汪金龙，屈卫卫，谢树青，王宏凯，袁晓刚

1.广州泰和肿瘤医院质子技术部，广东广州510555；2.苏州大学医学部放射医学与防护学院，江苏苏州215123；3.生态环境部核与辐射安全中心，北京102400

前言

放射治疗是癌症治疗的重要手段之一［1］。质子因为有布拉格峰的独特物理优势［2］，并随着相关技术逐渐成熟，尤其是质子调强技术的发展［3］，质子治疗在欧美日已经开展了广泛的临床实践［4］。近几年我国掀起了质子放疗的热潮，多个质子中心陆续开始建造，例如河北一洲国际质子肿瘤医院和广东恒健质子医院引进IBA的多室系统，安徽合肥离子医学中心和广州泰和肿瘤医院采用Varian的多室系统，上海瑞金肿瘤医院的质子系统则为上海应用物理研究所自主研发生产［5］。这些新建质子医院均配备了先进的铅笔束扫描治疗头。相对于被动散射治疗头，扫描头能够得到更好的剂量分布，减少治疗时间，降低副作用，减少散射中子［6］。

蒙特卡罗方法能够很好地模拟粒子与物质的相互作用［7］，多种蒙特卡罗程序逐步应用到质子治疗中［8］。蒙特卡罗程序在质子放疗领域中，尤其在辐射防护［9］、探测器设计［10］、治疗计划［11］等方面的应用越来越广泛［12］。本研究采用FLUKA 程序对扫描治疗头进行建模和模拟计算［13-14］，建立扫描头的蒙特卡罗模型，并用该模型研究不同能量质子深度剂量曲线的变化，计算射程移位器在不同位置处对束斑截面的影响，最后模拟磁场对单质子束的偏转情况。

1 资料与方法

扫描治疗头主要由扫描磁铁、真空腔、剂量探测器和位置探测器组成［15］，如图1所示。扫描磁铁通常有两块，一个完成横向扫描，另一个完成纵向扫描。真空腔是质子束流在扫描头内的路径，抽成真空，以减少散射，也有的设计成一个充满大气压的氦气腔。剂量探测器为两块独立的电离室，以满足相关法规要求的冗余测量［16］，位置探测器通常为条带型电离室。有的治疗头还配有射程移位器，将质子能量降低到70 MeV以下，射程移位器位于患者和最后一块探测器之间，用于治疗浅表肿瘤［17］。

图1 扫描治疗头结构示意图Fig.1 Mechanical structure of scanning nozzle

1.1 蒙特卡罗几何模型

扫描治疗头的蒙特卡罗几何模型如图2所示，在等中心点处放置40 cm×40 cm×40 cm的水模，真空腔总长度为190 cm，两侧都有很薄的铝窗；3个探测器内充满干燥气体，两侧为聚酰亚胺薄窗，位于距离等中心约1 m的位置；纵向扫描磁铁磁中心位于Z=-255 cm，横向扫描磁铁磁中心位于Z=-200 cm；真空窗、探测器、水模之间为空气。射程移位器材料为聚乙烯，距离等中心平面10 cm。

1.2 束流模型

为计算扫描治疗头对单点束流品质的影响，尤其是散射和磁场偏转造成的影响，并简化计算，本研究采用理想的平行束流模型，输入截面为高斯分布，半高宽（Full Width at Half Maximum,FWHM）=1 cm。

1.3 其他设置

蒙特卡罗程序尚不能像治疗计划软件那样勾画靶区并计算剂量，也无法像真实的扫描头那样对每个束斑进行扫描［18］，但可以通过用户程序设置磁场，在计算中实现磁场的单点扫描。

为提高计算精度，FLUKA 默认选项卡选择PRECISIO。对于质子治疗，最新的AAPM TG-256报告中仍建议质子相对生物效应采用RBE=1［19］，因此有效剂量的分布可以代表生物剂量的分布，剂量计算选取FLUKA默认的吸收剂量。

2 结果与讨论

2.1 深度剂量曲线

作为对比，首先计算质子直接入射水模中的深度剂量曲线，选取具有代表性的3 个能量点进行计算，即70、180和230 MeV，相应的深度剂量曲线如图3～5 所示，左图是全射程的深度剂量曲线，右图为质子布拉格峰区附近的剂量深度曲线。这些结果排除了治疗头部件以及空气散射的影响，可以作为参考基准。

图2 扫描治疗头的蒙特卡罗几何模型Fig.2 Mote Carlo model of scanning nozzle

图3 70 MeV质子深度剂量曲线以及峰区深度剂量曲线Fig.3 Depth dose curve of 70 MeV proton and depth dose curve of 70 MeV proton at Bragg peak

图4 180 MeV质子深度剂量曲线以及峰区深度剂量曲线Fig.4 Depth dose curve of 180 MeV proton and depth dose curve of 180 MeV proton at Bragg peak

图5 230 MeV质子深度剂量曲线以及峰区深度剂量曲线Fig.5 Depth dose curve of 230 MeV proton and depth dose curve of 230 MeV proton at Bragg peak

汇总图3～5 中的布拉格峰区参数如表1 所示。R80-R80 是从80%峰值剂量爬升到峰值再跌落到80%峰值剂量的距离，可以代表布拉格峰的宽度；R80是从峰值跌落到80%峰值剂量的深度，代表质子的射程，也有的研究用R90 代表射程［20］；R80-R20 是布拉格峰末端从80%峰值剂量跌落到20%峰值剂量的距离，这个参数将影响伴影的大小，代表质子的下降沿宽度。从表1 可见，随着能量的增加，质子在水中的射程增加，同时散射也越严重，最终布拉格峰变宽，尾端变胖［21］。

