陳亞正 徐 珂 許敬輝 李廚榮 廖雄飛 黎 杰 王 培*

光中子在現(xiàn)代放射治療領(lǐng)域的研究進(jìn)展*

陳亞正①徐 珂①許敬輝①李廚榮①廖雄飛①黎 杰①王 培①*

隨著各種醫(yī)用加速器新技術(shù)的提高和腫瘤患者數(shù)量的急劇增加，放射治療已經(jīng)成為治療腫瘤的主要手段之一。醫(yī)用加速器技術(shù)的不斷進(jìn)步，始終圍繞著照射腫瘤的同時(shí)最大限度地保護(hù)正常器官而發(fā)展，但仍無法解決由于高能射線在治療患者時(shí)所帶來的輻射污染。高能粒子產(chǎn)生的次級(jí)粒子如光子、光中子及質(zhì)子等對(duì)人體組織產(chǎn)生的生物效應(yīng)同樣不可忽略，并逐漸受到重視和廣泛的研究。由于加速器機(jī)頭內(nèi)部構(gòu)造的金屬元素為鉛，靶區(qū)主要為鎢，光子能量達(dá)到＞7 MeV時(shí)，會(huì)超過光核反應(yīng)閾值從而產(chǎn)生中子，這一反應(yīng)稱為光核反應(yīng)。國(guó)外放療機(jī)構(gòu)對(duì)光中子產(chǎn)生的劑量開展了廣泛研究?；趨⑴c復(fù)雜相互作用的粒子特點(diǎn)，通過蒙特卡羅模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)蓚€(gè)途徑來研究醫(yī)用加速器產(chǎn)生的光中子通量和能譜等物理量。由于醫(yī)用加速器設(shè)計(jì)不同(主要是機(jī)頭內(nèi)部)，性能也有很大差別，因此光中子的通量、能譜和劑量也有不同的分布規(guī)律。在文獻(xiàn)評(píng)閱的基礎(chǔ)上，從蒙特卡羅模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方面闡述目前對(duì)醫(yī)用加速器產(chǎn)生光中子的研究現(xiàn)狀以及放射治療過程中的輻射防護(hù)和引發(fā)第二原發(fā)癌的物理因素。

光中子；光核反應(yīng)；劑量；通量；醫(yī)用直線加速器

[First-author’s address]Radiotherapy Center, Sichuan Cancer Hospital, Chengdu 610041, China.

放射治療是目前腫瘤治療中最重要的手段，而醫(yī)用直線加速器則是放射治療的主要工具。隨著計(jì)算機(jī)和機(jī)電一體化技術(shù)的進(jìn)步，醫(yī)用直線加速器近年有了極大的發(fā)展，隨之帶來的放射治療技術(shù)的革命更是日新月異。以調(diào)強(qiáng)放射治療(intensity modulated radiation therapy，IMRT)，容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放射治療(volumetric modulated arc therapy，VMAT)，螺旋斷層調(diào)強(qiáng)放射治療(helical tomotherapy，TOMO)為代表的現(xiàn)代放射治療技術(shù)巳經(jīng)在國(guó)內(nèi)外廣泛開展，每年數(shù)以百萬計(jì)的癌癥患者在接受這些設(shè)備和技術(shù)的治療。由于醫(yī)用直線加速器是一種用高能光子和電子來殺滅癌瘤細(xì)胞的設(shè)備。在高能光子和電子產(chǎn)生及輸運(yùn)過程中要接觸不同靶材料、空氣、準(zhǔn)直器等。當(dāng)光子能量超過7MeV時(shí)會(huì)通過光核反應(yīng)(γ，n)或者電核反應(yīng)(e，e’n)產(chǎn)生中子，導(dǎo)致治療過程中存在一定程度的中子污染危害。電子與核子相互碰撞(電核反應(yīng))的散射截面比光子與核子碰撞(光核反應(yīng))的截面小2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此電核反應(yīng)產(chǎn)生的中子可以不予考慮[1-2]。由于癌癥患者數(shù)量的急劇增加以及腫瘤新病種的出現(xiàn)，醫(yī)院對(duì)于醫(yī)用加速器的需求不斷提高，治療機(jī)房?jī)?nèi)產(chǎn)生的中子劑量貢獻(xiàn)也會(huì)越來越大，無論是從輻射防護(hù)的角度還是從次生粒子引起的新癌變風(fēng)險(xiǎn)來考慮，都有必要研究其物理特性和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。通過對(duì)醫(yī)用加速器產(chǎn)生的光中子研究現(xiàn)狀進(jìn)行回顧分析，為中子防護(hù)輻射措施的規(guī)范化和第二原發(fā)癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供可參考性資料。

