12C和20Ne離子劑量分布的Geant4模擬

王振超，關世榮，張　慧，梅雪松，龐　楊，趙　琳

12C和20Ne離子劑量分布的Geant4模擬

王振超，關世榮，張慧，梅雪松，龐楊，趙琳

（黑龍江省科學院技術物理研究所第三研究室，哈爾濱 150086）

利用Geant4程序模擬光子和重離子在水中的輸運過程，并模擬計算80-430MeV/u12C、20Ne在人體等效組織水中的劑量分布。分別討論12C、20Ne離子的線性能量傳遞（LET）的特性。結果表明，重離子與物質相互作用時，橫向散射小，與12C相比20Ne離子在水中射程短，劑量分布高。

Geant4；重離子；劑量；LET

重離子（Z＞2）放射治療的優勢之一體現在它的能量沉積上，即深度劑量分布上，重離子束沿其徑跡的能量沉積出現了Bragg峰，坪區與峰區的傳能線密度（LET）顯著不同。因此可利用Bragg峰區高的LET值施于腫瘤所在的病灶，局部高效地殺死癌細胞，而在此區域之外的健康組織受損較小，為了進一步治療和確定治療劑量，需要對重離子Bragg峰的位置做詳盡研究［1-3］。

描述帶電粒子在物質中的能量損失的重要物理量線性能量傳遞linear energy transfer（LET），是指單位長度徑跡上能量的傳遞。國際輻射單位委員會（The InternationalCommission on Radiology Units）對其的定義是：在介質中帶電粒子的線性能量傳遞（LET）是dE/dL，在此dE是特定能量的帶電粒子，在dL的傳遞距離中給予介質的局部能量，即LET=dE/dL［4-5］。

1　Geant4模型

離子定義：離子定義中采用C++中的指針函數particleTable->GetIon()來定義離子的類型。

物理過程：12C、20Ne離子在水中物理過程采用G4hMultipleScattering與G4ionIonisation基類，從而模擬離子的多重散射和電離相互作用的過程［11］。

2　模擬結果與分析

2.1重離子與光子輸運過程模擬

圖112C離子在水中輸運過程Fig.1 Trajectory of12C ion in water

圖2　γ光子在水中的輸運過程圖Fig.2　Trajectory ofphoton in water

圖1和圖2為Geant4模擬C離子與γ光子在水中的輸運過程。

由圖1和圖2對比可見，由于重離子質量大，與物質相互作用時，橫向散射小，幾乎是沿直線運動，與常規的放射治療相比重離子能夠精確地在局部位置殺死腫瘤細胞，避免腫瘤周圍正常組織受到照射。

2.2不同離子束的LET

圖312C、20Ne離子在水中LET分布Fig.3　LET distribution of12C and20Ne ion in water

圖3為400MeV/u12C、20Ne在水中的LET分布，數據在初始位置即Z=0mm處進行了歸一化處理。由圖3可見，12C、20Ne在水中的能量沉積具有Bragg峰的性質，即離子能量沉積集中在射程末端，并且隨著入射離子質量增加，Bragg峰峰值增高，與12C相比，20Ne離子在峰區的能量沉積增加。

2.3不同能量離子束的劑量分布

圖4　不同能量12C離子在水中的深度劑量分布Fig.4　Dep th-dose distribution of12C ion atvarious energies in water

圖5　不同能量20Ne離子在水中的深度劑量分布Fig.5　Depth-dose distribution of20Ne ion atvarious energies in water

圖4、圖5為不同能量離子在水中的深度劑量分析結果,從圖中可以看出，不同能量12C、20Ne離子在射程末端都有高劑量的能量損失。體現了離子能量沉積具有Bragg峰特點，并且隨著入射離子能量的增加，離子的劑量分布減小，離子在水中的射程增大，利用離子束獨特的倒轉深度劑量分布，可以通過改變入射離子的能量來調節離子束在組織中能量沉積的位置，從而達到對腫瘤位置的精確治療，并降低對病灶周圍正常組織的影響。

由圖4和圖5對比可見，相同能量下20Ne離子的射程短，但劑量分布高，可利用20Ne離子對淺表部位的腫瘤進行治療。

3　結論

基于Geant4能夠模擬離子與物質相互作用的過程，研究利用Geant4程序模擬可視化光子和重離子在水中的輸運過程，并計算80-430MeV/u12C、20Ne離子在人體等效組織水中的劑量分布及LET分布，由于重離子的能量沉積具有Braag峰的特點，可利用重離子對腫瘤進行精確治療。由于20Ne離子在人體等效組織中的射程短，劑量分布高，因此20Ne離子在淺表腫瘤治療中具有更大的優勢。

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Gean4-based sim ulation of depth-dose for12C and20Ne ion

WANG Zhen-chao,GUAN Shi-rong,ZHANGHui,MEIXue-song,PANGYang,ZHAO Lin
(Department III,Technical Physics Institute ofHeilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150086,China)

Trajectory of photon and heavy-ion in waterwere simulated via Geant4.Depth-dose distribution of12C ion and20Ne ion in waterwere computed at80-430MeV/u.The LET characteristics of12C ion and20Ne ion were discussed.Itwas found thatwhen the heavy ion interacted withmatter itpractically travel in a straightpath.Compare to12C ion,20Ne ion had shorter rangeandmore d epth-dose inwater.

Geant4;Heavy-ion;Depth-dose;LET

O571.33

A

1674-8646（2016）04-0008-02

2016-01-06

王振超(1986-)，男，遼寧朝陽人，碩士，助理研究員，主要從事核技術應用的研究。