質(zhì)子閃光放射治療中子劑量分析

中圖分類號：TL72文獻標志碼：A

質(zhì)子放射治療與使用光子的放射治療相比有一定的劑量學(xué)優(yōu)勢[]，但遠離靶區(qū)的健康組織中劑量沉積引起的晚期效應(yīng)（如繼發(fā)性癌癥）還是會引發(fā)擔(dān)憂[2]。研究者們對質(zhì)子放療產(chǎn)生的中子劑量進行了各種蒙特卡羅仿真計算。2002年，Schneider[3]研究了質(zhì)子點掃描時不同大小靶體積的靶中和患者健康組織中的中子劑量，計算結(jié)果表明對于 的箱型靶區(qū)，正常組織中子劑量和靶區(qū)劑量之比大約為（ ）.9%～3.57% 。Trinkl^[4] 的簡化蒙特卡羅仿真顯示離患者最近的射程調(diào)節(jié)器對中子的產(chǎn)生有顯著影響。WANG[5]計算了質(zhì)子治療中非照射中心的輻射來源和分布，認為 99% 的中子劑量都來源于治療頭。Tatari[6計算了一種緊湊型被動散射質(zhì)子治療系統(tǒng)的中子劑量來源和分布，認為散射器和治療頭為中子的主要來源。

閃光放射治療（FLASHradiotherapy，F(xiàn)LASH-RT）的平均劑量率高于 ，遠高于常規(guī)放療使用的劑量率 ），在總治療劑量不變的情況下，F(xiàn)LASH-RT的劑量率大幅增加，對正常組織有保護作用的同時照射時間大幅減少，節(jié)約了治療成本，有可能成為下一代的質(zhì)子治療技術(shù)[7]質(zhì)子FLASH的設(shè)備系統(tǒng)和傳統(tǒng)質(zhì)子治療系統(tǒng)有相似之處，同樣可以使用降能器調(diào)節(jié)質(zhì)子能量進行點掃描照射。降能器是用來調(diào)節(jié)質(zhì)子能量的一種可調(diào)節(jié)自身厚度的裝置[8]。目前質(zhì)子治療系統(tǒng)的降能器有兩種常見的布置方案，一種是將降能器放在治療室內(nèi)的緊湊型[6，9]，另一種是將降能器放在治療室外的分隔型[10]，本文采用蒙特卡羅方法計算了質(zhì)子FLASH條件下兩種布置方案放療時產(chǎn)生的中子劑量的大小，同時評估了質(zhì)子在降能器產(chǎn)生的次級中子在正常組織的劑量分布。

1 研究方法

本文使用蒙特卡羅仿真，對兩種質(zhì)子治療系統(tǒng)布置方案產(chǎn)生的次級中子進行對比，主要觀察降能器在治療室內(nèi)和室外的情況下水模型（模擬人體）中的次級中子劑量差異。分別計算了分隔型和緊湊型兩種布置方案的中子劑量，如圖1所示，分隔型布置方案是回旋加速器和降能器等放在治療室外，緊湊型方案則把加速器和降能器放在治療室內(nèi)。

用于計算的治療深度為兩種，一種是 80nA 、深度 4～10cm （即寬度為 6cm ）的展寬布拉格峰，對應(yīng) 的質(zhì)子，步長設(shè)為 1cm （實際在質(zhì)子治療中，醫(yī)師會根據(jù)機器性能和治療經(jīng)驗來選取步長和束斑大小，步長的選取范圍可能是 3～ 10mm 以上[11]，此處為簡化計算選取 1cm 步長），另一種是 的單能質(zhì)子照射。分隔型中各種能量的質(zhì)子束流直接從源項生成，緊湊型的質(zhì)子束流初始為 230MeV ，通過調(diào)節(jié)降能器厚度產(chǎn)生各種能量的質(zhì)子束流。

1. 1 蒙特卡羅建模

本研究使用粒子和重離子輸運程序PHITS[12]，對質(zhì)子、中子的分布和劑量進行計算。

在PHITS的建模中，半徑 30cm 、高 40cm 的圓柱水體作為等效人體模型，如圖2所示。質(zhì)子照射深度 4～10cm ，展寬后的布拉格峰寬度為6cm ，照射面積設(shè)為 10cm×10cm 。采用權(quán)重適配的布拉格峰展寬方法[3]計算得到的質(zhì)子能量分布和權(quán)重。

