目前全国范围内多家医疗机构已开展了质子重离子加速器的放射治疗，作为肿瘤放射治疗领域的尖端技术，质子重离子治疗的质量控制是其健康发展的核心要素。粒子能量是由其射程大小来表征，射程的准确性是进行临床治疗的最重要前提，较大的射程偏差会影响治疗效果，危害患者健康，因此射程是质子重离子质量控制的关键指标之一。质子重离子的射程与其布拉格峰位置高度相关，一般定义为布拉格峰远端90%剂量位置为质子重离子的射程^[1-2]。从定义可知布拉格峰位置准确定位是测量质子重离子射程的关键。理论上，借助电离室与水模体通过逐点测量可获取射程，但临床中质子重离子涉及上百个能量档，逐点测量耗时过长，实际操作中难以推行，因此射程测量高度依赖专业设备。现阶段，国内在售的质子重离子射程测量设备包括PTW PEAKFINDER^[3-4]、Giraffe^[5]和Zebra^[6]等，其中PEAKFINDER可以自由设置步进精确度，最小步长为0.01 mm，测量结果准确度较高，但是需要逐点测量质子的能量沉积，耗时较长；Zebra和Girraffe都是IBA产品，Zebra可质子重离子布拉格峰及扩展布拉格峰的测量，Girraffe主要用于布拉格峰的测量，这两款设备都采用180通道，其测量精确度在0.5 mm，最快响应时间10 ms。为了快速精确测量质子重离子的射程，本研究联合中国科学院近代物理研究所共同研发了具有完全自主知识产权的质子重离子射程探测设备—快速布拉格峰探测器，其核心优势在于响应速度快(最快响应时间44.2μs)、测量精度高(射程最高精确度＜0.25 mm)。

医用质子重离子常见束流形式包括双散射束流、均匀扫描束流以及笔形束等^[7]，国内的质子重离子束流主要是以笔形束为主，因此本次快速布拉格峰探测器的测量验证工作是在质子笔形束下进行的。本研究对快速布拉格峰探测器的基本结构及原理进行介绍，然后对快速布拉格峰探测器进行对比验证并应用Geant4分析其测量结果的精确度。

材料与方法

1. 快速布拉格峰探测器：由中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所和中国科学院近代物理研究所共同研制，其外部尺寸为758 mm×215 mm×240 mm，内部由200个相同的小平面电离室组成，每个小电离室的有效面积为100 mm×100 mm，极间距为2 mm，其外观和内部结构见图 1所示。探测器的核心部件是由200个电离室和200个1 mm厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)组成^[8]，电离室和PMMA的组合排列如图 2所示，图中A是PMMA；电离室是由图中B和C、D组成，其中图B是2 mm厚TU-752板材框架；C和D是13框架厚的双面镀铝聚酰亚胺膜。由于质子重离子经过每片PMMA后能量都会衰减，通过收集聚酰亚胺膜产生的离散化信号可以得到近似的质子重离子深度分布曲线。快速布拉格峰探测器的电子学可同时分析来自200个探测器的信号，可探测的信号范围在39~755 nA之间，噪声水平＜300 pA，采样频率最大22.6 kSPS，电荷积分时间在44.2 ~ 2 584 μs。

快速布拉格峰探测器专为医用质子重离子质量控制检测设计，其核心指标如下：能量响应质子在64~250 MeV，重离子在120 ~430 MeV/u之间；测量能量偏差＜0.3 MeV/u；射程测量结果的重复性在±0.1 mm范围内；电子学积分线性度在±0.2%范围内；200个电离室的灵敏度基本一致。

医用质子束流能量一般在70~230 MeV之间，对应的水中射程在4~32 cm之间；医用重离子束流能量一般在120 ~430 MeV/u之间，相应的水中射程为4~30 cm。依据国际原子能机构(IAEA)TRS 398报告^[9]中有关PMMA与水等效厚度换算关系，200 mm厚的PMMA约相当于195 mm水的等效厚度，显然195 mm水深无法满足高能质子重离子的测量需求，因此在快速布拉格峰探测器前端预留有安装150 mm厚PMMA块的位置，如图 1中B图的③位置。当质子能量高于180 MeV时，重离子能量高于330 MeV/u时，需要添加额外150 mm PMMA降能块以便满足布拉格峰探测要求。

