王振超，关世荣，张　慧，梅雪松，庞　杨，赵　琳

12C和20Ne离子剂量分布的Geant4模拟

王振超，关世荣，张慧，梅雪松，庞杨，赵琳

（黑龙江省科学院技术物理研究所第三研究室，哈尔滨 150086）

利用Geant4程序模拟光子和重离子在水中的输运过程，并模拟计算80-430MeV/u12C、20Ne在人体等效组织水中的剂量分布。分别讨论12C、20Ne离子的线性能量传递（LET）的特性。结果表明，重离子与物质相互作用时，横向散射小，与12C相比20Ne离子在水中射程短，剂量分布高。

Geant4；重离子；剂量；LET

重离子（Z＞2）放射治疗的优势之一体现在它的能量沉积上，即深度剂量分布上，重离子束沿其径迹的能量沉积出现了Bragg峰，坪区与峰区的传能线密度（LET）显著不同。因此可利用Bragg峰区高的LET值施于肿瘤所在的病灶，局部高效地杀死癌细胞，而在此区域之外的健康组织受损较小，为了进一步治疗和确定治疗剂量，需要对重离子Bragg峰的位置做详尽研究［1-3］。

描述带电粒子在物质中的能量损失的重要物理量线性能量传递linear energy transfer（LET），是指单位长度径迹上能量的传递。国际辐射单位委员会（The InternationalCommission on Radiology Units）对其的定义是：在介质中带电粒子的线性能量传递（LET）是dE/dL，在此dE是特定能量的带电粒子，在dL的传递距离中给予介质的局部能量，即LET=dE/dL［4-5］。

1　Geant4模型

离子定义：离子定义中采用C++中的指针函数particleTable->GetIon()来定义离子的类型。

物理过程：12C、20Ne离子在水中物理过程采用G4hMultipleScattering与G4ionIonisation基类，从而模拟离子的多重散射和电离相互作用的过程［11］。

2　模拟结果与分析

2.1重离子与光子输运过程模拟

图112C离子在水中输运过程Fig.1 Trajectory of12C ion in water

图2　γ光子在水中的输运过程图Fig.2　Trajectory ofphoton in water

图1和图2为Geant4模拟C离子与γ光子在水中的输运过程。

由图1和图2对比可见，由于重离子质量大，与物质相互作用时，横向散射小，几乎是沿直线运动，与常规的放射治疗相比重离子能够精确地在局部位置杀死肿瘤细胞，避免肿瘤周围正常组织受到照射。

2.2不同离子束的LET

图312C、20Ne离子在水中LET分布Fig.3　LET distribution of12C and20Ne ion in water

图3为400MeV/u12C、20Ne在水中的LET分布，数据在初始位置即Z=0mm处进行了归一化处理。由图3可见，12C、20Ne在水中的能量沉积具有Bragg峰的性质，即离子能量沉积集中在射程末端，并且随着入射离子质量增加，Bragg峰峰值增高，与12C相比，20Ne离子在峰区的能量沉积增加。

2.3不同能量离子束的剂量分布

图4　不同能量12C离子在水中的深度剂量分布Fig.4　Dep th-dose distribution of12C ion atvarious energies in water

图5　不同能量20Ne离子在水中的深度剂量分布Fig.5　Depth-dose distribution of20Ne ion atvarious energies in water

图4、图5为不同能量离子在水中的深度剂量分析结果,从图中可以看出，不同能量12C、20Ne离子在射程末端都有高剂量的能量损失。体现了离子能量沉积具有Bragg峰特点，并且随着入射离子能量的增加，离子的剂量分布减小，离子在水中的射程增大，利用离子束独特的倒转深度剂量分布，可以通过改变入射离子的能量来调节离子束在组织中能量沉积的位置，从而达到对肿瘤位置的精确治疗，并降低对病灶周围正常组织的影响。

由图4和图5对比可见，相同能量下20Ne离子的射程短，但剂量分布高，可利用20Ne离子对浅表部位的肿瘤进行治疗。

3　结论

基于Geant4能够模拟离子与物质相互作用的过程，研究利用Geant4程序模拟可视化光子和重离子在水中的输运过程，并计算80-430MeV/u12C、20Ne离子在人体等效组织水中的剂量分布及LET分布，由于重离子的能量沉积具有Braag峰的特点，可利用重离子对肿瘤进行精确治疗。由于20Ne离子在人体等效组织中的射程短，剂量分布高，因此20Ne离子在浅表肿瘤治疗中具有更大的优势。

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Gean4-based sim ulation of depth-dose for12C and20Ne ion

WANG Zhen-chao,GUAN Shi-rong,ZHANGHui,MEIXue-song,PANGYang,ZHAO Lin
(Department III,Technical Physics Institute ofHeilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150086,China)

Trajectory of photon and heavy-ion in waterwere simulated via Geant4.Depth-dose distribution of12C ion and20Ne ion in waterwere computed at80-430MeV/u.The LET characteristics of12C ion and20Ne ion were discussed.Itwas found thatwhen the heavy ion interacted withmatter itpractically travel in a straightpath.Compare to12C ion,20Ne ion had shorter rangeandmore d epth-dose inwater.

Geant4;Heavy-ion;Depth-dose;LET

O571.33

A

1674-8646（2016）04-0008-02

2016-01-06

王振超(1986-)，男，辽宁朝阳人，硕士，助理研究员，主要从事核技术应用的研究。