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Volume 39 Issue 1
Mar.  2022
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Shengcong HUANG, Hui ZHANG, Yuhang CHE, Xingguo LIU, Weiqiang CHEN, Qiang LI, Zhongying DAI. Monte Carlo Study on the Characteristics of Secondary Neutrons in Passive Beam Delivery System of Heavy Ion Medical Machine[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(1): 114-120. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021033
Citation: Shengcong HUANG, Hui ZHANG, Yuhang CHE, Xingguo LIU, Weiqiang CHEN, Qiang LI, Zhongying DAI. Monte Carlo Study on the Characteristics of Secondary Neutrons in Passive Beam Delivery System of Heavy Ion Medical Machine[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(1): 114-120. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021033

Monte Carlo Study on the Characteristics of Secondary Neutrons in Passive Beam Delivery System of Heavy Ion Medical Machine

doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021033
Funds:  National Key Research and Development Program of China(2018YFC0115700, 2018YFC0115702); Youth Innovation Promotion Association, CAS(2017454)
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  • Corresponding author: E-mail: daizhongying@impcas.ac.cn.
  • Received Date: 2021-04-13
  • Rev Recd Date: 2021-05-06
  • Publish Date: 2022-03-01
  • In carbon-ion radiotherapy, a variety of secondary particles are produced when carbon-ion beams pass through beam-line components during the dose delivery process and form an external radiation field. The predominant part of external radiation is from neutrons. As high LET radiation, low-dose neutron exposures have high relative biological effectiveness. Reducing the secondary neutrons can help to curb the risks of normal tissue complications and secondary cancers. The fluence and dose equivalent spectrums of exogenous neutrons induced by the passive beam delivery system of carbon ion therapy at different locations around the isocenter were simulated using the Monte Carlo method to evaluate the dose equivalent contribution of neutron radiation; The influence of the different collimating aperture sizes on the secondary neutron dose equivalent was also investigated. The simulation results show that high-energy neutrons had a certain contribution to the total neutron dose equivalent of the simulated locations, which account for up to 26%. Under real treatment conditions, as the collimating aperture size increased from closed to 15 cm×15 cm, the neutron dose equivalent decreased by approximately 85% at the isocenter and laterally distal locations, and about 70% at the distal locations in the beam direction. These results can be used to guide the study of secondary neutrons under different treatment conditions, and provide a basis for assessing non-therapeutic radiation received by patients under treatment conditions.
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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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Monte Carlo Study on the Characteristics of Secondary Neutrons in Passive Beam Delivery System of Heavy Ion Medical Machine

doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021033
Funds:  National Key Research and Development Program of China(2018YFC0115700, 2018YFC0115702); Youth Innovation Promotion Association, CAS(2017454)

Abstract: In carbon-ion radiotherapy, a variety of secondary particles are produced when carbon-ion beams pass through beam-line components during the dose delivery process and form an external radiation field. The predominant part of external radiation is from neutrons. As high LET radiation, low-dose neutron exposures have high relative biological effectiveness. Reducing the secondary neutrons can help to curb the risks of normal tissue complications and secondary cancers. The fluence and dose equivalent spectrums of exogenous neutrons induced by the passive beam delivery system of carbon ion therapy at different locations around the isocenter were simulated using the Monte Carlo method to evaluate the dose equivalent contribution of neutron radiation; The influence of the different collimating aperture sizes on the secondary neutron dose equivalent was also investigated. The simulation results show that high-energy neutrons had a certain contribution to the total neutron dose equivalent of the simulated locations, which account for up to 26%. Under real treatment conditions, as the collimating aperture size increased from closed to 15 cm×15 cm, the neutron dose equivalent decreased by approximately 85% at the isocenter and laterally distal locations, and about 70% at the distal locations in the beam direction. These results can be used to guide the study of secondary neutrons under different treatment conditions, and provide a basis for assessing non-therapeutic radiation received by patients under treatment conditions.