1 醫(yī)用直線加速器產(chǎn)生的光中子

中子是中性粒子，不帶電荷，國(guó)際輻射測(cè)量與測(cè)量委員會(huì)(International Commission on Radiological Protection，ICRP)最新報(bào)告指出中子的品質(zhì)因子約為20，即生物效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光子的生物效應(yīng)[3]。當(dāng)中子達(dá)到一定能量時(shí)會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生生物效應(yīng)，對(duì)患者及放射治療工作人員產(chǎn)生潛在的輻射危險(xiǎn)和健康隱患[4-5]。有研究表明，對(duì)于8～10 MV的電子束，出射線18 000 MU的跳數(shù)后在等中心處產(chǎn)生的光中子通量已經(jīng)超過了108cm2。隨著環(huán)境污染的加劇，飲食的不安全性，以及生活習(xí)慣的不規(guī)律，導(dǎo)致腫瘤患者的數(shù)量近年來不斷增加，國(guó)家衛(wèi)生計(jì)生委的統(tǒng)計(jì)資料表明，目前我國(guó)每年新生腫瘤患者總數(shù)約為250萬人，其中有＞50%為惡性腫瘤新生患者，因癌癥死亡人數(shù)為140萬。我國(guó)每年新增腫瘤患者呈逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)，年均增長(zhǎng)率在10%左右。各省市及縣級(jí)單位醫(yī)院都相繼購(gòu)進(jìn)醫(yī)療加速器用于放射治療，但是往往忽略了中子污染所帶來的影響。

1.1 光中子污染

研究電子直線加速器所產(chǎn)生的光中子污染已成為當(dāng)務(wù)之急。國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局最新提示“關(guān)注醫(yī)用電子直線加速器風(fēng)險(xiǎn)”，據(jù)2013年統(tǒng)計(jì)，自2010年1月1日至2013年6月20日，國(guó)家藥品不良反應(yīng)監(jiān)測(cè)中心共收到涉及醫(yī)用電子直線加速器的可疑不良事件報(bào)告223份[6]；其中嚴(yán)重傷害報(bào)告99份，主要為放射治療引發(fā)的并發(fā)癥，表現(xiàn)為白細(xì)胞減少、血小板減少、脫發(fā)、放射性皮炎(皮膚潰瘍、紅腫及色素沉著等)、非照射部位炎癥(口腔黏膜炎、食管黏膜炎等)、惡心、嘔吐、厭食、腹脹和腹瀉等；其中白細(xì)胞減少53例，占53.5%；皮膚潰瘍20例，占20.2%；皮膚紅腫8例，占8.1%；惡心和嘔吐11例，占11.1%；包括了光中子污染帶來的危害。

