mev

基于3.5MeV射频四极质子加速器硼中子俘获治疗装置的束

流整形体设计

田永顺;胡志良;童剑飞;陈俊阳;彭向阳;梁天骄

【摘要】在硼中子俘获治疗(BNCT)装置中,束流整形体(BSA)的作用是将中子源产

生的快中子束流慢化至超热中子能区(0.5eV

热中子和γ射线的成分,同时保证中子的方向性,其设计与优化是BNCT装置设计工

作的核心内容之一.本文采用3.5MeV,10mA的质子束轰击锂靶,由核反应

7Li(p,n)7Be产生的中子为源项,针对BSA的慢化体材料和结构、γ屏蔽层和热中

子吸收层的厚度等参数进行蒙特卡罗模拟设计与优化.研究发现,采用Fluental和

LiF两种慢化材料间隔2cm层状堆叠的三明治BSA构型,在保证快中子剂量成分

(Df/φepi),γ剂量成分(Dγ/φepi)和热中子比例φth/φepi满足IAEA-TECDOC-

1223报告推荐要求的同时,在BSA出口处超热中子注量率优于单独使用Fluental

和单独使用LiF的BSA设计.BSA出口处修正的Synder人头几何模型中的剂量分

布计算结果显示:上述三明治构型的深度剂量分布与单独使用Fluental材料构型的

结果基本相当,优于单独使用LiF构型,表明Fluental和LiF层状堆叠的三明治BSA

构型是一种可行的BSA结构.

【期刊名称】《物理学报》

【年(卷),期】2018(067)014

【总页数】9页(P107-115)

【关键词】硼中子俘获治疗;蒙特卡罗模拟;束流整形体;慢化

【作者】田永顺;胡志良;童剑飞;陈俊阳;彭向阳;梁天骄

【作者单位】湘潭大学物理与光电工程学院,湘潭411105;东莞中子科学中心,东

莞523803;中国科学院高能物理研究所,北京100049;东莞中子科学中心,东莞

523803;中国科学院高能物理研究所,北京100049;东莞中子科学中心,东莞

523803;中国科学院高能物理研究所,北京100049;东莞中子科学中心,东莞

523803;中国科学院高能物理研究所,北京100049;湘潭大学物理与光电工程学院,

湘潭411105;东莞中子科学中心,东莞523803;中国科学院高能物理研究所,北京

100049

【正文语种】中文

1引言

1936年,生物物理学家Locher[1]正式提出硼中子俘获治疗的方法.含硼药物注射人

体后,主要富集于肿瘤细胞内,可以在细胞水平上靶向选择肿瘤细胞.10B相对于组织

其他常见元素(O,0.19mb(1b=10−28m2);C,3.5mb;H,0.333b;N,1.91b)具有非

常大的热中子俘获截面,达到3838b.热中子与10B发生如下核反应:

反应所释放出的MeV量级能量α粒子和7Li粒子,相比γ射线,由于具有更高的线

性能量转移,导致相对生物效应(RBE)和生物损伤增强,对肿瘤细胞的杀伤力更强.同

时,在人体细胞内,0.84MeV的7Li的射程为9µm,1.47MeV的α粒子射程为

5µm,与细胞尺度相当,使其杀伤范围限制在含硼细胞附近,在杀死癌细胞的同时,最

大限度地保护正常细胞,采用超热中子照射时,可利用其深穿透能力实现深部肿瘤治

疗.美国布鲁克海文国家实验室和麻省理工学院于20世纪50年代建立基于核反应

堆热中子束的硼中子俘获治疗装置,并开展临床实验[2,3];20世纪80年代新的有较

强亲肿瘤性含硼药物巯基十二硼烷二钠盐和L-对硼酰苯丙氨酸开始应用于硼中子

俘获治疗[4];20世纪90年代,麻省理工学院提出基于反应堆的超热中子束流设计方

案[5].随着加速器技术的进步,基于加速器的硼中子俘获治疗(A-BNCT)装置发展迅

速,与反应堆中子源相比,具有造价低、运行维护简单、可治疗深部肿瘤、易于在人

口稠密地区医院普及使用等优点,近年来美国、日本、芬兰、英国等十几个国家在

开展A-BNCT的研究,包括中子产生靶的研究[6,7]、针对不同中子源的束流整形体

(BSA)的设计[8−10]、治疗计划软件和剂量评测方法[11,12]、新含硼药物的研究

[13]等.

