基于Geant4的硼中子俘獲治療的能量沉積分布研究

周小平,張 巍

(中國原子能科學研究院,北京 102413)

0 引 言

硼中子俘獲治療(boron neutron capture therapy，BNCT)主要通過將具有選擇性的含硼藥物注射入人體血液，然后富集于腫瘤細胞中，受中子照射后，經過10B(n,α)7Li反應放出的高能量、短射程的α粒子和7Li粒子，來殺死腫瘤細胞，而不傷害正常組織[1-3]。

本文以修正的Snyder模型為對象，采用中心點算法[4]，網格尺寸為2.0 mm×2.0 mm×2.0 mm，僅考慮5種材料(皮膚、顱骨、腦組織、癌變組織和空氣)，假設網格中心點處的材料成分和密度為整個網格的材料成分和密度。采用Geant4軟件工具包模擬加速器束流中子在人體組織內的輸運行為，統計各種次級粒子引起的能量沉積，分析束流中子對癌變組織及正常組織的輻射損傷。

Geant4是歐洲核子研究中心(European Organization for Nuclear Research,CERN)開發的面向對象編程的軟件工具包，基于蒙特卡洛方法模擬各種粒子在物質中的運動行為，廣泛用于高能物理、核能實驗、醫學、加速器和空間物理學研究等領域，已被全球許多研究項目所使用。

1 能量沉積

當量劑量是組織或器官接受的平均吸收劑量乘以輻射權重因子后得到的乘積。其中，吸收劑量是指單位質量物質受輻射后吸收輻射的能量沉積，其國際制單位為Gy(1 Gy=1 J/kg)。

在BNCT治療中，能量沉積的來源包括：α粒子、7Li粒子、光子、電子、質子、其他重核等。主要的能量沉積來自于10B(n,α)7Li反應放出的高能量、短射程的α粒子和7Li粒子，其反應關系式為：

其中，

不同次級粒子引起的能量沉積對吸收劑量的輻射權重因子不同[5-6]，如表1所示。在Geant4模擬計算中，中子不直接產生能量沉積，而是通過其他次級粒子作用引起能量沉積。

表1 次級粒子的輻射權重因子Table 1 Radiation weight factor of secondary particle

含硼藥物(10B)引起的能量沉積由α粒子(僅指由中子與10B反應所產生的α粒子)和7Li粒子引起的能量沉積之和。

2 模型介紹

2.1 Snyder模型

目前，理論計算普遍采用的頭部模型是修正的Snyder橢球模型[3-4]。它是由3個橢球組成，將整個頭部組織由外至內分為頭皮、顱骨和腦組織三個部分，如圖1所示。其中，腦組織在+Z方向有1 cm的偏心。各分界面滿足下列3個橢球方程(1)、(2)、(3)。

1)頭皮與空氣：

(1)

2)顱骨與頭皮：

(2)

3)腦組織與顱骨：

(3)

橢球模型被空氣包圍，整個空間被分為4個部分，相應的生物組織分別為：空氣、皮膚、顱骨、腦組織，其密度分別為1.293×10-3、1.040、1.610、1.090 g/cm3。4種組織的元素成分由ICRU46給出，如表2所示。

圖1 Snyder模型剖面圖Fig.1 the profile map of Snyder model

表2 人體組織元素成分Table 2 The element composition of human tissue 單位：%

2.2 計算方案

假定入射中子能譜為加速器束流質子轟擊鈹靶后經慢化體慢化整形后超熱中子譜[10]，如圖2所示。

圖2 束流中子能譜Fig.2 Spectrum of neutron beam

假設中子從某個固定點、向固定方向發射，出射方向為-Z方向，初始出射位置為(0 cm,0 cm,10 cm)。

僅考慮腦組織吸收不同10B質量比的含硼藥物，其他組織成分不變。這里的10B質量比，是指10B原子占組織成分的質量分數。含硼藥物中10B質量比分別為0、10、20、30、40 mg/kg。

同時考慮在(0,0,5 cm)位置有一個腫瘤組織，其10B質量比為40 mg/kg，正常組織的10B質量比為10 mg/kg，如圖3所示。其分界面滿足橢球方程(4)。

(4)

圖3 含癌變組織的Snyder模型(YZ)Fig.3 Snyder model with canceration issue(YZ view)

3 結果分析

Snyder模型統計了腦組織吸收不同含硼質量比情況下的次級粒子能量沉積，得到了各次級粒子(α粒子，7Li粒子，電子，光子，質子及其他粒子)沿入射中子方向(Z-方向)的單位中子引起的能量沉積分布情況[6-7]。初始計算粒子數目為2.0×109個，各組織區域的能量沉積分布平均方差不超過2%。

當10B質量比為0時，其次級粒子(電子，光子，質子及其他粒子)引起的沉積能量和總的能量沉積的分布情況(其中光子引起的沉積能量對應于次縱坐標)，如圖4所示。結果表明，光子引起的能量沉積最低，可以忽略不計；質子、其他重核引起的能量沉積次之，占比很低；當腦組織含10B質量比為0 mg/kg時，能量沉積主要由電子引起。

圖4 次級粒子能量沉積分布Fig.4 Energy deposition distribution of secondary particles

電子、光子、質子和其他粒子引起的能量沉積，不隨含硼藥物質量比增加而增加，如圖5、圖6、圖7、圖8所示。

圖5 電子引起的能量沉積分布Fig.5 Distribution of energy deposition caused by electron

沿入射中子方向(Z-)的總能量沉積和10B引起的能量沉積分布情況如圖9所示。結果表明，10B引起的能量沉積隨硼質量比的增加而增加，且占總能量沉積的比例很大；能量沉積呈先上升后下降的變化趨勢，且在3.0 cm處，能量沉積達到峰值；當入射深度在2.0～5.0 cm時，10B引起的能量沉積占比超過80%，峰值占比達到96.59%，如表3所示。

圖6 質子引起的能量沉積分布Fig.6 Distribution of energy deposition caused by protons

圖7 光子引起的能量沉積分布Fig.7 Distribution of energy deposition caused by photons

圖8 其他粒子引起的能量沉積分布Fig.8 Distribution of energy deposition caused by other particles

單位10B質量比引起的能量沉積分布情況，如圖10。結果表明，單位10B質量比引起的能量沉積隨含硼藥物質量比略微下降，10B引起的能量沉積與含硼藥物質量比呈線性正相關，說明提高含硼藥物質量比能有效增加癌變組織的輻射損傷效果。

圖9 不同含10B質量比藥物對總的和10B引起的能量沉積的影響Fig.9 Effects of different concentrations of boron-containing drugs on energy deposition caused by total and B-10

圖10 單位10B質量比的能量沉積分布Fig.10 Energy deposition distribution of B-10 per unit concentration

4 結 論

本文采用Geant4開發程序包，網格化Snyder模型，構建中子輸運計算模型，評估加速器束流中子照射不同質量比含硼藥物的腦組織條件下的能量沉積的來源和分布情況。

表3 10B能量沉積在總的能量沉積中的占比Table 3 The proportion of boron-10 energy deposition in total energy deposition

研究表明，癌變組織吸收一定質量比的含硼藥物，在一定照射深度范圍，能有效提高癌變組織的能量沉積，從而達到治療效果；10B引起的能量沉積與10B質量比呈線性關系，應在后續BNCT研究中提高癌變組織的含硼藥物質量比，同時抑制正常組織的含硼藥物質量比。

研究結果對BNCT的方案設計、效果評估具有參考意義，同時表明，Geant4軟件開發包可以用于BNCT的方案設計和效果評估。