快速布拉格峰探测器中常规PMMA层厚固定为1 mm，探测器间隔1 mm，因此测量位置的最大误差近1 mm，标称射程精确度为0.5 mm。由于WS 816-2023标准^[2]中射程的偏差要求在±1 mm范围内，快速布拉格峰探测器在极个别情况可能出现测量结果无法满足标准要求的情形。为了应对测量结果与要求偏差过大的情形，快速布拉格峰探测器额外附带有3种规格的PMMA板，层厚分别为0.5、0.75和1.25 mm，测量时可在图 1的B②位置分别增加3种规格PMMA板进行测量，最后组合测量数据得到PMMA间隔近似0.25 mm的测量结果，这种测量方式称为精细模式。精细模式预期可以减小测量的误差，提高测量射程的精确度。

2. 医用质子加速器：比利时IBA的Proteus PLUS型医用质子加速器标称能量范围为70~230 MeV，束流为笔形束。本研究中用快速布拉格峰探测器验证了3挡质子能量分别为低能70.19 MeV、中能150 MeV和高能226.09 MeV，3挡质子能量对应的标称射程分别为40.8、157.8和320.1 mm。

3. Geant4：作为免费的蒙特卡罗模拟工具包^[10-11]，它可以精确模拟能量从eV到TeV范围内多种粒子的相互作用，因此，Geant4广泛应用粒子物理、核物理、加速器物理、医学及空间科学等领域。

Geant4(V11.3.0)提供多种物理模型，不同的物理模型适用于不同的模拟场景，多份研究报告证实了QGSP_BIC_EMY物理模型^[12-15]模拟的质子束流结果与实验数据最相似，因此本研究选择了QGSP_BIC_EMY作为质子布拉格峰及射程计算的物理模型。为了建立与快速布拉格峰探测器结构类似的物理模型，采用Geant4创建了一个截面10 cm×10 cm，长度z轴方向为40 cm的立方体，利用Geant4中的基于宏命令的方法将立方体在z轴方向按照层厚2、1、0.5、0.25和0.1 mm划分为200、400、800、1 600和4 000个探测单元，图 3为层厚1 mm时的模型示意图。每个10 cm×10 cm×层厚(2 mm或1 mm或0.5 mm或0.25 mm或0.1 mm)的水立方体作为一个探测质子能量损失或者剂量沉积的单元。其中1 mm层厚和0.25 mm层厚分别与布拉格峰探测器标准模式和精细模式相对应。

Geant4模拟结果通过公式(1)进行统计误差分析^[16]：

$ \text { Erro }=\sqrt{\frac{\frac{\sum\limits_1^n x_i^2}{n}-\left(\frac{x}{n}\right)^2}{n-1}} $

(1)

式中，Erro为统计误差；x为单次测量值，MeV；n为模拟粒子数量，本研究中水模体中层厚为0.25和0.1 mm时，运行的粒子数为1 000 000，其他层厚运行的粒子数为100 000。

结果

在快速布拉格峰探测器的标准模式和精细模式下分别测量了某台Proteus PLUS型质子加速器标称70.19、150和226.09 MeV能量的质子射程。图 4为70.19 MeV标准模式下采用90%间距法测量的射程。

快速布拉格峰探测器的标准模式和精细模式下的测量结果列于表 1，偏差为测量值与标称射程相减的结果，从表中可见标准模式和精细模式下测量的偏差满足标准±1 mm的要求。

为了展示不同层厚下射程测量结果的差异，Geant4模拟了17档质子能量分别在2、1、0.5、0.25和0.1 mm层厚下的布拉格峰位置和相应的射程，同时为了验证模拟结果的准确性增加了与同样能量下美国国家标准与技术研究院(NIST)报告的射程^[14]结果作为对比验证，详细模拟结果列于表 2。

Geant4的模拟结果通过公式(1)来计算不确定度，质子在水中能量沉积的统计不确定度与在质子在水中位置高度相关，图 5展示了100 000个226 MeV质子在水中的深度分布和统计不确定度分布图，从图中可见在质子射程范围内，统计不确定度是极低的，通常＜0.000 1。

讨论

快速布拉格峰探测器射程测量界面中有两种测量方法分别是90%间距法和最大梯度法，其中测量射程指的是布拉格峰远端90%处的位置，测量间距是指位于布拉格峰前和峰后最大剂量90%点之间的距离，对于单能质子只需关注测量射程即可。最大梯度法是深度剂量分布上升和下降斜率最大点对应的位置，其中下降斜率最大点一般作为测量的射程，最大梯度法一般用于重离子射程测量。参考射程为理论或者厂家标称数据，需要用户自行选择，程序默认是200 MeV质子的射程数据。