本文将报告基于中国科学院高能物理研究所已有的3.5MeV射频四极场(RFQ)质

子加速器[14]建立的BNCT实验装置的BSA设计优化.首先介绍A-BNCT的原理和

BSA的结构和功能;之后描述我们的BSA基线设计以及对BSA优化结果进行评价

的两种方法:IAEA-TECDOC-1223报告推荐的BSA出口的中子束流参数评价方法

及Synder人体头模中的剂量分布评价方法;最后介绍BSA优化设计的计算模型、

计算方法、计算结果和讨论.

2A-BNCT原理与BSA

2.1A-BNCT

目前,BNCT所使用的中子源主要有反应堆中子源和加速器中子源.A-BNCT是指使

用加速器产生的带电粒子(质子、氘等)轰击靶核,得到的中子作为BNCT的中子源.

基于低能质子加速器的中子源一般采用Li靶或Be靶,利用核反应7Li(p,n)7Be和

9Be(p,n)9B反应产生中子.7Li和9Be的反应阈能分别为1.88MeV和2.057MeV,

在质子能量低于10MeV时,7Li中子产额高于9Be,质子能量为3.5MeV时,锂靶中

子产额约为铍靶的3.7倍,因此我们的设计基于锂靶.3.5MeV质子束轰击锂靶产生

的快中子需通过BSA慢化得到超热中子束,才能用于病人的治疗.

2.2BSA的结构与功能

7Li(p,n)7Be反应得到的中子平均能量在0.724MeV,直接照射病人将导致较大的

快中子剂量.BSA的作用是将中子能量慢化至超热中子范围(0.5eV

时保证中子的方向性,并尽可能减弱有害的快中子、热中子和γ射线的成分.BSA的

结构如图1所示,主要包括慢化器、反射体、准直器、热中子吸收层和γ屏蔽层等

部分.

图1BSA结构示意图ticofbeamshapingasmbly.

慢化器材料需要使快中子快速失去能量到超热能区,同时不至于过度慢化,产生过多

的热中子.中子与慢化材料原子核的每次弹性碰撞的能量损失与靶核的原子质量有

关,

其中M和m分别为靶核质量和中子质量,E为中子初始能量,因此慢化材料的原子

质量不能太大.超热中子慢化材料要求在高能量部分有较大的散射截面,在超热能区

范围截面较小,同时在慢化过程中产生的γ射线较少.已知的较合适的慢化材料有

AlF3,D2O,LiF,Fluental,MgF2等,其中Fluental是一种应用较广的复合材料,其成

分为69%质量比例的AlF3,30%的Al和1%的LiF[15].

反射体的功能是将从慢化器逸出的部分中子反射回慢化器,使BSA出口处超热中子

注量率最大化,其材料需要有高的弹性散射截面和低的吸收截面;准直器是为了控制

中子束流的尺寸、形状和方向性,减少中子出口外的其他区域的中子本底,一般采用

如图1所示的锥形孔道结构将中子束引至病人肿瘤位置照射治疗;热中子入射时,其

剂量主要集中在皮肤和组织表层,使用BNCT治疗深部肿瘤时,为减少热中子对皮肤

和正常组织表层的影响,需在BSA中设置具有高的热中子吸收截面的热中子吸收层;

为降低γ射线对健康组织的剂量,BSA中还包括一定厚度的γ射线屏蔽层.

3BSA基线设计与评价方法

3.1BSA基线设计

我们之前的工作确定的BSA基线设计如图1所示.其中中子产生靶为锂靶,直径为

10cm,质子束道垂直于靶,孔道直径为10cm;靶产生的中子侧向引出,慢化器轴向

垂直于质子束道,为直径40cm的圆柱体,材料为Fluental;反射体的材料选用

Teflon包裹靶体和慢化器,在慢化器径向的厚度为20cm;γ屏蔽材料选用铋(Bi),位

于慢化器和反射体下游,厚度为0.2cm;热中子吸收层滤片采用含6Li材料,6Li质量

密度为0.11g/cm2;准直器的材料采用锂化聚乙烯,厚度为10cm,准直器中子引出

锥体角度(底面半径/轴线长度)为0.75,中子孔道出口半径为7.5cm.本文对其中慢

化器的结构和材料以及γ屏蔽层和热中子吸收层的参数做了进一步优化.

3.2BSA设计结果评价

采用两种评估方法对设计优化结果进行评估.第一种评估方法采用表1所列的国际

原子能机构报告(IAEA-TECDOC-1223)推荐的出口处的中子能谱的参数为参考标

准[16].

