2023, Vol. 43
2. 苏州大学放射医学与防护学院 放射医学与辐射防护国家重点实验室, 苏州 215123;
3. 温州医科大学公共卫生与管理学院, 温州 325035
2. State Key Laboratory of Radiation Medicine and Protection, School of Radiation Medicine and Protection of Soochow University, Suzhou 215123, China;
3. School of Public Health and Management, Wenzhou Medical University, Wenzhou 325035, China
医用电子直线加速器已广泛应用于肿瘤放射治疗，其产生的X射线能量超过8 MeV时，与机头组件相互作用时，因(γ，n)和(γ，2 n)光核反应产生光中子污染。该中子污染对人体造成的额外照射可能会对人体造成危害，所以光中子污染是高能电子加速器放疗过程中不可忽视的风险因素[1-4]。另外，癌症发病率不断增高，医院对于高能电子加速器放疗的需求逐年增长，致使放疗机房内光中子剂量贡献比例也在提高，所以，无论是从辐射防护还是从次级粒子引起新癌变风险的角度来考虑，研究高能医用电子加速器光中子辐射场特性都是非常有必要的。
由于利用主动或被动测量设备对加速器产生的光中子实测所获取数据比较局限，特别是对于中子能谱中慢化后的低能中子部分的剂量测定是比较困难[5]。而通过蒙特卡罗(MC)方法进行模拟，可快速对电子打靶产生光子及光子与机头内组件作用产生光中子通量及剂量分布进行计算，国内外对于加速器光中子MC模拟更多的是应用于机房内剂量分布及辐射屏蔽计算，对于光中子在机头内和患者体内的输运特性研究较少。故本研究利用MC方法，开展15 MV医用电子直线加速器X射线模式下光中子的能谱变化、剂量分布及水模体内剂量沉积特性的初步研究，为评估加速器放射治疗过程中患者受光中子照射的附加剂量和优化光中子辐射屏蔽设计提供参考。
材料与方法1.模型的建立：本研究建立了美国Varian公司生产的Clinic 2300CD型医用直线加速器机头及治疗室的模型，利用Geant4 11.0程序对15 MV X射线模式下电子打靶及加速器治疗室内光核反应形成的中子辐射场进行了模拟计算。另外，通过增加加速器治疗室和水模体的模型构建，模拟了治疗室屏蔽体对射线的散射影响，以便符合加速器放射治疗工作现场的实际。
根据厂家提供的机头内组件的几何结构及材料组成参数，构建的机头模型包含了靶、初级准直器、均整器、次级准直器(包括上层挡块和下层挡块)、多叶准直器(MLC)以及周围其他的金属屏蔽部件，形成了一个相对精细的加速器机头模型。靶由钨、铜材料组成，其余部件组成材料均为钨。
加速器治疗室模型包含有四周墙体、顶棚、地板和迷道等部分，屏蔽体均由现浇混凝土(密度为2.35 g/cm3)组成；加速器机头和水模体(30 cm×30 cm×30 cm)设置在治疗室等中心(ISO)轴上，水模表面离靶距离即源皮距(SSD)为100 cm，机架角度为0°即朝下垂直于地面照射。
加速器治疗室的尺寸、机头内的部件组成和加速器模型设置情况如图 1，2所示。
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注：ISO. 等中心；SSD.源皮距 图 1 加速器建模设置图 Figure 1 Accelerator model settings |
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图 2 加速器治疗室平面图 Figure 2 Plain view of the accelerator treatment room |
2.MC模拟的方法：本研究MC模拟从高能电子束打靶开始，采用电子-光子-中子联合输运的模式。为提高计算效率，电子和光子能量截断均为5 MeV，因为电子和光子只有达到一定能量才会产生光核反应或电核反应。使用G4MultiFunctionalDetector将靶、初级准直器、均整器和MLC下表面以及等中心平面附近设置为感兴趣区，同时使用G4PSCellFlux计算上述区域的光中子积分体积通量，利用SetEnergyBin()和GetEnergyBin()函数记录光中子通量能谱。结合国际放射防护委员会(ICRP)116号出版物中剂量转换系数得到水模体中中子周围剂量当量；中子能谱中的通量是归一化为每一个发射的电子对应通量计算结果，cm-2/e；而中子剂量则是归一为加速器输出每1 Gy X射线对应的测点处中子周围剂量当量的计算结果，mSv/Gy。
结果1.机头光中子产额和等中心处中子周围剂量当量：通过Geant4 11.0模拟计算得出加速器机头光中子的产额及等中心处光中子周围剂量当量，并与文献数据对比的情况，如表 1所示。其中中子产额计算结果是归一为1 Gy X射线输出剂量对应的以靶为圆心半径为1 m的球表面所接收的中子个数。
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表 1 不同来源机头光中子产额和等中心处中子周围剂量当量MC模拟值比较 Table 1 Comparison between MC simulation results and literature-reported data with respect to photoneutron yeilds from the head and neutron ambient dose equivalent at the isocenter |
