硼中子俘获治疗(BNCT)是一种利用热中子与硼元素(¹⁰B)之间的核反应进行放射治疗的方法^[1-2]。在BNCT中，为实现降低中子在束流孔径外的泄漏，中子束流聚焦到束流孔径内，通常采用平面型的常规准直器作为治疗头进行治疗。与传统的光电子的旋转治疗头不同，BNCT的治疗头是固定的^[3]，故采用卧位和坐姿来进行调整患者的体位以减少患者与出束口的距离，以提高出束口位置的超热中子通量密度，即提高肿瘤部位的热中子通量密度。但这对于颈部活动范围有限的头颈部患者来说比较困难，因为肩部可能会阻碍患者摆位，从而导致肿瘤区域远离束流出束口，而产生空气间隙^[4]。随着距离的增加，中子束流衰减，造成肿瘤内的热中子通量密度减少，导致辐照时间增加。此外，还会暴露身体的其他健康部位，增加其相对辐照剂量。而且在中子辐照过程中必须保持患者的姿势，BNCT照射时间为30 min ~ 1 h，患者不易保持治疗姿势一直不变。为了解决这些问题，一种新的拓展准直器被开发。在准直器与患者距离不够短的情况下，可以提供足够的热中子通量，便于患者定位^[5]。本研究在常规准直器的基础上优化设计了拓展准直器，通过比较束流参数特性，不仅分析了不同准直器长度、材料以及不同肿瘤体表与准直器出口之间的空气间隙对束流特性的影响，还分析准直器材料对束流特性的影响，为临床工程准直器设计提供了参考。

1.拓展准直器的设计：BNCT常规准直器(conventional collimator，CC)是一种与墙面平行的平面准直器，其主要作用是将中子聚焦到束流孔径，同时降低中子在束流孔径外的泄漏^[6]，通常采用聚乙烯材料制作，并将氟化锂(LiF)或氟化硼(B₄C)等材料添加到聚乙烯中以吸收低能量中子^[7]。基于加速器的BNCT准直器直径范围一般为8~25 cm，2020年3月日本获得临床批准的准直器开口直径分别为10、12和15 cm^[7-8]，之后设计了两类拓展准直器，长度分别为5和10 cm^{[5, 8]}。本研究基于开口直径均为12 cm的常规准直器，模拟设计优化了两种长度分别为5和10 cm的拓展准直器(extended collimator, EC)，如图 1所示。

图 1 准直器模型图    A.常规准直器(CC)；B. 5 cm长度拓展准直器(EC5)；C.10 cm长度拓展准直器(EC10) Figure 1 Collimator models    A. Conventional collimator(CC); B. 5 cm-extended collimator(EC5); C. 10 cm-extended collimator(EC10)

2.基于蒙特卡罗模拟的模体研究：根据上述设计，采用TopMC软件(一体化核设计与安全评价软件系统，凤麟核)对中子源、靶、慢化整形体、准直器、水箱模体、屏蔽墙等进行建模，对束流分布特性进行了计算研究^[9]。TopMC支持包含核素燃耗、材料活化、辐射剂量等的全过程中子学计算。本文采用日本京都大学BNCT装置C-BENS治疗束流的源强与能谱^[10-11]，典型模型情况如图 2所示。计算的粒子数目为2×10¹⁰个粒子，程序计算误差：热中子通量密度误差为≤1.0%，快中子剂量率误差为≤1.5%，伽马射线剂量率误差为≤1.5%。

图 2 典型准直器和水箱模体的模型    A. 理想治疗情况(无拓展准直器)，常规准直器出口与肿瘤体表无空气间隙，CC(0)；B.一种典型的治疗情况(无拓展准直器)，由于人体肩颈等结构的存在，引发了肿瘤体表与常规准直器存在一定空气间隙，此处空气间隙取值10 cm，CC(10)；C. 一种典型的治疗情况，10 cm长度拓展准直器与肿瘤体表无空气间隙，EC10(0) Figure 2 Typical collimator and phantom models    A. Ideal treatment situation with a non-extended collimator with no air gap between the collimator aperture and tumor surface, CC(0);B. A typical treatment situation with a non-extended collimator with a certain air gap between tumor surface and the conventional collimator caused by patient′s shoulder and neck structures, where the air gap is 10 cm, CC(10); C. A typical treatment situation with a 10 cm-extended collimator with no air gap between the collimator apeture and tumor surface, EC10(0)