1.2 光中子污染與第二腫瘤

光中子污染帶來的健康隱患之一是有可能引發(fā)第二腫瘤。惡性腫瘤采用放射治療后，腫瘤細(xì)胞DNA被X射線殺死，與此同時(shí)，人體正常的細(xì)胞也暴露于X光以及產(chǎn)生的光中子損傷下。這些射線足以導(dǎo)致細(xì)胞誘變和畸變，如果在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不能得到恢復(fù)，第二惡性腫瘤就很有可能發(fā)生。腫瘤放射治療后誘發(fā)二次腫瘤的標(biāo)準(zhǔn)包括3個(gè)方面：①患者有過放射治療的經(jīng)歷；②誘發(fā)腫瘤需要有較長(zhǎng)的潛伏期，一般在放射治療后4～5年；③需要病理組織學(xué)組織證實(shí)第二腫瘤與原發(fā)惡性腫瘤有差異，排除原發(fā)灶轉(zhuǎn)移或者復(fù)發(fā)的可能性。此外，放射治療技術(shù)的更新?lián)Q代也是誘發(fā)第二腫瘤的因素之一。如從三維適形放射治療(threedimensional conformal radiotherapy，3D-CRT)到IMRT的轉(zhuǎn)變，由于3D-CRT是從三個(gè)方向進(jìn)行固定野出射線，未被照到的正常組織能得到很好的保護(hù)；而IMRT技術(shù)在出射線時(shí)會(huì)有多野光闌(multi leaf colimator，MLC)的跟隨變動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)更多角度的射野，同時(shí)機(jī)器要消耗更多的能量來增加跳數(shù)以滿足調(diào)強(qiáng)對(duì)腫瘤處方劑量的需要，更多的正常組織甚至距離腫瘤較遠(yuǎn)的器官也會(huì)受到照射。不同物理師對(duì)同一計(jì)劃的射野角度有不同的考慮，因此腫瘤以外的人體組織受到低劑量沉積的范圍更大。由于這些原因?qū)е律嫦聛淼姆派渲委熀蠡颊哒T發(fā)第二次腫瘤的概率比3D-CRT的情況高出0.5%[7]。

相比非調(diào)強(qiáng)野，調(diào)強(qiáng)野為等中心點(diǎn)傳輸一個(gè)特定的劑量時(shí)，不管是動(dòng)態(tài)IMRT還是靜態(tài)調(diào)強(qiáng)方法，均會(huì)要求機(jī)器激發(fā)更多的跳數(shù)，因此落在患者身上的劑量必然增加。這種劑量累計(jì)有多種因素：即多葉光柵的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)形式、治療計(jì)劃調(diào)強(qiáng)的方式以及調(diào)強(qiáng)過程中每個(gè)射野的MLC形成一系列的形狀。IMRT計(jì)劃會(huì)使跳數(shù)因子增加2～3，這種劑量泄露及散射輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)增加了腫瘤邊界以外的劑量。國(guó)外有研究[8]用電離室對(duì)模體進(jìn)行了一項(xiàng)測(cè)量，使用6 MV加速器對(duì)宮頸進(jìn)行4野照射70 Gy，乳腺受量為0.25 Gy。如果用20 MV的電子直線加速器進(jìn)行照射，相同的測(cè)量點(diǎn)受量是0.5 Gy的X射線和1 cGy的光中子。一般臨床治療患者不適用20 MV的能量檔。乳腺0.25 Gy的劑量換算為第二腫瘤危險(xiǎn)概率是0.25%。IMRT技術(shù)所導(dǎo)致的第二腫瘤誘發(fā)率比3D-CRT高出0.5%[9]。光中子作為醫(yī)用加速器輻射源之一，對(duì)第二腫瘤的誘發(fā)有著極為關(guān)鍵的影響，因此有必要獲取大量詳細(xì)可靠的臨床實(shí)際數(shù)據(jù)來進(jìn)行研究。