Shengcong HUANG, Hui ZHANG, Yuhang CHE, Xingguo LIU, Weiqiang CHEN, Qiang LI, Zhongying DAI. Monte Carlo Study on the Characteristics of Secondary Neutrons in Passive Beam Delivery System of Heavy Ion Medical Machine[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(1): 114-120. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021033
Citation: Shengcong HUANG, Hui ZHANG, Yuhang CHE, Xingguo LIU, Weiqiang CHEN, Qiang LI, Zhongying DAI. Monte Carlo Study on the Characteristics of Secondary Neutrons in Passive Beam Delivery System of Heavy Ion Medical Machine[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(1): 114-120. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021033
    • 近年来,由于重离子束射线在放射物理学、放射生物学及临床治疗上独具优势,重离子(如碳离子)放射治疗越来越受关注[1-2]。在重离子放疗中,束流配送系统有两种方式:被动式与主动式[3-7]。二者的主要区别在于束流的适形方式,前者使用配置的硬件设备对束流进行束流调制和调节,而后者通过加速器的主动控制引导笔形束进行适形。重离子被动式束流配送技术通常利用脊形过滤器在纵向上将尖锐的Bragg峰展宽成适合等能量断层的宽度,结合射程移位器调节Bragg峰相对肿瘤靶区的位置,横向上配合多叶准直系统进行照射野构型。被动式束流配送技术因其技术成熟可靠、耗时短、对靶区运动不敏感、抗干扰能力强等优点,目前处于广泛应用中[8]。但在放疗过程中,粒子束治疗用部件(多叶光栅、准直器、过滤器、探测器等)在束流调制调节过程中与束流相互作用,不可避免会产生中子、电子和光子等次级辐射,使放疗患者接受不必要的非治疗辐射[9]。由于中子探测手段繁琐间接,低剂量中子辐射探测精度要求高,次级中子在非治疗辐射的剂量贡献评估无法直观地表现出来,其在放射治疗临床实践中重视程度不够。但有研究表明放疗中次级中子的能量分布相当宽:对于高能光子(>10 MeV)放疗,设备产生的次级中子最大能量为18~20 MeV(主要集中于1 MeV,极少部分是大于10 MeV);对于碳离子治疗,产生次级中子的最高能量可达入射束流能量的两倍,约1 000 MeV左右[10-11]。考虑到中子属于高LET辐射,具有较高的相对生物学效应,低剂量的次级中子仍然会产生较大的影响,减少放疗中产生的次级中子有助于降低放疗后正常组织并发症几率及二次肿瘤风险,其辐射特征及剂量贡献应在临床实践中引起重视;因此,评估碳离子放疗次级中子辐射特征有着非常重要的实际意义[12]

      现有质子碳离子治疗终端中子周围剂量当量测量时,常使用宽能中子球谱仪(WENDI-II)或扩展邦纳球谱仪(EBSS)[13-16]。前者仅提供剂量当量而不提供中子能谱,无法获取次级中子详细信息;后者测量时,根据中子能区的不同需要更换慢化体,使用方法较为繁琐,无法进行多位置大规模的测量。因此使用蒙特卡罗方法获取治疗终端不同位置的中子注量能谱是一种较为简便易行的方法。Xu等[17]使用FLUKA对碳离子束轰击组织等效材料产生的次级中子场进行模拟,统计了空间内不同立体角的中子剂量以及组织中碎片反应产生的中子剂量。研究发现碳离子轰击组织等效材料的次级中子剂量与实验测量数据一致,组织中碎片反应产生的中子剂量占比不到碳离子总沉积剂量的1%。该研究主要考虑组织等效材料产生的内源性中子影响,在模拟中简化了束流线,未能揭示被动式束流配送系统带来的外源性中子影响。

      目前对放疗过程中产生的次级中子进行测量和模拟的研究大多集中在光子和质子放疗过程,对于碳离子治疗过程中产生的次级中子研究还比较少[10, 18-19]。本文基于医用重离子加速器示范装置(HIMM)的被动式束流配送系统,通过蒙特卡罗方法模拟计算,探究保守条件下(最大束流能量400 MeV/u,多叶光栅完全闭合)等中心周围来自被动式束流配送系统的外源性次级中子注量谱及其中子剂量当量谱。此外,还研究了不同束流线设置(多叶光栅开口大小)对于外源性中子剂量当量的影响。目的在于研究外源性中子特点,为不同治疗条件下患者接受非治疗辐射评估提供依据。

