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FLUKA高级应用——质子治疗二次射线分布

2023-01-19 13:34     来源:质子中国     质子治疗伽马射线
质子治疗过程中,高能质子入射到人体组织会产生大量二次射线,其中主要是中子和伽马射线,是肿瘤区域质子与组织核反应的产物,这些二次射线天然地携带很多组织相关信息,对质子在线成像、剂量计算等研究具有重要价值。组织中的射线很难用探测器直接测量,因此可以采用蒙特卡洛软件进行模拟计算。

01伽马射线纵向分布

在质子治疗过程中,质子进入组织,通过相互作用在物质中沉积能量,杀灭癌细胞。质子与组织物质的原子核相互作用类型包括弹性、非弹性散射和俘获反应等。在许多散射过程中,组织的原子核保持完整并处于激发态。在质子—原子核相互作用的几纳秒内,这些激发原子核通过衰变通常会产生能量从0 MeV到11 MeV的伽马射线,称为瞬发伽马射线。FLUKA可以模拟各类核反应物理过程,因此能够准确计算伽马射线的能谱和时空分布。

事实上,质子束进入并在移动过程中损失能量。靠近入射面的原子核比靠近布拉格峰末端的原子核的质子能量更高,而反应截面是能量的函数。所以不同的反应在不同深度反应截面都不一样,在伽马能谱上有所体现。

1.1 纵向FLUKA模型

为获得伽马射线的纵向分布,我们在FLUKA几何中设置一个长20 cm,半径2 cm的圆柱形水模,水模命名为target,然后紧贴target设置5个PHATOM区域,用来记录光子,见图1;入射质子的能量设置为150 MeV,最后用USRBDX卡片来获取从TARGET到PHATOM1-5的伽马光子能谱,沿深度方向总共设置5个USRBDX卡片:Type选择一维线性,Emin=0,Emax=0.01 GeV,Ebins=1,000。

图1.质子打靶模型纵向

1.2 伽马射线纵向分布

计算1E7个Primary,得到图2所示的伽马纵向分布的能谱。可以明显看出Layer3和Layer4得到的光子数最多,正好是布拉格峰位置附近,而Layer5明显低于其他层,说明在布拉格峰区后,射程趋于终点,核反应的数量急剧减少。

图2. 伽马能谱纵向分布

02中子横向分布

质子打靶可以产生伽马射线,体内的二次中子再次发生核反应也能够产生伽马射线,比如中子和氢原子核的俘获反应,发射出2.23 MeV的特征伽马射线。那么这些中子在哪里产生?什么时间产生?需要多长时间飞出体外?都是一系列有趣的问题,需要用FLUKA来计算射线的飞行时间(Time of Flight),再加上巧妙的几何分层,就能得到时空分布。

2.1 中子横向分布FLUKA模型

首先,在几何模型中建立一个圆柱形水模,将其分成7层,最内层半径2 cm,最外层半径14 cm,入射的质子能量设定为150 MeV,见图3。在层与层之间设置USRYIELD卡片来记录中子产额,最外层设置在第7层和空气之间。

图3. 圆柱形水膜

2.2 中子横向分布

从图4可以看出,大部分中子是在R=2 cm的中心层产生的。当R=2 cm时,中子产额逐渐增加,在大约5 ns处达到峰值。随着中子向外层移动,峰值时间增加,中子产额降低。这符合我们的预期,中子沿横向扩散,而且扩散时间是纳秒级的。

图4. 中子飞行时间法(TOF)

对于R=2 cm层,我们设置了两个慢中子能量组:0~1 eV和0~1 keV,以及一个快中子能量组:1 keV~150 MeV。从图5中我们可以看到,质子到达靶区后立即产生高能中子,慢中子(0~1 keV组)产额迅速增加,在约50 ns处达到峰值。在200 ns前,0~1 eV中子的数量远远小于0~1 keV中子的数量。

图5. 中心层的中子TOF

基于以上设置,计算伽马射线的TOF如图6。相应地,我们在R=2 cm到R=14 cm的每一层中对γ光子(0~10 MeV组)的TOF进行计算。如图从0.1 ns到1.4 ns,大部分光子产生于R=2 cm的中心层。外层开始产生光子的时间稍晚,在0.6 ns内,因为中子和其他次级粒子在水中横向移动需要很短的时间。

图6. 伽马射线的TOF

03讨论总结

本文介绍了如何用FLUKA来计算质子打靶产生中子和伽马射线的时空分布,帮助我们从空间和时间两个维度深度了解质子治疗伴生产物的分布,其方法将有助于质子、重离子、硼中子治疗相关研究。文中设置的参数可以按照研究需要进行调整,有兴趣的读者可以按照以上方法,补充计算中子的纵向分布。



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