2 蒙特卡羅模擬光中子的產(chǎn)生

加速器機(jī)頭產(chǎn)生光中子的來源包括靶、一級(jí)準(zhǔn)直器、二級(jí)準(zhǔn)直器、楔形板以及多葉光柵。鎢元素和鉛元素與光子發(fā)生光核反應(yīng)的散射截面最大，產(chǎn)生光中子的貢獻(xiàn)最大。鐵、銅和鋁雖然也是機(jī)頭的構(gòu)成元素，但是產(chǎn)生光中子的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前者。鎢和鉛的光核反應(yīng)閾值分別是6.74 MeV和6.19 MeV，而銅和鐵的反應(yīng)閾值是9.91 MeV和7.65 MeV。從光子能量的角度而言，光中子相互作用概率隨著光子能量增加而急劇上升，并且在13～18 MeV的范圍內(nèi)會(huì)達(dá)到最大值[9]。同時(shí)，鎢和鉛對(duì)中子的散射截面很小，中子不被機(jī)頭吸收，有很大概率穿過機(jī)頭內(nèi)部的各種結(jié)構(gòu)，到達(dá)患者身上和墻壁。

近年有眾多研究使用不同劑量?jī)x器測(cè)量的中子劑量，然而實(shí)驗(yàn)方法無法追蹤中子產(chǎn)生的來源，解決這個(gè)問題的辦法就是借助蒙特卡羅程序。蒙特卡羅程序通過建立加速器機(jī)頭模型和模擬電子轟擊靶的相互作用過程，來追蹤電子、光子和中子從產(chǎn)生到消失的輸運(yùn)過程，以及各種離子在不同位置所沉積的能量。有眾多研究報(bào)道，用蒙特卡羅模擬光中子的產(chǎn)生來分析加速器產(chǎn)生的光中子對(duì)人體以及機(jī)房室內(nèi)的劑量貢獻(xiàn)。Ghiasi等[10]用蒙卡程序模擬了考慮機(jī)頭所有部件及簡(jiǎn)單部件兩者情況下產(chǎn)生的光中子產(chǎn)額，結(jié)果表明機(jī)頭內(nèi)部構(gòu)造如準(zhǔn)直器、多葉光柵對(duì)光子散射和中子的形成有重要影響。Chibani等[11]用蒙特卡羅中子光子(Monte Carlo neutron photon，MCNP)程序模擬了仿真人體在Varian 和Simens加速器15 MV、18 MV的光核反應(yīng)劑量，產(chǎn)生的粒子包括中子、質(zhì)子和α粒子。同時(shí)，研究了射野大小的影響，離軸曲線上的劑量分布，機(jī)頭各組成部分產(chǎn)生中子的貢獻(xiàn)，以及仿真人體的不均勻性效應(yīng)。結(jié)果表明，對(duì)于18 MV的Siemens加速器(10 cm×10 cm)所有粒子的劑量當(dāng)量率(粒子最大劑量與光子最大劑量的比值)0.66 cSv/ Gy，中子當(dāng)量率隨著射野減小而減小，但是質(zhì)子和α粒子的當(dāng)量率不受射野大小的影響。Varian加速器(15 MV、18 MV)產(chǎn)生的各種粒子(中子、質(zhì)子和α粒子)多于Siemens產(chǎn)生的粒子，其主要原因是Varian的原初電子能量大于Siemens的電子能量。對(duì)于所有的射線束，產(chǎn)生的中子劑量占所有劑量的75%。對(duì)于15 MV和18 MV的Varian機(jī)器(10 cm×10 cm)，中子當(dāng)量率分別為1.52 cSv/Gy和2.86 cSv/Gy。Ghiasi等[10]使用蒙特卡羅程序MCNP 2.4.0對(duì)加速器機(jī)頭進(jìn)行了完整模型和簡(jiǎn)化模型的建立，計(jì)算了在10 cm×10 cm下中子通量的計(jì)算，認(rèn)為兩個(gè)模型計(jì)算出來的中子通量有4%～53%的差別。在完整模型里面，中子通量隨著射野面積增加而增加，然而在簡(jiǎn)化模型里面，通量趨勢(shì)與前者完全相反。Zanini等[12]模擬了18 MV的加速器不同機(jī)頭產(chǎn)生的光中子在患者身上沉積的劑量，機(jī)頭構(gòu)造不一樣，中子通量也有所差別；距離等中心點(diǎn)越遠(yuǎn)，中子劑量越小。Pena等[13]計(jì)算了Primus加速器15 MV的光子在10 cm×10 cm射野下機(jī)頭各組成部分產(chǎn)生的光中子，其中一級(jí)準(zhǔn)直器產(chǎn)生的中子占52%，二級(jí)準(zhǔn)直器產(chǎn)生的中子占21%，鎢靶占12%，多葉光柵占6.6%，機(jī)頭外殼占5%，均整器占0.41%。Mao等[14]對(duì)Varian 2100C/2300C加速器進(jìn)行了不同光子能量的模擬，得出的結(jié)果與前面類似，但是有稍許偏差。一級(jí)準(zhǔn)直器產(chǎn)生的中子最多，其次是鉛門、靶、均整器以及其他部件(見表1)。