    • 中国科学院近代物理研究所与兰州科近泰基股份有限公司合作自主研发了中国首台医用重离子加速器示范装置(型号:HIMM-01-GS-WW-01)[20],其共有4个治疗终端,分别采用主动式与被动式两种束流配送方式;4个治疗终端分别从水平、垂直、水平+垂直、45°倾斜的不同方向进行治疗;在治疗终端等中心处的剂量率为0.001~1 Gy/s;在人体组织中的最大治疗深度为27 cm,可进行全体位照射治疗[21]

      本文模拟的HIMM 2号室被动式束流配送系统如图1所示[6]。束流通过扫描磁铁扫描在横向上扩展为15 cm×15 cm的方形照射野;穿过真空窗(a)后,受到初级准直器(b)的阻挡进而被初级准直。经过脊形过滤器(d),单能Bragg峰在纵向上得到展宽,形成展宽的Bragg峰(SOBP)。束流经过射程移位器(e)调制射程后,利用多叶光栅(g)进行横向适形,最终高剂量区的三维分布与靶区的形状保持一致。补偿器(h)的使用让靶区后沿的剂量分布更加陡峭,有利于危及器官的保护。束流的强度由剂量探测器(c)测量并控制,束流的形状和位置由束流位置探测器(f)进行测量。模拟的中子注量谱由直径为12 cm的球体探测器(i)进行收集,中子注量探测器位于等中心点以及距离等中心点r= 25,50,100,150和200 cm处,角度为与束流方向呈θ= 0°,45°和90°,共有16个中子注量探测器[22]

      为简化模拟,真空膜窗、射程移位器、补偿器、剂量探测器及束流位置探测器在本次研究中均不考虑。为了消除内源性中子对结果的干扰,采用自由束条件,不放置水模。模拟计算中各组件材料成分及其与等中心点的距离如表1所列。

      组件名称材料质量分数/%密度/(g·cm−3)距离等中心的距离/cm
      初级准直器Cu-1008.96357
      脊形过滤器Al-1002.7236
      多叶准直器Cu-5, W-9518.2372

      被动式束流配送系统可以针对不同的横向射野大小适当改变初级准直器的开口大小,以便最大化降低束流在后端的损失率。因为多叶光栅的次级中子产生率最大,将初级准直器的开口设置为最大即15 cm×15 cm。记录使用的直方图的组距宽度呈对数增加,每1个量级的组数为40,能量范围为${10}^{-6} \sim 1\;000$ MeV。为得到最大中子产额,大多数模拟中多叶光栅设置为完全闭合。探究多叶光栅开口大小对中子剂量当量的影响时,多叶光栅方形开口的边长以3 cm为间隔,从闭合一直增大到15 cm。使用这种方法,我们计算了6种开口大小情况下,3处探测器位置的中子剂量。模拟粒子数为1×107,使用服务器工作站上的CPU(Intel® Xeon® CPU E5-2690 V3 @2.60 GHz×48,OS:Scientific Linux release7.6)进行模拟计算。

    • 本文采用的蒙特卡罗软件为GATE v8.2/GEANT4-10-05。GEANT4(Geometry And Tracking)是由欧洲核子研究中心(CERN)开发的一套蒙特卡罗工具包,使用基于C++面向对象技术,其用途是模拟粒子在物质中运输的物理过程。由于其灵活性,GEANT4也被广泛应用于高能物理、核物理、空间和天体物理、辐射防护与探测,同时增加一些扩展包后,也可以将其应用到医学物理领域[23]。GATE是由OpenGATE团队基于GEANT4内核设计的一款模拟平台,主要用途是对计算机断层成像进行蒙特卡罗模拟,也能实现模拟粒子放疗的功能。本文使用的物理过程是GEANT4 中的强子物理模拟包:QGSP_BERT_HP_EMY。

    • 不同能量单能中子的相对生物学效应有着很大不同,为了评估不同空间位置的中子剂量当量,需要将该位置的中子注量谱转化为剂量当量进行统一比较,剂量当量的计算公式为

      其中:$H{\rm{^*}}(10)$为某点处中子剂量当量;$ i $为对应计数直条(bin);$ {\varPhi }_{i} $为第$ i $个计数直条(bin)记录的中子注量;$ {h}_{i} $为第$ i $个计数直条组距中点能量所对应的中子注量-剂量转化系数。在ICRP第74号出版物中,发表了$ {10}^{-9}\sim $$ 201\;{\rm{M}}{\rm{e}}{\rm{V}} $能量范围内的中子注量-剂量当量转化系数,但是其范围无法覆盖碳离子放疗过程中产生的次级中子最大中子能量[24]。Ferrari等[25]于1998年发表了从$ {2.5\times 10}^{-8} \sim {10}^{7} {\rm{M}}{\rm{e}}{\rm{V}} $能量范围的中子注量-剂量系数等相关实验模拟数据。应用上述文献数据进行插值得到全能量范围内的中子注量-剂量转换系数,如图2所示。