表1 布拉格峰区参数Tab.1 Bragg peak properties

图6 对比了单个质子束直接入射到水模（实线）和通过治疗头后入射到水模（虚线）的深度剂量曲线，对于不同能量的质子射程均缩短了约0.6 cm。布拉格峰形基本保持不变，布拉格峰区参数峰宽和下降沿宽度基本保持不变。可见扫描治疗头仅对质子射程有较大影响，原因是质子通过扫描头部件和空气有能量损失，质子系统的设计需要能够补偿这一损失，以减小射程的误差；同时也可以通过增加真空腔的长度，减小真空窗和探测器薄窗的厚度来减小扫描头对射程的影响。

2.2 束流截面

扫描治疗头部件、空气和水模都会对束流造成散射，如图7所示。180 MeV质子入射后，有少量质子偏离束流方向，朝四周散射。提取不同Z位置上的束流截面发现高斯分布变得越来越矮，越来越胖，如图8所示。这里的计算网格划分为X和Y方向0.05 cm/bin，Z方向为1 cm/bin。

图9给出了FWHM随束流路径的变化曲线，所有能量的质子束入射FWHM均为1 cm。在空气段，70 MeV的FWHM达到230 MeV的3～4倍，可见能量越低，质子受散射的影响越严重。对于同一能量的质子，在不同的介质中散射程度也不同，在真空和空气中近似线性增长，空气中斜率更大；而在水中则以指数增长。因此缩短空气段的长度有利于减少散射。

射程移位器通常为聚乙烯材料，位于水模和治疗头之间。如果治疗中使用射程移位器，它会加剧质子散射。作为示例，本研究计算了4 cm 厚度聚乙烯射程移位器对180 MeV 质子束流的散射，将射程移位器放置于距离水模表面0、10、20、30、40和50 cm分别进行独立计算，结果如图10所示。当Z＜-50 cm时，随着射程移位器与水模之间的距离增加，束流的FWHM 在相同Z 的位置上增加不明显；当Z≥-50 cm时，随着射程移位器与水模之间的距离增加，束流的FWHM在相同Z的位置上增加明显。后段的空气将进一步放大射程移位器的散射。因此，射程移位器使用时应当尽量靠近患者，以减小散射的影响［17］。

图6 质子深度剂量曲线对比Fig.6 Comparison among proton depth dose curves

图7 180 MeV质子归一化分布Fig.7 180 MeV proton normalization distribution

图8 180 MeV质子在不同Z位置上的束流截面Fig.8 Profiles of 180 MeV proton beam at different Z positions

图9 不同能量的质子束FWHM随束流路径的变化曲线Fig.9 Variation of FWHM of different energy proton beams with the change of beam path

图10 射程移位器位置对180 MeV质子束流FWHM变化曲线的影响Fig.10 Effect of the position of range shifter on FWHM of 180 MeV photon beam

2.3 扫描磁场

扫描磁铁加载磁场后，束斑将偏离束流中心，图11计算了当纵向扫描磁场Bx=0.1 T，横向扫描磁场By=0.3 T 时180 MeV 质子束的偏转情况。纵向扫描磁场使质子在Y方向偏离了2.693 cm，横向扫描磁场使质子在-X方向上偏离了8.427 cm。当束流有偏转的时候，要求探测器和射程移位器足够宽，虽然越靠近患者散射越小，但探测器的有效面积会限制它的位置，所以一般将其放置在真空腔后面。而射程移位器可以做的足够大，放置在靠近患者的位置，既满足宽扫描场的需要又满足减少散射的要求。

偏转磁场对束流没有聚焦或发散作用，因此不会改变质子束的截面形状和大小，如图12 所示。在180 MeV 质子射程末端，有扫描磁场时的FWHM 与无扫描磁场的FWHM差值仅为0.02 cm。

图11 磁场模拟单点扫描Fig.11 Simulated single-point scanning of magnetic field

3 结论

本研究计算了3个能量点（70、180和230 MeV）的剂量深度曲线。随着能量的增加，质子在水中的射程增加，同时散射也越严重，布拉格峰变宽，尾端变胖；相比于直接入射水模，通过治疗头后质子在水中的射程缩短了约0.6 cm，但布拉格峰形基本保持不变。扫描治疗头仅对质子射程有较大影响，原因是质子通过扫描头部件和空气有轻微的能量损失，质子系统的设计需要能够补偿这一损失，以减小射程的误差。同时也可以通过增加真空腔的长度，减小真空窗和探测器薄窗的厚度来减小扫描头对射程的影响。

将4 cm厚度聚乙烯射程移位器放置于距离水模表面0、10、20、30、40 和50 cm 分别进行独立计算，发现与水模距离越远，质子的散射越大，射程移位器的散射会在后段的空气散射中放大，因此治疗过程中射程移位器应尽量靠近患者。

图12 扫描铁有磁场与无磁场的FWHM差值Fig.12 FWHM with and without magnet field

当扫描磁铁加载磁场后，束斑将偏离束流中心，形成较宽的照射野，当束流有偏转的时候，要求射程移位器横截面足够大，既满足宽照射野的需要又能满足减少散射的要求。而探测器因为有效面积的限制，一般放置在真空腔后。

扫描治疗头的蒙特卡罗模型将有助于质子治疗从业者理解质子治疗这一新兴的放疗方法，有助于物理师理解扫描治疗的束流特性，在调试和质量保证中提供参考数据。

但本研究的束流模型和扫描模型还有待改进，在后期的研究中将使之能够生成展宽的布拉格峰以及多点扫描模式方式。

致谢：感谢Andrii Rusanov 博士在FLUKA 使用过程中的指导。L.Alberto Cruz博士是质子治疗领域的资深专家，也感谢他在质子放疗基本知识和扫描治疗头研究中的帮助和指导。