緊湊型治療室的質(zhì)子初始能量為 230MeV ，人射質(zhì)子能量由降能器的厚度調(diào)節(jié)，降能器材料為PMMA（PolymericMethylMethacrylate），化學(xué)式C₅H₈O₂ ，密度 1.2g/cm³ 。為了阻擋散射質(zhì)子和部分中子，降能器后面放置一個厚度 10cm 、中央開口為 10cm×10cm 的準直器，材料為鎳，準直器下游表面到水模型表面的距離為 43.6cm 。分隔型方案室內(nèi)建模如圖3所示，準直器尺寸和到水模型的距離與圖2相同。由于回旋加速器自身厚度屏蔽了大部分束流損耗帶來的輻射，輻射占比遠小于降能器[7]，此處忽略回旋加速器建模。

1. 2 布拉格峰展寬方法

通過使用權(quán)重適配的布拉格峰展寬方法生成覆蓋水深 4～10cm 的布拉格峰。權(quán)重適配的布拉格峰展寬方法是通過重新擬合質(zhì)子能量-射程的關(guān)系（蓋格法則），找出適配函數(shù)的函數(shù)形式，并對各能量質(zhì)子的權(quán)重進行重新適配，得到平滑的布拉格峰[13]

質(zhì)子能量對應(yīng)的相對權(quán)重 W（R） 用式（1） 計算： 式中， R 為質(zhì)子射程， 為材料密度， g/cm³ d_min 和 d_max 分別為質(zhì)子照射步長區(qū)域的前后邊界， cm ： α，P 為擬合系數(shù)，ICRU49號報告給出在水中 α≈ 2.2×10^-3 ， P≈1.77^[14] ！ 為線性擬合參數(shù)， k 為 敏感參數(shù)[13]

1.3 質(zhì)子源項

計算的質(zhì)子FLASH束流強度為 80nA ，分隔型方案下，質(zhì)子能量由質(zhì)子源直接定義，緊湊型方案下，不論人射水模型的質(zhì)子能量為多少，質(zhì)子源能量都設(shè)為 230MeV ，通過改變降能器的厚度改變質(zhì)子能量。分別計算了兩種質(zhì)子入射的情況，一種是深度為 4～10cm 時，步長設(shè)為 1cm 的質(zhì)子能量分布，每個步長對應(yīng)一個質(zhì)子能量，則能量為6組，各種能量質(zhì)子的占比由公式（1）算出，另一種是 70MeV 單能質(zhì)子照射情況，

1. 4 數(shù)據(jù)分析

PHITS程序的輸出是質(zhì)子吸收劑量率、中子吸收劑量率和光子吸收劑量率，單位為 Gy/h 。此外，從吸收劑量率數(shù)據(jù)中，使用公式（2）計算質(zhì)子和中子的 RBE 加權(quán)劑量率：

式中， 為有效劑量率， 為吸收劑量率，Gy/s;RBE 為相對生物學(xué)效能，質(zhì)子RBE值為1.1^[15] ，中子 RBE 值是能量的函數(shù)，最大為20，此處為了簡化計算，保守設(shè)為 20^[16] 。常見的治療計劃系統(tǒng)一般只考慮質(zhì)子劑量[17]，本文以質(zhì)子 RBE 加權(quán)劑量作為質(zhì)子累積劑量，通過質(zhì)子累積劑量達到 60Gy 時的照射時間（由PHITS輸入輸出參數(shù)算出），計算得到此時的中子RBE加權(quán)劑量，即中子累積劑量。

2 計算結(jié)果

2.1第一種照射條件下的中子劑量分布

通過權(quán)重分配形成的質(zhì)子能量和對應(yīng)的降能器厚度和權(quán)重列于表1，近似形成一個深度為4＼～10cm ，步長設(shè)為 1cm 的展寬布拉格峰，如圖4所示。

圖5是水模型中中子劑量率的分布，圖6給出了離照射中心橫向不同距離的中子劑量率?？梢钥闯鰧τ诜指粜秃途o湊型，照射中心的中子劑量率差別不大，照射中心以外區(qū)域中子劑量率有明顯差別。