    • 首先我们考察了多叶光栅完全闭合的情况下,距离等中心点不同位置及角度的中子能谱。图3是经射程调制后展宽Bragg峰宽度为6 cm的400 MeV/u碳离子束被完全闭合的多叶光栅阻挡后,在距离等中心点不同角度和距离的注量谱分布结果。图中纵坐标为单位碳离子产生的中子注量;横坐标为中子能量,由于次级中子能量横跨9个数量级,探测时使用对数组距直方图记录,绘制时使用半对数坐标系。这种方式确保能谱曲线下每个矩形的底长保持不变,其相对注量和贡献正比于矩形的高[16]

      从图3可以看出,碳离子放疗产生的次级中子注量谱主要有两个显著的峰区,第一个峰区由复合核退激出射的蒸发中子组成,能量范围为10 keV到15 MeV。第二个峰区由核内级联产生的高能中子组成,其能量范围从15 MeV到碳离子束流能量的两倍,最大可达约1 000 MeV。

      根据不同峰的面积与总和面积之比,计算不同种类中子的贡献率,如表2所列。统计结果表明,尽管碳离子束放射治疗过程中在等中心点周围的次级中子主要成分是低能蒸发中子,但也存在部分高能中子,其占比最大达到22.45%。

      位置低能蒸发中子峰
      贡献率/%
      高能级联中子峰
      贡献率/%
      iso80.5719.43
      0deg_25 cm79.6520.35
      0deg_50 cm79.0620.94
      0deg_100 cm78.3721.63
      0deg_150 cm77.8422.16
      0deg_200 cm77.5522.45
      45deg_25 cm81.8218.18
      45deg_50 cm83.7116.29
      45deg_100 cm86.2013.80
      45deg_150 cm87.0612.94
      45deg_200 cm87.5012.50
      90deg_25 cm84.5415.46
      90deg_50 cm88.3411.66
      90deg_100 cm90.969.04
      90deg_150 cm91.548.46
      90deg_200 cm91.478.53
    • 使用图2中的中子注量-剂量转换系数对不同位置的中子注量谱进行转换,得到中子剂量当量谱如图4所示,并计算不同种类中子贡献率如表3所列。由图表可知,高能中子的注量-剂量当量转换系数较大而部分蒸发中子(小于0.1 MeV)的转换系数较小,导致高能中子对于总中子剂量当量的贡献有所提升,其最高可达约25.96%。

      位置低能蒸发中子峰
      贡献率/%
      高能级联中子峰
      贡献率/%
      iso76.8723.13
      0deg_25 cm76.0223.98
      0deg_50 cm75.4124.59
      0deg_100 cm74.7625.24
      0deg_150 cm74.2825.72
      0deg_200 cm74.0425.96
      45deg_25 cm77.9822.02
      45deg_50 cm79.6820.32
      45deg_100 cm82.0617.94
      45deg_150 cm82.8517.15
      45deg_200 cm83.3116.69
      90deg_25 cm80.5419.46
      90deg_50 cm84.2115.79
      90deg_100 cm86.8813.12
      90deg_150 cm87.4812.52
      90deg_200 cm87.2912.71
    • 为了探究多叶光栅开口大小与中子剂量当量的影响,分别模拟了多叶光栅的开口尺寸以3 cm为间隔从0 cm×0 cm逐渐扩大到15 cm×15 cm的6种情况下的中子剂量当量,数据处理时以多叶光栅完全闭合时的中子剂量当量作归一化。图5显示了经过归一化处理后,等中心点(iso)、0°角(束流方向)距离等中心点150 cm处(0 deg_150 cm)以及90°角(束流横向方向)距离等中心点150 cm处(90 deg_150 cm)这三处位置相对剂量当量强度随多叶光栅开口增大的情况。

