–572

3 Peter Bloch, Ron Larsen, Jim Chu.IEEE Trans Nucl Sci,1983, NS-30(2):1788–1792

4 Almond P R, Marbach J R, Otte V A.IEEE Nucl Sci,1983, NS-30(2): 1772–1776

5 王俊杰, 申文江, 楊天恩.國外醫(yī)學(xué)臨床放射學(xué)分冊,1995,4: 250–253 WANG Junjie, SHEN Wenjiang, YANG Tianen.Foreign Med Sci (Clin Radiol Fascicle), 1995,4: 250–253

6 SU Tongling, SUN Biehe, YANG Baotai, et al.Nucl Instr Meth, 1990, A287:452–455

7 YAO Zeen, SU Tongling, CHEN Shangwen, et al.Nucl Instr Meth, 2002, A490: 566–572

8 羅 鵬, 姚澤恩, 梁 一, 等.核技術(shù), 2008, 31(10):756–760 LUO Peng,YAO Zeen, LIANG Yi, et al.Nucl Tech, 2008,31(10): 756–760

9 Los Alamos National Laboratory, MCNP4-Monte Carlo N-Particle Transport Code System, 2000

10 The International Commission on Radiation Units and Measurements(ICRU) Report, 1989,44, 114

11 The International Commission on Radiation Units and Measurements(ICRU) Report, 1992,46, 196

12 Jonas S?derberg, Gudrun Alm Carlsson.Phys Med Biol,2000,45: 2987–3007

13 YAO Zeen, SU Tongling, CHEN Shangwen, et al.Nucl Instr Meth, 2002, A490: 566–572