表1IAEA推荐出口处能谱参数[16]utronbeamparameters

recommendedbyIAEA[16].超热中子注量率(φepi)/cm2·s>109快中子成分

(Df/φepi)/Gy·cm2·n−1epi<2×10−13γ成分(Dγ/φepi)/Gy·cm2·n−1epi

<2×10−13热中子比例φth/φepi<0.05流量通量比值J/Φ>0.7快中子能区

E/eVE>10超热中子能区E/eV0.5

表1的快中子成分Df/φepi和γ成分Dγ/φepi分别指快中子和γ的吸收剂量与超

热中子注量率的比值;热中子比例φth/φepi是指出口处热中子与超热中子注量率

的比例;流量通量比值J/Φ是指中子流密度和中子注量率的比值,代表中子束的方向

性.优化目标是在快中子成分Df/φepi、γ成分Dγ/φepi、热中子比例φth/φepi

等参数满足表1要求时尽可能提高超热中子注量率.

采用修正的Synder人体头模中的剂量分布结果评估BSA设计是另一种常用的评

价方法[17].定义治疗比率RT值——不同深度位置的肿瘤总剂量与正常组织总剂量

(总剂量定义见第4节)深度方向的最大值的比值,用于表征对相应深度肿瘤的治疗能

力.同时,定义治疗深度DT为肿瘤总剂量大于或等于正常组织总剂量深度方向的最

大值的深度,即RT>1的深度,用于表征中子束的穿透性和进行BNCT治疗的肿瘤深

度,并以更大的RT值和DT值作为对BSA设计的另一个评价标准.

4计算模型与计算方法

计算使用蒙特卡罗模拟软件MCNPX[18],MCNPX是美国洛斯阿拉莫斯国家实验

室开发的一套模拟粒子在物质中输运过程的通用蒙特卡罗计算程序,可模拟中子、

光子、电子及部分带电粒子在物质中的输运.

采用二次源项分步计算的方法,以节省计算时间.首先采用MCNPX计算了简单几何

条件下直径为10cm均匀分布的3.5MeV质子束轰击直径为10cm、厚度为

290µm锂的出射中子能量、角度及空间分布,核反应7Li(p,n)7Be数据源自

ENDF7.0数据库,根据上述计算结果制作了后续BSA计算模型中直径为10cm、

厚度为290µm的锂层处的MCNPX输入卡的二次中子源项.根据基线设计参数建

立BSA的几何模型,采用上述二次中子源项,进行BSA几何模型的中子/γ射线的输

运计算.在计算出口中子束参数时,在出口处紧贴准直器出口的位置建立厚度为0.5

cm,半径为7.5cm(与出口半径一致)的栅元,用于IAEA-TECDOC-1223相关参数蒙

卡模拟计算的计数.

进行头模剂量分布计算时,在BSA的出口位置加入修正的Synder人头几何模型

[17],在Synder头模中中子束线的方向建立厚度为4mm,半径为2.5mm的小栅

元,用不同深度的小栅元来分别模拟相应深度的肿瘤.目前,BNCT的头部肿瘤剂量分

布蒙卡模拟计算一般都采用修正的Synder椭球模型.修正的Synder人头体模由三

个椭球组成:

(3a),(3b),(3c)式分别为脑、颅骨、头皮、空气的间隔曲面.头模由三个不同区域构

成,由内到外分别代表成年脑组织、颅骨、和头皮组织,其成分和密度由国际辐射单

位与测量委员会的报告ICRU-46[15,19]给出,具体数据如表2所列.脑组织、肿瘤

和健康组织细胞中的其他元素组分基本一致,本文中肿瘤和健康组织的硼浓度分别

采用35ppm和10ppm(1ppm=10−6)[20].

在BNCT治疗中,细胞中的主要成分包括C,H,O,N和B,肿瘤和正常组织的辐射剂量

主要来自以下几个方面:硼剂量主要来自热中子和10B的辐射俘获反应;氢剂量主要

由快中子与氢碰撞后的反冲质子贡献;氮剂量主要由氮与热中子的反应

14N(n,p)14C产生的质子贡献;另一重要的组成部分γ射线剂量,主要来自体模内中

子辐射俘获和BSA中产生的γ射线;C和O元素的中子反应带来的剂量在总剂量中

占比较小.

