基于Geant4的硼中子俘获治疗的能量沉积分布研究

周小平,张 巍

(中国原子能科学研究院,北京 102413)

0 引 言

硼中子俘获治疗(boron neutron capture therapy，BNCT)主要通过将具有选择性的含硼药物注射入人体血液，然后富集于肿瘤细胞中，受中子照射后，经过10B(n,α)7Li反应放出的高能量、短射程的α粒子和7Li粒子，来杀死肿瘤细胞，而不伤害正常组织[1-3]。

本文以修正的Snyder模型为对象，采用中心点算法[4]，网格尺寸为2.0 mm×2.0 mm×2.0 mm，仅考虑5种材料(皮肤、颅骨、脑组织、癌变组织和空气)，假设网格中心点处的材料成分和密度为整个网格的材料成分和密度。采用Geant4软件工具包模拟加速器束流中子在人体组织内的输运行为，统计各种次级粒子引起的能量沉积，分析束流中子对癌变组织及正常组织的辐射损伤。

Geant4是欧洲核子研究中心(European Organization for Nuclear Research,CERN)开发的面向对象编程的软件工具包，基于蒙特卡洛方法模拟各种粒子在物质中的运动行为，广泛用于高能物理、核能实验、医学、加速器和空间物理学研究等领域，已被全球许多研究项目所使用。

1 能量沉积

当量剂量是组织或器官接受的平均吸收剂量乘以辐射权重因子后得到的乘积。其中，吸收剂量是指单位质量物质受辐射后吸收辐射的能量沉积，其国际制单位为Gy(1 Gy=1 J/kg)。

在BNCT治疗中，能量沉积的来源包括：α粒子、7Li粒子、光子、电子、质子、其他重核等。主要的能量沉积来自于10B(n,α)7Li反应放出的高能量、短射程的α粒子和7Li粒子，其反应关系式为：

其中，

不同次级粒子引起的能量沉积对吸收剂量的辐射权重因子不同[5-6]，如表1所示。在Geant4模拟计算中，中子不直接产生能量沉积，而是通过其他次级粒子作用引起能量沉积。

表1 次级粒子的辐射权重因子Table 1 Radiation weight factor of secondary particle

含硼药物(10B)引起的能量沉积由α粒子(仅指由中子与10B反应所产生的α粒子)和7Li粒子引起的能量沉积之和。

2 模型介绍

2.1 Snyder模型

目前，理论计算普遍采用的头部模型是修正的Snyder椭球模型[3-4]。它是由3个椭球组成，将整个头部组织由外至内分为头皮、颅骨和脑组织三个部分，如图1所示。其中，脑组织在+Z方向有1 cm的偏心。各分界面满足下列3个椭球方程(1)、(2)、(3)。

1)头皮与空气：

(1)

2)颅骨与头皮：

(2)

3)脑组织与颅骨：

(3)

椭球模型被空气包围，整个空间被分为4个部分，相应的生物组织分别为：空气、皮肤、颅骨、脑组织，其密度分别为1.293×10-3、1.040、1.610、1.090 g/cm3。4种组织的元素成分由ICRU46给出，如表2所示。

图1 Snyder模型剖面图Fig.1 the profile map of Snyder model

表2 人体组织元素成分Table 2 The element composition of human tissue 单位：%

2.2 计算方案

假定入射中子能谱为加速器束流质子轰击铍靶后经慢化体慢化整形后超热中子谱[10]，如图2所示。

图2 束流中子能谱Fig.2 Spectrum of neutron beam

假设中子从某个固定点、向固定方向发射，出射方向为-Z方向，初始出射位置为(0 cm,0 cm,10 cm)。

仅考虑脑组织吸收不同10B质量比的含硼药物，其他组织成分不变。这里的10B质量比，是指10B原子占组织成分的质量分数。含硼药物中10B质量比分别为0、10、20、30、40 mg/kg。

同时考虑在(0,0,5 cm)位置有一个肿瘤组织，其10B质量比为40 mg/kg，正常组织的10B质量比为10 mg/kg，如图3所示。其分界面满足椭球方程(4)。

(4)

图3 含癌变组织的Snyder模型(YZ)Fig.3 Snyder model with canceration issue(YZ view)

3 结果分析

Snyder模型统计了脑组织吸收不同含硼质量比情况下的次级粒子能量沉积，得到了各次级粒子(α粒子，7Li粒子，电子，光子，质子及其他粒子)沿入射中子方向(Z-方向)的单位中子引起的能量沉积分布情况[6-7]。初始计算粒子数目为2.0×109个，各组织区域的能量沉积分布平均方差不超过2%。

当10B质量比为0时，其次级粒子(电子，光子，质子及其他粒子)引起的沉积能量和总的能量沉积的分布情况(其中光子引起的沉积能量对应于次纵坐标)，如图4所示。结果表明，光子引起的能量沉积最低，可以忽略不计；质子、其他重核引起的能量沉积次之，占比很低；当脑组织含10B质量比为0 mg/kg时，能量沉积主要由电子引起。

图4 次级粒子能量沉积分布Fig.4 Energy deposition distribution of secondary particles

电子、光子、质子和其他粒子引起的能量沉积，不随含硼药物质量比增加而增加，如图5、图6、图7、图8所示。

图5 电子引起的能量沉积分布Fig.5 Distribution of energy deposition caused by electron

沿入射中子方向(Z-)的总能量沉积和10B引起的能量沉积分布情况如图9所示。结果表明，10B引起的能量沉积随硼质量比的增加而增加，且占总能量沉积的比例很大；能量沉积呈先上升后下降的变化趋势，且在3.0 cm处，能量沉积达到峰值；当入射深度在2.0～5.0 cm时，10B引起的能量沉积占比超过80%，峰值占比达到96.59%，如表3所示。

图6 质子引起的能量沉积分布Fig.6 Distribution of energy deposition caused by protons

图7 光子引起的能量沉积分布Fig.7 Distribution of energy deposition caused by photons

图8 其他粒子引起的能量沉积分布Fig.8 Distribution of energy deposition caused by other particles

单位10B质量比引起的能量沉积分布情况，如图10。结果表明，单位10B质量比引起的能量沉积随含硼药物质量比略微下降，10B引起的能量沉积与含硼药物质量比呈线性正相关，说明提高含硼药物质量比能有效增加癌变组织的辐射损伤效果。

图9 不同含10B质量比药物对总的和10B引起的能量沉积的影响Fig.9 Effects of different concentrations of boron-containing drugs on energy deposition caused by total and B-10

图10 单位10B质量比的能量沉积分布Fig.10 Energy deposition distribution of B-10 per unit concentration

4 结 论

本文采用Geant4开发程序包，网格化Snyder模型，构建中子输运计算模型，评估加速器束流中子照射不同质量比含硼药物的脑组织条件下的能量沉积的来源和分布情况。

表3 10B能量沉积在总的能量沉积中的占比Table 3 The proportion of boron-10 energy deposition in total energy deposition

研究表明，癌变组织吸收一定质量比的含硼药物，在一定照射深度范围，能有效提高癌变组织的能量沉积，从而达到治疗效果；10B引起的能量沉积与10B质量比呈线性关系，应在后续BNCT研究中提高癌变组织的含硼药物质量比，同时抑制正常组织的含硼药物质量比。

研究结果对BNCT的方案设计、效果评估具有参考意义，同时表明，Geant4软件开发包可以用于BNCT的方案设计和效果评估。