(1) 准直器长度对束流方向中子束流分布的影响研究：模拟了墙面与模体10 cm距离下，常规准直器、5 cm拓展和10 cm拓展等不同准直器情况下束流辐照20 cm × 20 cm × 20 cm水箱模体时的热中子通量密度、快中子剂量率和伽马射线剂量率分布。中子通量密度定义为单位时间内通过垂直于中子运动方向的单位面积的中子数。硼剂量是BNCT最重要的剂量成分，其大小与体内热中子通量密度直接相关。

(2) 不同材料的准直器对照射时间和优势深度的影响研究：准直器材料主要在聚乙烯中加入氟化锂(LiF)或碳化硼(B₄C)。聚乙烯材料主要起慢化、反射中子的作用；由于⁶Li和¹⁰B对低能量中子吸收截面较高，LiF和B₄C材料会起到吸收中子的作用^[11]。本研究选取10 cm长拓展准直器无间隙的情况，模拟计算不同质量百分比的LiF与聚乙烯材料组合、B₄C与聚乙烯材料组合的照射时间和优势深度。

照射时间定义为满足治疗计划处方剂量所需的辐照时间。BNCT通常是根据正常组织的最大可耐受剂量作为处方剂量^[12]。对于头颈部肿瘤，一方面黏膜对BPA的摄取量较高，导致黏膜中硼浓度含量较大；另外一方面黏膜距离肿瘤位置较近^[13-14]，所以黏膜辐照剂量的限值可以作为头颈部肿瘤患者治疗计划制定的依据。参考国际原子能机构(International Atomic Energy Agency，IAEA)报告，以黏膜的最大剂量不超过12 Gy-Eq作为处方剂量，并且以此来计算照射时间^[15-16]。

优势深度(advantage depth，AD)定义为沿着束流中心轴方向，当肿瘤区域的生物等效剂量等于正常组织区域的生物等效剂量峰值时，该肿瘤区域对应的照射深度^[17]。优势深度可以作为评价治疗射束性能的指标。优势深度数值越大则表明射束性能较好，能够治疗的肿瘤深度越大。

(3) 空气间隙大小对照射时间、AD和离轴剂量的影响研究：分别模拟计算了常规准直器下无间隙及其他不同间隙对照射时间、AD及离轴剂量的影响；拓展准直器下无间隙及其他不同间隙对照射时间、AD及离轴剂量的影响。离轴剂量定义为垂于射线束中心轴的方向，离开中心轴一定距离的点剂量^[18]。

1. 准直器长度对中子束流分布的影响：图 3显示CC(10)、EC5(5)、EC10(0)3种水箱与墙面间距均为10 cm的情况下，水箱模体内沿着束流中心轴方向的一维热中子通量密度、伽马射线率和快中子剂量率分布。结果表明，相对于CC，EC在热中子通量密度、伽马射线剂量率以及快中子剂量率分布均有优势，其中，EC10(0)中热中子通量密度、伽马射线剂量率以及快中子剂量率最大，热中子通量密度峰值为1.0×10⁹ n/(cm²·s)，伽马射线剂量率峰值为5.3 cGy/min，快中子剂量率峰值为9.1 cGy/min。

注：CC(10). 常规准直器10 cm空气间隙；EC5(5). 5 cm长度拓展准直器5 cm空气间隙；EC10(0). 10 cm长度拓展准直器无间隙 图 3 束流分布特性曲线图    A. 热中子通量密度分布；B. 伽马射线剂量率分布；C. 快中子剂量率分布 Figure 3 Beam distribution characteristics    A. Thermal neutron flux density distribution; B. Gamma ray dose rate distribution; C. Fast neutron dose rate distribution

2. 不同材料的准直器对照射时间和AD的影响：不同准直器材料下，模体内满足处方剂量的照射时间，以及对应的AD结果如表 1所示。对于两种不同的材料组合，相比B₄C，聚乙烯结合LiF的材料在照射时间、AD方面有优势；对于同一种聚乙烯结合LiF的材料，成分配比随着聚乙烯相对含量的降低，AD略微提高，照射时间逐渐延长，其中，80 wt%的聚乙烯、20 wt%LiF的组合，照射时间最短，为19.0 min，AD为8.5 cm。在BNCT拓展准直器设计中，可以根据实际需要，选择最适合的聚乙烯和LiF的材料配比。本文统一选取50 wt%聚乙烯和50 wt%LiF结合材料进行研究。

表 1(Table 1)

