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BNCT中子束在空气中参数

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束流整形体(Beam Shaping Assembly,BSA)的作用是慢化快中子到超热中子,屏蔽吸收γ污染、快中子污染、热中子污染,使超热中子通量达到IAEA的最低参数,同时减少对患者不必要剂量。BSA一般由慢化体、过虑体、反射体组成,也包括用于会聚中子束、定位肿瘤区的准直器。BSA对BNCT有着非常重要的作用,但其材料和尺寸没有统一的要求,需通过模拟进行BSA最优化设计,使中子束品质和通量达到IAEA的推荐值。因此,本文进调研了BNCT的BSA设计。

 

1 中子束在空气中的参数

中子源产生的中子包含热中子、超热中子和快中子,同时还有γ射线。而BNCT治疗需要的是超热中子,为了满足治疗要求,混合束中须有最小的快中子、热中子和γ射线含量,同时最大地增加超热中子通量。表1是IAEA推荐的BNCT中子束在空气中的参数。

 

 表1中给出了在空气中超热中子通量需满足的最低值,因为超热中子通量大,治疗时间将减少;给出了束流中快中子、γ射线、热中子的最大值,即通过BSA(慢化、过滤吸收、反射)后的束流污染物含量不能超过的限值;Φth/Φepi代表了束流的方向性,比值越大表示中子束流向前性越好,高向前性的中子束可减少因中子发散造成的周围正常组织剂量,也可提高治疗深度,IAEA推荐值,Φth/Φepi>0.7。

 

2 主要物理剂量

经过BSA的束流包含3种能量的热中子、超热中子、快中子以及与BSA材料俘获和弹性作用的γ射线,束流照射进入组织时,有4种主要的物理剂量:

 a) 快中子剂量Dfn。也称“氢剂量”,由1H(n,n’)1H反应产生的反冲质子给的剂量。反冲质子在局部沉积能量,在皮肤和浅组织达到最大值,然后指数下降。Dfn的减少则皮肤的损伤也将会减小。

 b) 热中子剂量DN,是14N(n,p)14C的热中子俘获反应产生的剂量,该反应产生的粒子,即600keV质子和14C粒子是组织的热中子剂量。

 c) 硼剂量DB,来自10B(n,α)7Li反应产生的剂量。

 d) γ剂量Dγ,主要是来自BSA的入射质子以及中子与组织的反应发射的光子产生的剂量。对后者剂量,如1H(n,γ)2H,发射2.2MeV光子。

 

为了考虑相关相对生物效应(RBE),4种物理剂量用合适的权重因子相乘得到总剂量:

 

DT=Wfn×Dfn +Wn×Dn+CBE×Db +Wr×Dr

 

式中Wfn,Dfn,CBE和Wr分别代表快中子权重因子、热中子权重因子、硼的复合生物效应和γ权重因子。一般Wfn=3.2,Wn=3.2,Wr=1对于脑肿瘤,CBE=3.8,对正常组织,CBE=1.35。

 

 正常组织的剂量限值为12.5Gy,在照射过程中应该提高Dtumor /Dmax.health tissue值。同时应该避免皮肤的剂量超过11Gy,尽量减小Dskin /Dmax.health tissue值。

 

3 中子束在体模中的参数

体模参数是研究中子束在患者体内的治疗效果,是决定治疗限制的参数,如对正常组织的最大允许剂量。在体模中的参数一般有:

a) 有效深度(Advantage Depth,AD):肿瘤的总治疗剂量等于正常组织中的最大允许剂量时的深度。在此深度之后的位置,肿瘤剂量小于正常组织最大允许剂量时,失去BNCT优势。AD表示束流的穿透能力,AD越大,表示治疗的肿瘤深度越深,单位为cm。

b) 有效比(Advantage Ratio,AR):是在给定深度(一般从表面到AD),肿瘤与正常组织受到的平均剂量之比。平均剂量可由剂量-深度曲线积分可得到,AR越大,代表中子束的治疗效益越好。一般要滶AR≥4。