本文使用中子劑量率 和質(zhì)子劑量率 的比值 ，評估非照射中心的中子輻照強度，此數(shù)值不受質(zhì)子束流強度的影響。圖7展示了水模型表面 Z=0～1cm 范圍內(nèi)離照射中心橫向不同距離的 ，圖8是兩種布置方案的 值的比值，可以看出 25cm 內(nèi)緊湊型與分隔型 的差別小于1個數(shù)量級， 25cm 以上時略高于1個數(shù)量級。

表2列出了水模型表面 Z=0～1cm 范圍內(nèi)離照射中心 5cm，10cm，20cm，30cm 的 和累積中子劑量。計算結(jié)果表明在 4～10cm 照射深度的情況下，分隔型累積中子劑量明顯小于緊湊型。

2.2第二種照射條件下的中子劑量分布

圖9為 70MeV 質(zhì)子放療時分隔型和緊湊型的水模型內(nèi)中子劑量率分布，圖10為 Z=0～1 cm范圍內(nèi)離照射中心橫向不同距離的中子劑量率。

圖11是兩種類型質(zhì)子治療系統(tǒng)距離照射中心橫向不同距離時的 。圖12是離照射中心不同距離時中子劑量和質(zhì)子劑量的比值，根據(jù)離照射中心的不同距離緊湊型治療室水模型的中子劑量是分隔型治療室的幾倍到十幾倍。

表3列出了離照射中心 5cm，10cm，20cm 30cm 時中子累積劑量。計算結(jié)果表明入射質(zhì)子能量為 70MeV 時，緊湊型治療室水模型表面的累積中子劑量可以達到 200mGy 以上

對比表2可知，對于分隔型，當(dāng)質(zhì)子能量越低，得到的中子累積劑量越低，對于緊湊型情況則相反。這是由于人射水模型的質(zhì)子能量越小，緊湊型治療室內(nèi) 230MeV 質(zhì)子在降能器中損失的能量越多，產(chǎn)生的次級中子也越多。而分隔型治療室內(nèi)的中子劑量主要來自與質(zhì)子與靶區(qū)物質(zhì)發(fā)生的反應(yīng)，入射質(zhì)子能量較低時，質(zhì)子在水模型內(nèi)行程更短，產(chǎn)生的次級中子數(shù)量也更少。

3結(jié)論

本文通過蒙特卡羅仿真計算，分別對4～10cm照射深度和 70MeV 質(zhì)子照射情況下的次級中子劑量進行計算。結(jié)果表明在兩種情況下，根據(jù)離照射中心的不同距離，緊湊型產(chǎn)生的中子劑量率約是分隔型的幾倍到十幾倍，離照射中心 30cm 時是10倍以上；對緊湊型，在 單能質(zhì)子、60Gy 質(zhì)子累積劑量下，距照射中心 5cm 處的累積中子劑量大于 200mGy 。

對于輻射的生物效應(yīng)，很大一部分研究數(shù)據(jù)來源于對CT診療病人的跟蹤調(diào)查[18-19]，還有長期追蹤原子彈爆炸后受到輻射影響的居民致病數(shù)據(jù)，其中兒童對輻射的敏感度要比成年人大 10～ 15 倍[20]。ICRP 認為有可靠的科學(xué)證據(jù)表明，?100mSv 的全身暴露會增加暴露人群發(fā)生癌癥的可能性[21]，隨機性效應(yīng)則沒有閾值，遵循輻射劑量越大致病概率越高的原則

通過計算可知，不管是為了避免輻射劑量超出確定性效應(yīng)閾值，還是為了降低隨機性效應(yīng)發(fā)生的概率，降能器在治療室外的分隔型布置方案會是風(fēng)險更低的選擇。在條件允許的情況下，治療室內(nèi)的束流傳輸路徑上應(yīng)盡量減少能夠產(chǎn)生次級輻射的裝置。

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Abstract：The distribution of secondary neutrons in the water model under the condition of ultra-high dose rate proton beam（FLASH） is calculated by Monte Carlo method.The calculation results show that the distribution of neutrons produced by the indoor energy degrader in the water phantom can reach ten times of that without the degrader when the proton energy is from 70 to . In the case of low proton energy，the cumulative neutron dose of one treatment can reach more than 200mGy ：

Key Words： proton therapy;neutrons dose; Monte Carlo ;energy reducer; FLASH