      图5中的数据显示:随多叶光栅开口大小由完全闭合增大到15 cm×15 cm,iso与90 deg_150 cm(横向远端)处位置相对剂量当量强度降低约85%,0 deg_150 cm(束流方向远端)处位置的相对剂量当量强度降低约70%。

    • 本文运用蒙特卡罗方法模拟计算了被动式束流配送系统引发的外源性中子在等中心点周围的注量谱和剂量当量谱,并探究了患者环境固定位置剂量当量强度与多叶光栅开口大小的关系。实验结果表明,高能中子对总中子剂量当量的贡献占一定比例,且次级中子剂量当量随多叶光栅开口增大而降低。

      模拟计算的中子注量谱所示(图3),与文献中质子治疗过程中测量的次级中子注量谱相比,两者分布大致相同[16]。差异有以下两点:(1) 文献中次级中子实测注量谱存在峰位为10−7左右的热中子峰,而模拟结果不存在该峰。实测条件下该热中子峰是由于治疗室内屏蔽墙导致中子反射造成的,而在模拟中简化了治疗室的屏蔽墙,因此模拟中子谱中没有出现峰位为10−7左右的热中子峰;(2) 文献中次级中子注量谱的能量覆盖范围和各成分比例与模拟结果略有差异,这与模拟参数设置中束流粒子种类、束流线组件材料尺寸参数及其治疗条件不同有关。模拟结果中,同一距离不同角度的次级中子注量谱进行比较,蒸发中子峰形状基本不变,说明蒸发中子空间分布受角度影响很小;而级联中子峰随角度的增大逐渐平坦,说明高能级联中子空间分布受角度影响较大,且主要分布在小角度区域。蒸发中子各向同性分布,级联中子前冲分布,这与文献中高能碳离子束轰击铜靶次级中子周围剂量分布规律模拟结果相符合[21, 26]。对中子注量谱和中子剂量当量谱进行分析发现,在等中心点周围的次级中子成分主要是低能蒸发中子,高能中子的贡献也不可忽视,其对总剂量当量贡献率最高可达25.96%,建议在碳离子放射治疗剂量评估中保守估计高能中子的贡献。

      通常认为多元限束装置阻挡束流所生成的次级中子是放疗中次级中子的主要来源[6, 27],因此本文针对多叶光栅所致非治疗辐射模拟研究的其中一个预期是:随着多叶光栅开口增大,束流在该器件中的损失率下降,等中心点及周围区域的中子剂量当量强度也降低。图5实验数据变化趋势符合预期,这也表明采用多叶光栅完全闭合的条件获得的中子注量及剂量当量是保守估计。

      出于消除患者特异性对于模拟结果干扰的考虑,本模拟研究没有考虑内源性中子,聚焦于碳离子治疗系统被动式束流配送硬件系统本身产生的次级中子,更能反映束流线设置对于次级中子辐射的影响。本研究的另一个优势是使用半对数能降直方图表示得到的次级中子注量谱,直观地表达了全能量范围内不同成分中子的贡献占比。同时应当指出本文的研究所采用的研究方法(闭合多叶光栅以及空气中的中子注量研究)是一种保守而简单的方法,用以估计碳离子被动式束流配送系统自身产生的中子辐射。

    • 本文利用GATE蒙特卡罗软件模拟计算被动式束流配送系统引发的外源性次级中子在等中心点周围位置的中子注量谱与中子剂量当量谱,并对多叶光栅不同开口大小情况下的部分位置中子剂量当量进行对比。结果显示:(1) 保守情况下,能量大于或等于15 MeV的中子对总中子剂量当量的贡献至少为12.71%,最高可达25.96%;(2) 使用完全闭合的多叶光栅可以得到中子剂量当量的保守估计。

      由于在碳离子治疗过程中高能次级中子的贡献不可忽视且其具有较高的相对生物学效应,在碳离子治疗中心的辐射防护管理中需要加强对治疗中高能次级中子的监控。本文模拟计算剂量的方法还可应用于对不同治疗条件(如束流能量、调制宽度等)下等中心各个位置剂量当量进行模拟计算,建立查找表,为下一步精确评估患者所受中子剂量提供依据。以上关于碳离子治疗过程次级中子的研究对于降低患者接受碳离子治疗时产生后期效应的风险,特别是对于预期寿命较长的儿童和青年患者有非常重要的指导意义。

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