表1 蒙特卡羅模擬Varian加速器機(jī)頭各組成部分產(chǎn)生的光中子

Becker等[15]做了類似的工作，在其蒙特卡羅模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，準(zhǔn)直器、MLC和鉛門、靶(由鎢元素構(gòu)成)和均整器各產(chǎn)生的中子貢獻(xiàn)分別為54.85%、26.72%、10.08%和1.74%，與Pena等[13]的結(jié)果比較接近。Martínez-Ovalle等[16]使用MCNPX(V.2.5)計(jì)算了4臺(tái)不同的加速器(Varian Clinac2100C、Elekta Inor、Elekta SL25和Simens Mevatron KDS)在電子能量為15 MV、18 MV和20 MV時(shí)產(chǎn)生的中子劑量當(dāng)量和能譜，位置在射線軸延長(zhǎng)線的模體表面和模體表面以下1 cm處以及射野外不同的深度。在相同額定能量下，Varian機(jī)器產(chǎn)生的中子劑量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他機(jī)器產(chǎn)生的中子劑量。Barquero等[17]使用蒙特卡羅程序模擬18 MV的醫(yī)用直線加速器產(chǎn)生光中子在仿真人體重要器官所沉積的能量，該研究從4個(gè)不同角度的射野(0o、90o、180o和270o)給出射線，計(jì)算射線方向距離皮膚最近的重要器官的中子劑量，射野大小為18 cm×18 cm。模擬結(jié)果顯示在0o方向，小腸所受光中子劑量為190 μSv/Gy，90o方向結(jié)腸所受光中子劑量為51 μSv；180o方向直腸所受光中子劑量為719 μSv/Gy；270o方向皮膚沉積的中子劑量為45 μSv。同時(shí)射野內(nèi)的中子劑量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于射野以外區(qū)域的中子劑量。

大部分研究者使用的蒙特卡羅模擬程序?yàn)镸CNP(版本有所不同)，建立的機(jī)頭模型有所差別，使用的散射截面數(shù)據(jù)庫(kù)和程序參數(shù)也有所不同，因此計(jì)算結(jié)果不可能完全相同，但是相差并不大。

3 加速器產(chǎn)生光中子的實(shí)驗(yàn)測(cè)量

測(cè)量光中子常用的儀器主要有Bonner球譜儀(由多個(gè)慢化球和中心探測(cè)器組成)、電離室、LiF熱釋光片(TLD-600、TLD-700)、CR-39徑跡探測(cè)器以及由生產(chǎn)商制造的中子探測(cè)儀。按測(cè)量工具分別闡述國(guó)內(nèi)外對(duì)醫(yī)用電子直線加速器產(chǎn)生光中子的研究。

