陳昭，雷琴，楊鵬，文玉梅，何冬林，吳章文，勾成俊

輻射物理及技術教育部重點實驗室/四川大學原子核科學技術研究所，四川成都610064

前言

硼中子俘獲治療（Boron Neutron Capture Therapy,BNCT）是一種二元靶向放療技術，由Locher［1］于1936年首次提出。在腫瘤和正常組織中，BNCT輻射場會產(chǎn)生多種次級粒子，例如：質子、光子、α和7Li等粒子［2］，輻射產(chǎn)生的劑量來源主要分為硼劑量、γ劑量、中子劑量和質子劑量［3-4］。本文將BNCT輻射場劑量分成兩部分：（1）硼劑量（Boron dose），僅由組織中的10B與中子相互作用產(chǎn)生高LET的α和7Li粒子在組織中的劑量沉積；（2）非硼劑量（non-Boron dose），即除由10B與中子作用產(chǎn)生的α和7Li粒子之外的劑量，主要包括組織中的14N發(fā)生14N（n,p）14C反應產(chǎn)生的0.54 MeV的質子和反沖核14C在組織中的劑量沉積，組織中的1H發(fā)生1H（n,n'）p反應產(chǎn)生的反沖質子在組織中的劑量沉積，組織中的H原子發(fā)生1H（n,γ）2H反應產(chǎn)生2.2 MeV的γ射線和伴隨中子束的γ射線在組織中的沉積劑量。由于BNCT輻射場的復雜性，目前開發(fā)的BNCT治療計劃系統(tǒng)（Treatment Planning System,TPS）中的劑量計算基本采用蒙特卡洛（Monte Carlo,MC）程序進行模擬計算［5-9］。

Geant4（Geometry and Tracking 4）是用于模擬粒子通過物質的MC軟件工具包，由歐洲核子研究組織（CERN）開發(fā)，廣泛應用于高能物理、天體物理、空間科學、醫(yī)學物理和輻射防護等領域［10］。Geant4優(yōu)勢是提供不同的物理列表并公開物理列表源代碼，用戶可以根據(jù)自己需求添加物理過程和修改物理過程［11］。Geant4提供了多種包含中子與物質相互作用的物理列表。Tavakoli等［11］比較不同物理列表計算70 MeV的高能中子在水模中的劑量沉積，QGSP_BIC_HP物理列表與FLUktuierende KAskade（FLUKA）計算結果符合較好。Geng等［12］對Geant4中不同物理列表在輻射防護中低能中子與人體等效組織相互作用的劑量計算進行研究，結論是使用高精度中子物理模型的物理列表計算結果和MCNP計算結果符合較好，采用S（α,β）熱中子散射模型，能減小高精度中子物理列表與MCNP之間的差異。Rosane等［13］使用Geant4不同物理列表對輻射防護中的周圍劑量當量和周圍吸收劑量進行計算，中子能量低于15 MeV時，使用高精度中子物理模型和S（α,β）模型的物理列表計算結果比僅使用高精度中子物理模型更好的符合已發(fā)表數(shù)據(jù)。同時，Rosane等［13］在文中指出Geant4是否適合BNCT劑量計算，目前尚不明確。Ghal-Eh等［14］研究結果驗證了FLUKA可以用于BNCT劑量計算，作為經(jīng)過很好驗證和廣泛使用的MCNP（X）之外的又一選擇。本文采用Geant4中不同物理列表對BNCT劑量分布進行相關研究，并與FLUKA模擬結果進行比較。

1 材料與方法

1.1 模擬模型

模擬模型如圖1所示，模體（Phantom）大小為（15×15×15）cm3，填充ICRU 46號報告［15］中的等效組織材料，具體組織材料成分見表1，10B濃度為30 ppm，放置于空氣中。中子束為單能單向源，沿模體中心軸入射。模擬中子束能量從0.025 3 eV到10 MeV。所有模擬計算追蹤粒子數(shù)為107個。記錄區(qū)域如圖1所示，沿中子束方向每隔5 mm記錄總吸收劑量、硼劑量和非硼劑量深度分布，記錄層大小為（20×20×5）mm3。所有計算結果對入射粒子歸一化。

1.2 Geant4模擬

圖1 模擬模型Fig.1 Simulation model

表1 等效組織材料成分（密度:1.0 g/cm3）Tab.1 Composition of tissue equivalent material(density:1.0 g/cm3)

本文采用Geant4.10.3版本。BNCT使用的中子束集中在熱中子和超熱中子能量段，Geant4中帶有低能中子與物質相互作用的物理列表有QGSP_BIC_HP、FTFP_BERT_HP、QGSP_BERT_HP、QBBC 和 QGSP_BERT 等［10］，其中 QGSP_BIC_HP、FTFP_BERT_HP和QGSP_BERT_HP高精度物理列表采用相同的高精度中子物理模型處理0～20 MeV的中子與物質相互作用，本文記為Geant4_HP；中子能量低于4 eV時，Geant4.8.2之后的版本提供S（α,β）（動量轉移α，能量轉移β）模型處理熱中子與分子的彈性散射［16］。Goorley等［17］研究結果顯示，MCNP采用S（α,β）熱模型與自由氣體模型計算BNCT熱中子劑量率時，兩種模型計算結果差異顯著。本文采用Geant4自帶的輕水S（α,β）散射律進行相關研究，添加S（α,β）的高精度中子物理列表記為“Geant4_HP_T”。不同物理列表采用的中子物理模型及其反應截面見表2和表3。