表 1 不同材料的准直器对照射时间和优势深度的影响 Table 1 Irradiation time and advantage depth for collimators of different materials 准直器材料组合 照射时间(min) AD(cm) 80 wt%聚乙烯+20 wt%LiF 19.0 8.5 60 wt%聚乙烯+40 wt%LiF 19.8 8.6 50 wt%聚乙烯+50 wt%LiF 20.1 8.6 40 wt%聚乙烯+60 wt%LiF 20.3 8.6 20 wt%聚乙烯+80 wt%LiF 20.5 8.7 60 wt%聚乙烯+40 wt%B4C 22.6 7.9 50 wt%聚乙烯+50 wt%B4C 22.7 7.9 40 wt%聚乙烯+60 wt%B4C 22.8 7.8 注：AD. 优势深度；LiF. 氟化锂；B4C.碳化硼

表 1 不同材料的准直器对照射时间和优势深度的影响 Table 1 Irradiation time and advantage depth for collimators of different materials

3.空气间隙大小对照射时间、AD和离轴剂量的影响

(1) 空气间隙对照射时间的影响：常规准直器与拓展准直器在不同空气间隙的情况下，照射时间分布规律如图 4所示，包括了CC(0)~CC(15)、EC5(0)~EC5(10)、EC10(0)~EC10(5)多种情况。对于同一种准直器，随着空气间隙的增加，因中子束流逐渐衰减造成辐照时间逐渐增加。当模体与墙面距离均为5 cm时，EC5(0)比CC(5)的照射时间缩短了26.4%；当模体与墙面距离均为10 cm时，与CC(10)情况比较，EC10(0)比CC(10)的照射时间缩短了40.3%。这表明拓展准直器起到了缩短照射时间的作用。

注：CC. 常规准直器；EC5. 5 cm长度拓展准直器；EC10. 10 cm长度拓展准直器 图 4 不同长度准直器下照射时间和空气间隙的关系 Figure 4 The relationship between the irradiation time and the air gap for collimators of different lengths

(2) 空气间隙对AD分布的影响：空气间隙对AD分布的影响如图 5所示，对同一种准直器，随着空气间隙的增加AD逐渐增加；与CC(5)的情况比较，EC5(0)的AD缩小了3.4%，此时两种情况下模体与墙面距离均为5 cm；与CC(10)情况比较，EC10(0)的AD缩小了5.6%，此时两种情况下模体与墙面距离均为10 cm。这表明在治疗过程中使用拓展准直器会略微缩小AD，但效果并不明显。

注：CC. 常规准直器；EC5. 5 cm长度拓展准直器；EC10. 10 cm长度拓展准直器 图 5 不同长度准直器下AD和空气间隙的关系 Figure 5 The relationship between the advantage depth and the air gap for collimators of different lengths

(3) 空气间隙对离轴剂量的影响：在不同空气间隙下，3种准直器在水箱模体最大剂量深度处的离轴剂量曲线分布如图 6所示，结果表明随着空气间隙的增大，3种准直器均呈现离轴剂量增加的结果。EC相对于CC，离轴剂量受空气间隙变化的影响较小。

注：CC(0)、CC(2)、CC(4)和CC(6)分别代表常规准直器的无间隙、2 cm空气间隙、4 cm空气间隙和6 cm空气间隙的情况；EC5(0)、EC5(2)、EC5(4)和EC5(6)分别代表 5 cm长度准直器的无间隙、2 cm空气间隙、4 cm空气间隙和6 cm空气间隙的情况；EC10(0)、EC10(2)、EC10(4)和EC10(6)分别代表 10 cm长度准直器的无间隙、2 cm空气间隙、4 cm空气间隙和6 cm空气间隙的情况 图 6 不同准直器分别在不同空气间隙的情况下水箱模体最大剂量深度处离轴剂量曲线    A. 常规准直器；B. 5 cm长准直器；C. 10 cm长准直器 Figure 6 The off-axis dose curves at the depth of maximum dose in the water phantom for different collimators at different air gaps    A. Conventional collimator; B. 5 cm-length extended collimator; C. 10 cm-length extended collimator

BNCT的中子束流在空气中存在衰减，随着肿瘤与准直器距离的增加，辐射剂量迅速下降^[19]。因此，患者必须尽可能靠近准直器。BNCT的治疗时间较其他放疗要长，需30 min~1 h，因此维持患者体位的体力负担较大。如果在治疗过程中出现身体运动，剂量分布可能会偏离治疗计划，降低治疗效果。最近，有报道评估了基于加速器的BNCT中患者定位误差与剂量分布之间的关系，患者的定位需要精确，使剂量误差控制在5%以内^[20]，这要求患者治疗过程中保持体位不变。在临床中，为了解决这一问题，Hu等^[19]和Komri等^[8]提出了用不同类型的拓展准直器以改善患者体位的舒适度，利用其对中子的反射作用，增加了热中子通量密度，缩短了照射时间。Hu等^[21]还提出了在准直器表面使用适合不同患者情况的过滤设置，以改善BNCT的剂量分布。