表2脑、颅骨和头皮组织的元素组成和密度[15,19]tal

compositionanddensityofbrain,bone,andscalp[15,19].脑1.04

H,10.7;C,14.5;N,2.2;O,71.2;Na,0.2;P,0.4;S,0.2;Cl,0.3;K,0.3颅骨1.61

H,5;C,21.2;N,4;O,43.5;Na,0.1;Mg,0.2;P,8.1;S,0.3;Ca,17.6头皮1.09

H,10;C,20.4;N,4.2;O,64.5;Na,0.2;P,0.1;S,0.2;C,l.3;K,0.1

对肿瘤细胞和正常细胞的杀伤作用还需考虑不同剂量来源的相对生物学效应.总剂

量(DRBE)由在物理吸收剂量上分别乘以相对生物学效应因子获得,如(4)式所示:

其中Di分别为DN,DH,DC,DO,Dγ,为前述不同来源的吸收剂量;为相应的生物学效

应因子[21].本文的计算中相对生物学效应因子分别采用=3,硼剂量的影响不仅与相

对生物学效应有关,还与硼在细胞中的微观几何位置有关,所以引入复合因子肿瘤和

健康组织的复合因子不同,在计算肿瘤总剂量和健康组织总剂量时分别为[22].

5计算结果与讨论

5.1BSA出口中子能谱参数优化

图2和图3显示了单独使用Fluental和LiF作为慢化材料、慢化材料厚度为24—

38cm时BSA出口处的中子能谱(勒谱).图中显示,将快中子慢化到相等的平均中子

能量,单独使用LiF做慢化材料的构型比单独使用Fluental的构型所需的慢化材料

厚度更低.这是因为一方面LiF中19F质量比例(73.2%)大于Fluental(47.6%),19F

的第一、第二激发态分别为109.9keV和197.1keV,在100keV以上有较高的非

弹性散射截面,可以使快中子快速失去能量到100keV以下;另一方面LiF中的7Li

相对于Fluental中的27Al有更小的原子质量,中子在每次与7Li弹性碰撞时相比

于27Al碰撞失去更多能量.Fluental构型的出口能谱在20—30keV和60—70

keV区域有两个峰,这两个峰主要源于Fluental截面中27keV附近和接近70keV

处的较小的截面值导致该能区中子的平均自由程较长,较易泄露;当Fluental增加到

足够厚度时,60—70keV能区的峰与20—30keV能区的峰均减弱,同时BSA出口

的中子注量率也随之降低,这是由于更多中子被慢化吸收和出口位置与源中子的距

离增加的几何效应;此外,能谱中1—10keV几处谷值来自于γ屏蔽材料Bi的共振

俘获,与209Bi截面中的共振峰相对应.而在LiF构型的能谱中,峰值处于1keV左

右,60—70keV峰随着厚度的增加在7Li的弹性散射作用下下降明显,可以有效地

降低快中子的比例;但同时LiF相对于Fluental会慢化产生更多热中子和热中子辐

射俘获产生γ射线,需要增加γ屏蔽和热中子吸收层的厚度,也会降低出口的中子注

量率.因为两种材料分别具有的上述优势和缺点,我们考虑使用Fluental和LiF两种

材料的复合结构来寻求两者的平衡.

图2不同厚度Fluental的BSA出口中子能谱nenergyspectraof

DifferentthicknessofFluentalatBSAexit.

图3不同厚度LiF的BSA出口中子能谱nenergyspectraof

DifferentthicknessofLiFatBSAexit.

我们计算了Fluental和LiF两种材料总厚度比例为1:1,2:1,3:1等不同情况,以及相

对应的不同层状结构的组合方式,发现层状间隔的三明治构型具有更高的超热中子

比例.图4显示了每2cm层状间隔Fluental和LiF作为慢化材料,在不同厚度时

BSA出口处的能谱.图5显示了上述三种构型能谱峰值相近的能谱形状的对比,图中

的Fluental-LiF三明治构型为每2cm层状间隔Fluental和LiF、总厚度为30

cm;Fluental构型为单独使用Fluental作为慢化材料,厚度为36cm;LiF构型为单

独使用LiF作为慢化材料,厚度为26cm.从图5可以看到Fluental-LiF三明治构型

的能谱在10—40keV区间比Fluental构型的更低,同时60—70keV的峰值降低,

减少了快中子的成分;相对于LiF构型的能谱在1—10keV区间更高,超热中子总注

量率增加.

以前述三种慢化器构型作为基础,在满足快中子成分Df/φepi,γ成分Dγ/φepi、热

中子比例φth/φepi这三个参数的控制要求的前提下,寻找各自构型的最大的超热

中子注量率的设计优化.在表1的参数中,快中子成分Df/φepi,γ成分Dγ/φepi、热

中子比例φth/φepi分别代表了快中子、γ射线和热中子的相关参数的控制值.

图4不同厚度的Fluental-LiF三明治构型的BSA出口中子能谱n

energyspectraofDifferentthicknessofSandwichFluental-LiF

configurationatBSAexit.