根据射程定义，直接测量射程需要精确定位最大值90%位置，对于低能质子例如70 MeV质子，其远端剂量快速跌落，从布拉格峰处往远端移动1 mm的距离，剂量将降为峰值的25.4%。在这样的区域辨别最大值90%位置是个十分困难的任务。质子射程大部分都是插值计算的结果，文中Geant4模拟的射程全部是excel函数trend插值计算的结果。

本研究快速布拉格峰探测器标准模式测量结果与标称值的偏差都在±1 mm范围内，最大偏差为-0.66 mm，因此可以说检测结果合格。但是从严谨的角度来考虑，-0.66 mm偏差是医用质子加速器本身缘故还是由于布拉格峰探测器分辨率不够的原因这个问题值得进一步深究。对于偏差接近限值要求±1 mm的情况需要进行精细测量，精细测量结果显示该能量射程偏差为-0.73 mm，偏差依旧较大，因此可以判断这个偏差是医用质子加速器本身原因导致的。

Geant4采用连续水模体模拟快速布拉格峰探测器的精确度主要是基于以下考虑，首先快速布拉格峰研制测试阶段已将PMMA板等效为相应水的厚度，将转化系数写进内部程序，因此探测器的实物为PMMA板，但是在程序中已经等效为水；其次Geant4模拟时忽略了快速布拉格峰内部近40 cm厚的空气，据Geant4模拟显示40 cm空气可能影响原束流中约0.5‰的质子，对于大部分质子没有影响，40 cm空气基本不影响质子射程的计算，因此在建立模型时忽略了快速布拉格峰中的空气成份。

Geant4模拟的布拉格峰位置可能与实际测量值存在偏差，如150 MeV时质子射程模拟结果为157.75 mm，实际测量射程为157.39 mm。这种偏差是由多种因素导致的，例如布拉格峰探测器中的PMMA板与水等效换算，Geant4物理模型的精确度等因素，这些都属于系统性偏差，这样的偏差不影响不同层厚布拉格峰和射程精确度分析。

Geant4模拟的1 mm层厚和0.25 mm层厚的布拉格峰和射程数据与快速布拉格峰探测标准模式与精细模式测量结果相对应。本研究中，1 mm层厚下即标准模式下210 MeV质子的射程偏差最大为-0.48 mm；0.25 mm层厚下即精细模式下190 MeV质子的射程偏差最大为-0.14 mm。

由于物理模型差异，Geant4模拟结果与NIST值存在一定差异是正常的现象，通过对比NIST结果可知Geant4采用的物理模型和构建的几何模型是合适的。从本研究结果与NIST结果对比来看，0.1 mm层厚测量结果与NIST计算值最接近，在可接受的范围内可以视0.1 mm层厚时的布拉格峰位置和射程为相应能量质子布拉格峰位置和射程的“真值”。从分析不同层厚下布拉格峰位置和射程与“真值”的偏差可以深度理解布拉格峰探测器标准模式和精细模式结果的差异。本研究结果，随着层厚降低，布拉格峰位置偏差也在变小，从2 mm层厚下布拉格峰位置偏差最高为70 MeV时的偏差为1.35 mm降到0.25 mm层厚230 MeV时的0.28 mm；射程也体现类似的规律，从2 mm层厚下射程偏差最高为220 MeV时的0.84 mm降到在0.25 mm层厚190 MeV时的0.14 mm。

从Geant4模拟结果来看在标准测量模式下即层厚1 mm时射程偏差＜0.48 mm，精细模式下即层厚0.25 mm时射程偏差＜0.14 mm，快速布拉格探测器标准模式下测量结果就能满足标准中射程偏差±1 mm的要求，精细模式适用于验证标准模式测量结果偏差较大的射程值。快速布拉格峰探测器可满足质子重离子日常质量控制检测的需求，其测量精确度和时间响应优于Giraffe和Zebra，该设备的出现填补了国内质子重离子质量控制检测设备的空白。

利益冲突  无

作者贡献声明  李明生负责设计实验方案、现场检测、数据分析和论文撰写; 马向捷和袁继龙负责现场检测；刘辉协助检测及数据分析