由表 1可知，在次级准直器和MLC关闭状态下(照射野为0 cm × 0 cm)，离机头靶中心1 m处球面的光中子产额的模拟值为6.83×1011 n/Gy与文献[7]提供的厂家数据的相对偏差仅为0.44%；同时，在10 cm × 10 cm标准照射野下，等中心处中子周围剂量当量计算结果为4.38 mSv/Gy，与Naseri和Mesbahi[7]的MC模拟结果相对偏差仅为0.92%。所以，上述机头光中子参数模拟结果与文献[6-7]数据吻合，表明本研究建立的15 MV X射线模式下加速器机头模型是可靠的，可进行后续的加速器光中子辐射场模拟。
2.不同位置处的光中子能谱：为探究光中子在机头内部衰减规律，本研究计算了机头内关键部件所在位置的中子能谱，分别是等中心轴(x=0 cm，y=0 cm)上在靶、主准直器、均整器和MLC下表面位置(垂直方向坐标分别为z=1.5，13.0，46.0，53.0 cm；等中心处z=100 cm。)的能谱。在次级准直器和MLC均关闭状态下(照射野为0 cm × 0 cm)，等中心轴上，机头部分不同位置的光中子能谱模拟计算结果如图 3所示。
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注：MLC. 多叶准直器 图 3 0 cm×0 cm照射野下的机头内不同位置的光中子能谱 Figure 3 Photoneutron spectra at different positions in 0 cm × 0 cm irradiation field |
图 3中可以看出，光核反应产生的中子能谱在机头内经过不同组件衰减后，快中子能谱部分(10 keV~10 MeV)的通量不断降低，是由于中子与准直器、均整器和MLC中的钨等高原子系数的物质发生非弹性散射作用形成的[8]；同时，热中子能谱部分(0.01~1 eV)的通量增加，但与快中子部分的通量相差2个数量级，所以机头内热中子部分对中子能谱总强度的贡献可忽略不计。
机头等中心轴上4个位置(z=1.5、13.0、46.0、54.0 cm)的光中子平均能量经计算分别是1.08、1.20、0.35、0.30 MeV。说明，打靶产生的光中子穿过初级准直器和均整器后中子能谱发生硬化；之后，再经过次级准直器作用后中子平均能量明显减小。主要是因为X射线有用线束与初级准直器内壁和均整器中高原子序数的物质(主要是钨)发生光核反应产生大量快中子[9]，虽然，有一小部分快中子慢化为热中子，但中子平均能量总体是增加的；同时，关闭状态下的次级准直器(钨块)对中子的慢化作用明显，平均能量急剧减小；随着中子能量的降低，MLC与光中子作用截面减小，慢化效果不显著。
另外，为了解等中心处(x=0 cm，y=0 cm，z=100 cm)水平面内不同位置的光中子能谱特性，本研究模拟了离等中心不同距离处各参考点的光中子谱。因参考点均在加速器机头外部，中子能谱易受治疗室墙体内壁散射作用的影响，所以模型中增加了加速器治疗室。具体的模拟结果如图 4所示。
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图 4 10 cm×10 cm照射野下，离等中心不同距离处的光中子能谱 Figure 4 Photoneutron spectra at different distances from isocenter ofa10 cm × 10 cm irradiation field |
由图 4可见，各测点能谱均有热中子能峰和快中子能峰，热中子能峰为0.06 eV，快中子有两个能峰分别为0.3、0.6 MeV。随着参考点离等中心的距离越来越远，热中子能峰的通量变化不明显，而快中子减弱明显。究其原因，是因为热中子能谱主要由机房四周墙体、顶棚和地面的散射作用形成的，而快中子能谱来源于机头内部，离等中心越远即是离靶的距离越远，所以快中子强度越弱。
3.不同照射野下，等中心处水平面内各方向的中子剂量分布：图 5给出了不同尺寸照射野下，等中心处水平面内与治疗床平行方向和与治疗床垂直方向的光中子周围剂量当量分布情况的模拟结果。
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A.与治疗床平行的方向；B. 与治疗床垂直的方向 图 5 不同照射野下的等中心水平面内各方向的光中子剂量分布 A. Inline direction; B. Crossline direction Figure 5 Photoneutron dose distribution in different directions on isocenter horizontal plane in different irradiation fields |
如图 5所示，照射野最小时(0 cm × 0 cm)等中心处的中子周围剂量当量最小，30 cm × 30 cm照射野的等中心处中子剂量最大，而不是最大照射野(40 cm × 40 cm)时，中子剂量最大，说明次级准直器不仅吸收和慢化中子还是光核反应产生中子的来源之一[10]。