曹磊等[18]利用中子氣泡探測(cè)器測(cè)量了15 MV電子直線加速器不同射野的中子輻射場(chǎng)，并且用MCNP程序進(jìn)行了簡(jiǎn)單的模擬。范悅鋒等[19]使用銀活化系統(tǒng)測(cè)了12 MV的X光機(jī)中子注量；2003年和2006年黃薇玲等[20-21]采用被動(dòng)光中子劑量測(cè)量方法，分別使用Unidose劑量?jī)x、電離室、固體行跡CR-39片測(cè)了不同能量下的中子劑量當(dāng)量，同時(shí)使用MCNP模擬了中子能譜及其通量。隨著醫(yī)療加速器技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是IMRT、VMAT、TOMO技術(shù)的出現(xiàn)，機(jī)器的束流劑量率已高達(dá)2400 cGY/分，子野數(shù)達(dá)數(shù)千個(gè)。加速器機(jī)頭的多葉光柵設(shè)計(jì)越來越多元化，過去的加速器機(jī)頭只有一級(jí)、二級(jí)準(zhǔn)直器，而現(xiàn)在的加速器加入了跟隨系統(tǒng)多葉光柵，在治療技術(shù)和效果得到明顯改善的同時(shí)，治療室內(nèi)的光中子污染特點(diǎn)也有了新的變化，有必要進(jìn)行重新測(cè)量和分析。Exposito等[22]使用中子數(shù)字設(shè)備(neutron digital device)測(cè)量了瓦里安2100和西門子Primus加速器的不同電子能量檔(6 MV、9 MV、12 MV和15 MV)及光子能量檔(6 MV、15 MV)的中子劑量。Krmar等[23]使用Meridian model 5085型中子探測(cè)儀測(cè)量了準(zhǔn)直器和MLC在開閉及不同射野下15 MV加速器產(chǎn)生的中子在迷路出口處的劑量以及距離等中心處100 cm的中子通量，結(jié)果顯示準(zhǔn)直器完全關(guān)閉時(shí)迷路出口處測(cè)得的光中子劑量最大，準(zhǔn)直器和多葉光柵完全開起時(shí)，光中子劑量最低，表明光子與準(zhǔn)直器及MLC碰撞產(chǎn)生的中子數(shù)量十分明顯。

電離室也可以測(cè)量中子劑量，但是存在一定的局限性。不同元素的原子與中子相互作用散射截面大小有較大差異，導(dǎo)致電離室器件對(duì)中子的敏感度也不同。根據(jù)粒子相互作用的這一特點(diǎn)，電離室空腔內(nèi)壁涂上不同的材料，可以測(cè)量不同能量段的光子或者中子。等效組織電離室(tissue equivalent chamber，TE)、鎂電離室(magnesium chamber，Mg)、硼涂層電離室(boron coated magnesium chamber，MgB)這3套電離室可以相互組合。TE電離室對(duì)所有的劑量都敏感，包括光子和所有能量段的中子，因此測(cè)得的劑量是混合場(chǎng)，無法區(qū)別光子及各能量段的中子劑量。Mg電離室主要對(duì)光子敏感，對(duì)快中子的敏感度稍差，對(duì)熱中子的敏感度最小，但是為了能精確的測(cè)量劑量，仍然不能忽略熱中子的貢獻(xiàn)。MgB電離室對(duì)熱中子非常敏感，這是由于熱中子與MgB電離室的10B元素散射截面很大；而對(duì)光子和快中子的敏感度與Mg電離室效果一樣。根據(jù)文獻(xiàn)[24]提供的三維方程組分別計(jì)算出光子、快中子、熱中子的劑量。Koivunoro等[25]使用雙電離室(鎂電離室，硼涂層電離室)測(cè)量了水中射線軸上不同深度的熱中子劑量。但是由于電離室的特點(diǎn)，只能測(cè)得熱中子劑量，其他能量段的中子劑量需要3套電離室組合以及方程解析來求得。Burmeister等[26]利用了相似的電離室系統(tǒng)測(cè)量了快中子放射治療過程中產(chǎn)生的熱中子通量；Howell等[27]比較了對(duì)中子有不同敏感度的熱釋光器件(thermoluminescence devices，TLDs)和電離室系統(tǒng)測(cè)量的中子劑量差異。需要說明的是電離室無法測(cè)量中子能譜、平均能量和通量。