1.3 FLUKA模擬

FLUKA［18］2011.2c用于本文研究，與Geant4模擬計算結果進行比較。根據(jù)FLUKA用戶手冊介紹［19］，DEFAULTS卡推薦選用PRECISIOn，使用USRBIN和AUXSCORE卡記錄總吸收劑量、硼劑量和非硼劑量深度分布，使用USERWEIG卡和comscw.f用戶程序將計算結果的單位轉換成Gy。

2 結果與討論

沿中子束方向的總吸收劑量（Total absorption dose）深度分布如圖2所示。中子能量為10 MeV時，Geant4_HP、Geant4_HP_T、QBBC和QGSP_BERT計算的總吸收劑量深度分布均與FLUKA符合很好。中子能量低于10 MeV時，QBBC和QGSP_BERT模擬結果與高精度中子物理列表（Geant4_HP、Geant4_HP_T）和FLUKA差異顯著。中子能量為0.025 3 eV時，非高精度物理列表（QBBC、QGSP_BERT）沒有劑量結果。對于中子能量為0.025 3 eV～10 MeV，采用S（α,β）熱模型的高精度中子物理列表（Geant4_HP_T）與FLUKA結果符合較好，平均差異在5.2%之內。中子能量高于1 MeV時，Geant4_HP、Geant4_HP_T和FLUKA結算結果符合較好。中子能量低于1 MeV時，Geant4_HP與Geant4_HP_T和FLUKA計算結果之間差異顯著，平均差異均在23%和22%以上，中子能量為0.025 3 eV時，平均差異高于80%。

表2 Gent4中不同物理列表采用的中子相互作用模型（＜20 MeV）Tab.2 Neutron interaction model in different physics lists of Geant4(＜20 MeV)

表3 中子模型及其截面Tab.3 Neutron models and their cross sections

圖3顯示了沿中子束方向的硼劑量深度分布。QBBC和QGSP_BERT在模擬中子能量段未能獲取硼劑量深度分布。對于0.025 3 eV～10 MeV的中子，Geant4_HP_T與FLUKA計算的硼劑量深度分布符合較好，平均差異在8.3%以內。Geant4_HP與Geant4_HP_T和FLUKA獲取的硼劑量深度分布之間的差異較大，平均差異均高于27%和28%。

圖2 總吸收劑量深度分布Fig.2 Depth distribution of total absorption dose

圖3 硼劑量深度分布Fig.3 Depth distribution of boron dose

沿中子束方向的非硼劑量深度分布如圖4所示，變化規(guī)律和總吸收劑量深度分布相似。中子能量低于10 MeV時，QBBC和QGSP_BERT模擬結果與高精度中子物理列表（Geant4_HP、Geant4_HP_T）和FLUKA差異很大。對于中子能量0.025 3 eV～10 MeV，Geant4_HP_T與FLUKA結果符合較好，平均差異在5.5%之內。中子能量高于1 MeV時，Geant4_HP、Geant4_HP_T和FLUKA結算結果符合較好。中子能量低于1 MeV時，Geant4_HP與Geant4_HP_T和FLUKA計算結果之間差異明顯，平均差異均在15%和14%以上。

圖4 非硼劑量深度分布Fig.4 Depth distribution of non-boron dose

根據(jù)上述結論，QBBC和QGSP_BERT不能應用于熱和超熱中子的BNCT劑量分布研究。采用S（α,β）熱模型的高精度中子物理列表（Geant4_HP_T）與FLUKA結果符合較好，初步驗證了Geant4適用于BNCT相關研究。

3 結論

本文研究了Geant4中不同物理列表對BNCT劑量分布的影響，并與FLUKA進行比較，模擬中子能量從0.025 3 eV到10 MeV。對于10 MeV的中子，Geant4中所有物理列表在總吸收劑量和硼劑量深度分布上均與FLUKA符合很好。對于低能中子（＜1 MeV），QBBC和QGSP_BERT不能應用于BNCT劑量分布研究。對于0.025 3 eV～10 MeV的中子，采用S（α,β）熱模型的高精度中子物理列表（Geant4_HP_T）與FLUKA在總吸收劑量、硼劑量和非硼劑量深度分布上符合較好，平均差異均低于8.3%，初步驗證了Geant4適用于BNCT相關研究。在中子能量低于1 MeV，未采用S（α,β）熱模型的高精度中子物理列表（Geant4_HP）與Geant4_HP_T和FLUKA在總吸收劑量、硼劑量和非硼劑量深度分布上差異較大，即S（α,β）熱模型對BNCT劑量分布的影響不可忽視。