图5不同构型的BSA出口能谱对比nenergyspectraatBSAexit

ofDifferentBSAconfiguration.

通过大量的优化计算,发现中子能谱的Df/φepi,Dγ/φepi和φth/φepi三个参数满

足IAEA的推荐标准的条件下,单独使用Fluental慢化材料的构型(构型1),优化参

数为:Fluental厚度为46cm,γ屏蔽层铋厚度为1.5cm,热中子吸收层6Li厚度为

0.004cm,BSA出口的最大超热中子注量率为7.81×108n/(cm2·s);单独使用LiF作

为慢化材料的构型(构型2)优化参数为:LiF总厚度为36cm,铋厚度为1.7cm,6Li厚

度为0.06cm,BSA出口的最大超热中子注量率为8.79×108n/(cm2·s);使用

Fluental和LiF两种慢化材料2cm层状堆叠的三明治构型(构型3)优化参数

为:Fluental和LiF总厚度为39cm,铋厚度为1.9cm,6Li厚度为0.024cm,BSA出

口的最大超热中子注量率为9.14×108n/(cm2·s),相比构型1和构型2更高.具体能

谱参数如表3所列.

表3优化的三种构型的能谱参数amparametersofDifferent

configurations.构型主要参数

(Df/φepi)/Gy·cm2·n−1(Dγ/φepi)/Gy·cm2·n−1φth/φepiCurrent/flux

φepi/n·cm−2·s−1epiepi构型1Fluental46cm;铋1.5cm;6Li0.004cm

1.93×10−131.99×10−130.04820.7237.81×108构型2LiF36cm;铋1.7

cm;6Li0.06cm1.94×10−131.96×10−130.04870.7268.79×108构型3

Fluental&LiF三明治构型39cm;每层厚度2cm;铋1.9cm;6Li0.024cm

1.99×10−131.98×10−130.04890.7319.14×108

5.2体模剂量评估

为了反映BNCT治疗时剂量的分布情况,在BSA的出口位置加入修正的Synder人

头几何模型.图6为加入修正的Synder头模的计算模型几何剖面图,图中右侧椭圆

结构即为修正的Synder头模,BSA内部结构同图1.

图6BSA与Synder头模apingasmblyandSnyderhead

phantom.

在此基础上计算表3三种BSA构型下Synder头模中的剂量随深度分布.图7中左

侧坐标为RBE等效剂量,右侧坐标为RT值.图中显示了前述氢剂量、氮剂量、碳剂

量、氧剂量、γ射线剂量、健康组织硼剂量、肿瘤硼剂量以及健康组织总剂量和肿

瘤总剂量随深度分布情况.计算健康组织总剂量时,头皮、颅骨层和内部脑组织硼浓

度均采用10ppm,计算肿瘤总剂量时,头皮、颅骨层硼浓度采用10ppm,内部脑组

织硼浓度采用35ppm.可以看出,BSA优化以后快中子、热中子和γ射线成分的降

低,相应地降低了健康组织的氢剂量、氮剂量和γ射线剂量.表4列出了几种不同构

型的治疗时间(正常组织剂量达到12.5Gy的时间)、DT,RTmax.可以看到三者的治

疗深度一致;Fluental-LiF三明治构型(构型3)比LiF构型(构型2)有更高的RT值和

相近的治疗时间,与Fluental构型(构型1)RT值基本相当,且因其中子注量率较高,相

对于Fluental构型(构型1)所需治疗时间更短,是一种较好的BSA构型.

表4治疗时间、治疗深度、RT对比ytime,treatmentdepth,and

maximumtherapyratio.治疗时间/min治疗深度/cmRTmax构型1538.74.50

构型2458.74.36构型3448.74.49

图7剂量深度分布与RT对比(a)构型1;(b)构型2;(c)构型3;(d)RT深度分布对比

istributionsoftheequivalentdosanddepthdistributions

oftherapyratio:(a)Fluental;(b)LiF;(c)fluentalandLiF(1:1),thickness(39

cm);(d)depththerapyratiocomparisonofDifferentmoderator.

6结论

提出了Fluental-LiF三明治结构作为慢化材料的BSA构型,优化计算后发现,这种构

型相对单独使用Fluental或者LiF的BSA构型在保证出口处的γ成分、快中子成

分和热中子比例符合IAEA所推荐的控制值的前提下,有更高的超热中子注量率.通

过对出口处Synder体模中的剂量分布的计算发现,这种结构比单独使用Fluental

的结构所需治疗时间更短,相对单独使用LiF的结构RT值更高.因此,Fluental-LiF

三明治构型是一种可行的BSA构型.

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