本研究基于这一思想，设计不同的拓展准直器，特别研究了不同准直器材料设计下患者剂量的分布规律，并给出了不同准直器长度、空气间隙组合情况对于照射时间、优势深度和离轴剂量的影响。该设计对BNCT装置设计提供参考，适用于头颈部肿瘤的患者，颈部活动范围有限的患者，或接受过颈椎剥离手术、定位到足够靠近准直器的位置可能比较困难的患者，提高了治疗效果。

首先对比了BNCT系统中CC和EC对热中子通量密度、伽马射线剂量率以及快中子剂量率的影响。水箱与墙面间距固定为10 cm的情况，CC与患者肿瘤体表存在的空气间隙导致热中子通量密度降低，从而验证了EC能够起到中子聚束、提高照射剂量的作用。与Hu等^[19]使用的EC的效果一致。

针对准直器的材料选型，本研究利用⁶Li和¹⁰B能够同时吸收热中子和超热中子，并且对低能量的热中子的吸收更显著的物理特性^[21-22]。结果表明，相较于聚乙烯结合B₄C，聚乙烯结合LiF的准直器材料在优势深度和照射时间均有优势；针对聚乙烯结合LiF的材料，聚乙烯的相对含量越低，照射时间越长，AD略微提升。分析原因，一方面，聚乙烯相对含量低，降低了反射的治疗用中子的通量密度的绝对值，从而延长了照射时间^[23]；另一方面，相对含量高的LiF能够降低人体表面热中子的相对比例，即降低本底剂量的相对比例，从而提高AD的值^[21]。这两方面因素是互相竞争的关系，需要综合考虑。在临床治疗过程中可根据实际临床需求，采用不同比例的聚乙烯和LiF材料组合来设计适用于特定患者的拓展准直器。

最后研究了不同空气间隙大小对模体剂量分布特性的影响规律。研究的参数包括治疗时间、AD以及和离轴曲线。结果表明，在源到水箱模体距离相等的情况下，拓展准直器几何结构可以改善BNCT的剂量分布和缩短照射时间。这是由于含LiF聚乙烯材料的中子聚束功能^[15]，增加了患者生物等效剂量中硼剂量的贡献。此外，离轴剂量反映了垂直于束流中心轴方向的剂量分布特点。通过研究水箱模体最大剂量深度处的离轴剂量曲线，结果表明随着空气间隙的增大，离轴剂量则越大，EC相对于CC，离轴剂量的变化随着空气间隙的影响较小，表明EC对中子束流的聚束效果更佳。

本研究设定的不同准直器、不同空气间隙的情况，为工程设计提供了参考。其临床意义在于，不仅能够增加了临床治疗的适应症范围，降低了因为个人体位受限而无法适应BNCT的概率，提高患者的舒适度；而且提高了肿瘤照射剂量，降低了治疗计划制定的难度，同时也降低了照射野外的剂量，提高了BNCT装置的中子利用率。

在实际应用中，准直器能够做成模块化、可装卸的样式。进一步地，可以根据每个患者的具体情况，设计不同的准直器。甚至，还可以根据每个患者的特点增加可贴附人体表面的补偿物设计，并与拓展准直器结合使用，从而更好地调节束流参数，实现患者个性化治疗。

为了降低BNCT准直器与照射部位的空气间隙对治疗效果的负面影响，设计了不同BNCT拓展准直器。研究结果表明，拓展准直器能够有效缩短照射时间。可以根据每个患者的实际情况，选择合适的准直器尺寸和材料，若患者肿瘤体表与束流出束口的间隙较小，则可以考虑采用EC5；若患者肿瘤体表与束流出束口的间隙较大，则可以考虑采用EC10。在实际选择中如果照射时间作为优先考虑指标的话，高质量比聚乙烯与低质量比LiF结合的材料作为准直器材料是个较好选择；若AD作为优先考虑指标的话，低质量比聚乙烯与高质量比LiF结合的材料更佳。准直器的使用和选择，需要综合考虑照射时间、AD、离轴剂量等参数，结合患者定位实际情况来确定，确保提高肿瘤剂量的同时降低周围危及器官的剂量，提升治疗效果。

利益冲突    无

作者贡献声明    朱雅迪负责研究设计及论文撰写；高军负责技术指导和论文修改；季翔、廉超指导论文修改；王永峰、高胜协助选题设计和论文修改