質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

質子放射治療與使用光子的放射治療相比有一定的劑量學優勢[]，但遠離靶區的健康組織中劑量沉積引起的晚期效應（如繼發性癌癥）還是會引發擔憂[2]。研究者們對質子放療產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，計算結果表明對于 的箱型靶區，正常組織中子劑量和靶區劑量之比大約為（ ）.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節器對中子的產生有顯著影響。WANG[5]計算了質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子治療系統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，FLASH-RT）的平均劑量率高于 ，遠高于常規放療使用的劑量率 ），在總治療劑量不變的情況下，FLASH-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，節約了治療成本，有可能成為下一代的質子治療技術[7]質子FLASH的設備系統和傳統質子治療系統有相似之處，同樣可以使用降能器調節質子能量進行點掃描照射。降能器是用來調節質子能量的一種可調節自身厚度的裝置[8]。目前質子治療系統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子FLASH條件下兩種布置方案放療時產生的中子劑量的大小，同時評估了質子在降能器產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，對兩種質子治療系統布置方案產生的次級中子進行對比，主要觀察降能器在治療室內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。

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 的質子，步長設為 1cm （實際在質子治療中，醫師會根據機器性能和治療經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 的單能質子照射。分隔型中各種能量的質子束流直接從源項生成，緊湊型的質子束流初始為 230MeV ，通過調節降能器厚度產生各種能量的質子束流。

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。質子照射深度 4～10cm ，展寬后的布拉格峰寬度為6cm ，照射面積設為 10cm×10cm 。采用權重適配的布拉格峰展寬方法[3]計算得到的質子能量分布和權重。

緊湊型治療室的質子初始能量為 230MeV ，人射質子能量由降能器的厚度調節，降能器材料為PMMA（PolymericMethylMethacrylate），化學式C₅H₈O₂ ，密度 1.2g/cm³ 。為了阻擋散射質子和部分中子，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。權重適配的布拉格峰展寬方法是通過重新擬合質子能量-射程的關系（蓋格法則），找出適配函數的函數形式，并對各能量質子的權重進行重新適配，得到平滑的布拉格峰[13]

質子能量對應的相對權重 W（R） 用式（1） 計算： 式中， R 為質子射程， 為材料密度， g/cm³ d_min 和 d_max 分別為質子照射步長區域的前后邊界， cm ： α，P 為擬合系數，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， k 為 敏感參數[13]

1.3 質子源項

計算的質子FLASH束流強度為 80nA ，分隔型方案下，質子能量由質子源直接定義，緊湊型方案下，不論人射水模型的質子能量為多少，質子源能量都設為 230MeV ，通過改變降能器的厚度改變質子能量。分別計算了兩種質子入射的情況，一種是深度為 4～10cm 時，步長設為 1cm 的質子能量分布，每個步長對應一個質子能量，則能量為6組，各種能量質子的占比由公式（1）算出，另一種是 70MeV 單能質子照射情況，

1. 4 數據分析

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

式中， 為有效劑量率， 為吸收劑量率，Gy/s;RBE 為相對生物學效能，質子RBE值為1.1^[15] ，中子 RBE 值是能量的函數，最大為20，此處為了簡化計算，保守設為 20^[16] 。常見的治療計劃系統一般只考慮質子劑量[17]，本文以質子 RBE 加權劑量作為質子累積劑量，通過質子累積劑量達到 60Gy 時的照射時間（由PHITS輸入輸出參數算出），計算得到此時的中子RBE加權劑量，即中子累積劑量。

2 計算結果

2.1第一種照射條件下的中子劑量分布

通過權重分配形成的質子能量和對應的降能器厚度和權重列于表1，近似形成一個深度為4＼～10cm ，步長設為 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。可以看出對于分隔型和緊湊型，照射中心的中子劑量率差別不大，照射中心以外區域中子劑量率有明顯差別。

本文使用中子劑量率 和質子劑量率 的比值 ，評估非照射中心的中子輻照強度，此數值不受質子束流強度的影響。圖7展示了水模型表面 Z=0～1cm 范圍內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 內緊湊型與分隔型 的差別小于1個數量級， 25cm 以上時略高于1個數量級。

表2列出了水模型表面 Z=0～1cm 范圍內離照射中心 5cm，10cm，20cm，30cm 的 和累積中子劑量。計算結果表明在 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 質子放療時分隔型和緊湊型的水模型內中子劑量率分布，圖10為 Z=0～1 cm范圍內離照射中心橫向不同距離的中子劑量率。

圖11是兩種類型質子治療系統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子劑量的比值，根據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。計算結果表明入射質子能量為 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，當質子能量越低，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子能量越小，緊湊型治療室內 230MeV 質子在降能器中損失的能量越多，產生的次級中子也越多。而分隔型治療室內的中子劑量主要來自與質子與靶區物質發生的反應，入射質子能量較低時，質子在水模型內行程更短，產生的次級中子數量也更少。

3結論

本文通過蒙特卡羅仿真計算，分別對4～10cm照射深度和 70MeV 質子照射情況下的次級中子劑量進行計算。結果表明在兩種情況下，根據離照射中心的不同距離，緊湊型產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 單能質子、60Gy 質子累積劑量下，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，很大一部分研究數據來源于對CT診療病人的跟蹤調查[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據，其中兒童對輻射的敏感度要比成年人大 10～ 15 倍[20]。ICRP 認為有可靠的科學證據表明，?100mSv 的全身暴露會增加暴露人群發生癌癥的可能性[21]，隨機性效應則沒有閾值，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閾值，還是為了降低隨機性效應發生的概率，降能器在治療室外的分隔型布置方案會是風險更低的選擇。在條件允許的情況下，治療室內的束流傳輸路徑上應盡量減少能夠產生次級輻射的裝置。

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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