在0 cm × 0 cm照射野下，与治疗床平行的方向离等中心50 cm以内剂量分布呈现凹陷形态，而与治疗床垂直的方向则相对平坦，所以说上述两个方向的中子剂量分布差异明显，可能是因为次级准直器上下两层钨块尺寸和方向不同，与光中子作用情况不同所造成的；而在其他照射野下，随着各参考点离等中心处的距离越来越远，其光中子周围剂量当量迅速衰减。
此外，不同照射野下，等中心处的中子平均能量及周围剂量当量的模拟结果如表 2所示。
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表 2 不同照射野下的等中心处光中子周围剂量当量及平均能量 Table 2 Photoneutron ambient dose equivalent and average energy at isocenters in different irradiation fields |
经过次级准直和MLC的完全遮挡后，等中心处中子周围剂量当量随着照射野的增大而增大，在30 cm×30 cm照射野下达到峰值，随后开始减小，与机头光中子总产额的变化规律不同(光中子总产额是随着照射野增大而减小[7])，说明次级准直器和MLC对靶和均整块产生的光中子射向等中心时存在一定的阻挡作用。准直器逐渐打开后，来源于均整器和主准直器产生的光中子数量会增多，但平均能量变化不大，在0.584 ~ 0.644 MeV范围之内，表明照射野大小对等中心处光中子能谱的影响不明显。
4.光中子在水模体中的深度剂量、通量及能谱的变化：医用直线加速器光中子污染危害的主要对象是接受治疗的患者，所以本研究以水模体代替人体组织(放疗剂量学常用的方法)，模拟了光中子水模体中的深度剂量分布特性。图 6~8分别给出了水模体中光中子通量、能谱和剂量的变化的模拟结果。
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图 6 不同照射野下的水模体中光中子通量变化 Figure 6 Variation in photoneutron flux in water mode in different irradiation fields |
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图 7 10 cm×10 cm照射野下的不同深度处的光中子能谱 Figure 7 Photoneutron spectra at different depths in a 10 cm×10 cm irradiation field |
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图 8 不同照射野下的水模体中光中子深度剂量变化 Figure 8 Variation in photoneutron depth dose in water model in different irradiation fields |
由图 6，7可知，不同深度处的能谱特点一致，能谱均以热中子通量的贡献为主，与等中心处空气中能谱组成相反。从总的中子通量变化情况来看，来源于机头打靶和其他组件的光中子通量大约在水模体深3 cm处达到了峰值，这主要是由光中子在水模体内反散射作用所形成的。光中子进入水模体中，快中子快速慢化为热中子，所以水模中不同深度处的光中子能谱均以热中子贡献为主；随着深度继续增加，热中子因俘获反应[1H(n, γ)2H]被吸收[11]，到了8 cm处中子通量约降为峰值的一半，水模体深度>10 cm时，快中子基本不存在，仅有少量热中子，直至完全吸收。
最后，根据图 8可知，光中子在水模体内的剂量随着深度的增加呈现出指数式衰减，是由于水分子大部分由氢元素组成，对中子的慢化作用显著，不像MV级X射线束在水模体中的衰减存在建成区。不同照射野下，光中子剂量在水模体深度> 20 cm时基本接近本底，表明，在15 MV X线模式下进行放射治疗时，医用电子加速器产生的光中子剂量基本上可以被成人患者体部吸收殆尽。
讨论Geant4是理想的中子输运模拟程序。本研究利用Geant4 11.0程序构建了相对完整的15 MV X射线模下医用直线加速器机头及治疗室模型，模拟了加速器光中子形成的辐射场，克服了混合中子辐射场实测时存在的局限性。分析了不同照射野下，机头内光中子能谱和等中心处的中子周围剂量当量分布特性，初步探讨了电子打靶及X射线与机头各组件作用产生的光中子谱的特性及变化规律。另外，模拟了医用直线加速器光中子在水模体(替代人体)不同深度处剂量和通量的衰减曲线和能谱，分析了光中子在人体体内沉积的特点，并得出以下结论：离等中心处的距离越远，光中子周围剂量当量越小；在30 cm × 30 cm照射野下，等中心处光中子周围剂量当量最高，与Abou-Taleba等[12]的研究结果一致，达到5.18 mSv/Gy，而照射野最大时(40 cm × 40 cm)较低为4.84 mSv/Gy，水模体最浅处光中子周围剂量当量最高，说明浅表组织或器官受光中子受照射的影响最大。
上述研究结果可为进一步研究高能医用电子加速器光中子对患者产生的附加剂量和光中子污染导致的二次癌变效应提供数据支持。
利益冲突 无
作者贡献声明 邓磊负责研究方案、模拟计算和论文撰写；瞿述根、王哲负责数据整理、分析；陈以水、涂彧、张陆兵论文审阅、修改
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