c) 治疗深度(Therapeutic Depth,TD):肿瘤剂量下降到健康组织最大剂量的两倍的深度。

d) 有效深度剂量率(AD Dose Rate,ADDR):即有效治疗深度的肿瘤剂量率,也等于正常组织的最大剂量率。正常组织受到的总剂量是影响可给予的肿瘤剂量大小的因素,所以该参数影响治疗时间的长短,ADDR越大表示给予一定肿瘤剂量的照射时间越短。单位为cGy/mA-min。

e) 治疗时间(Treatment Time,TT):健康组织的允许最大剂量是12.5Gy,由此可以得出治疗时间,一般最好<1小时。


4 BSA的构成

 BSA主要由慢化体、过滤体、反射体和准直器组成(见图1),每一层根据其作用需要选择合适的材料,然后优化尺寸等,同时要满足低成本、设计简单、易制造和安装等因素。 

(1)慢化体

慢化体的作用是将高能量的快中子最大地慢化到超热中子。慢化材料应该具有小原子质量、低中子吸收截面,对快中子有高的散射截面而对超热中子有低散射截面的性质。同时,对于BNCT,慢化材料还应该具有低的辐射俘获截面(n,y)和低γ发射率,从而避免对患者的γ射线伤害。总而言之,若∑Sf/epi是快中子转化为超热中子的宏观截面(moderating power,慢化能力),∑r是发射γ射线的宏观吸收截面,则好的慢化材料需要有大的比值∑Sf/epi/∑r(moderating ratio,慢化比)。慢化效果比较依赖材料几何尺寸,厚度增加,Φepifast会增加,但是最重要的参数Φepi会减少,因此,需对厚度做一个优化。

 

质量数大的材料,中子在碰撞时,损失的能量太小而达不到慢化的效果。虽然质量数小的材料是第一选择,但是由于辐射俘获(n,y)会发射高γ射线,而且质量数小的材料中子碰撞时能量损失快和大,热中子将会增多。因此,对于BNCT,将不考虑这些大和小质量数材料。BNCT的慢化材料一般选择中等质量数的材料,有Fluental(69%的AiF3+30%的Al+1%的LiF,其中LiF是吸收热中子和减少材料的多孔性),Fe,Al,AlF3,Al+AlF3(30%的Al+70%的AlF3),MgF2、D2O、石墨等慢化材料。通过优化慢化层厚度可获得高的,即,使更多的快中子慢化到超热中子。

 

 Al和AlF3相比Fluental,有密度低的缺点,衰减相同的中子需要较厚的Al和AlF3,然而,在另一方面,Al和AlF3相对Fluental价格便宜的优点。MgF2对于产生超热中子也是较好的慢化材料,具有相对小的质量数、对快中子有较高的散射截面,且产生较少的γ射线。

(2)过滤体

过滤体的主要作用是过滤热中子污染、γ射线污染,Φepithermal增加 Φepifastγ剂量减少,但一般快中子不应该被俘获而是被慢化到热中子,否则照射束流强度太低。过滤层材料具有低的超热中子吸收截面,具有高的热中子吸收截面和高的γ射线吸收截面,具有低辐射俘获截面,对快中子也应有高的散射截面。

  

3He、10B、6Li、14N和Cl是过滤热中子较好的材料。不过3He是稀有材料,也是一种具有潜力的能量燃料,因此不用于热中子过滤材料。过滤热中子较多的材料是6LiF。

 

Bi可以过滤γ射线,比Pb效果更好,俘获截面是Pb的约一半,而且Bi放射的γ射线是319.7keV,比Pb放射的7367keV要“软”。

(3)反射体

反射体的作用是反射中子,避免中子的泄漏,增加超热中子通量,减少快中子通量;同时将中子引向束流出口窗口。反射层材料应该具有高的散射截面,对超热中子有低的吸收截面。增加反射层厚度可以提高反射中子,但是仪器的风险和治疗室的屏蔽成本将增加。一般反射层材料有Pb和Ni,增加超热中子通量 。

(4)准直器

直器的作用是使中子束会聚在治疗肿瘤区域,即聚焦和患者定位,对肿瘤能得到更好的治疗。其材料应该具有对超热中子有低的吸收截面。准直器材料一般有钨。


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