Bonner球中子譜儀(Bonner sphere spectrometer)也稱為中子多球譜儀，由多個(gè)直徑不同的聚乙烯慢化球殼組成[28]。球殼中心放置體積較小的熱中子探測(cè)器，由3He正比管或6Li探測(cè)器，有時(shí)也用BF3管和對(duì)熱中子敏感的活化片或轉(zhuǎn)換體(如10B、6Li和235U)等徑跡探測(cè)器組成，其中3He對(duì)熱中子的敏感度比其他探測(cè)器高出一個(gè)量級(jí)以上。球殼的外徑通常為5～40 cm，取決于中子的最大能量。直徑越大，所能測(cè)量的中子能量越高，最內(nèi)層球殼的內(nèi)經(jīng)通常為2 cm左右，中子探測(cè)器必須足夠小能置入其中。作為測(cè)量中子通量的儀器由于涵蓋的能量范圍很廣(從熱中子到GeV的中子)，各向同性響應(yīng)，操作簡(jiǎn)單，受到大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室的使用。根據(jù)中心探測(cè)器的原理，分為主動(dòng)式球譜儀(中心探測(cè)器為3He正比計(jì)數(shù)器)和被動(dòng)式球譜儀(中心探測(cè)器為金箔)。意大利的Frascati國(guó)家實(shí)驗(yàn)室[28]在中子發(fā)生器產(chǎn)生的中子場(chǎng)環(huán)境下比較了主動(dòng)式多球譜儀和被動(dòng)式多球譜儀測(cè)量中子通量和能譜的差異，在允許的誤差范圍內(nèi)，兩種探測(cè)器的結(jié)果基本是一致的。但是在醫(yī)用電子直線加速器產(chǎn)生的光中子環(huán)境中，主動(dòng)式球譜儀往往不能得到滿意的測(cè)量結(jié)果，這是因?yàn)橹鲃?dòng)式多球譜儀中心的探測(cè)器有3He正比計(jì)數(shù)器構(gòu)成，高能射線的直接照射和室內(nèi)的光子散射形成脈沖式的光子中子混合場(chǎng)，與He元素通過光核反應(yīng)產(chǎn)生質(zhì)子，影響探測(cè)器的數(shù)據(jù)讀取工作。另外，過高的輻射頻率(一般在103～104MHz)會(huì)擾動(dòng)相關(guān)電子器件的正常運(yùn)作。因此在這種環(huán)境下一般采用被動(dòng)式球譜儀來測(cè)量中子通量和能譜。Bedogni等[29]使用Bonner球譜儀測(cè)量動(dòng)態(tài)的18 MV加速器動(dòng)態(tài)MLC產(chǎn)生的中子劑量，以輸出處方為45 Gy的條件下，比較了IMRT技術(shù)與傳統(tǒng)放射治療產(chǎn)生的中子劑量差異。儀器放在SSD=80 cm的治療床平面刪，距離等中心處21 cm的位置處，結(jié)果表明IMRT技術(shù)在這一位置產(chǎn)生中子劑量為300 mSv，而傳統(tǒng)放射治療產(chǎn)生的貢獻(xiàn)為105mSv。這是因?yàn)镮MRT技術(shù)要滿足相同的處方必須輸出更多的射線，隨著射野面積減小，產(chǎn)生的中子劑量是增加的；這是因?yàn)樯湟霸叫?，機(jī)頭內(nèi)部互相碰撞的粒子越多，導(dǎo)致產(chǎn)生更多的中子。Amgarou等[30]使用Bonner球譜儀測(cè)量了治療室內(nèi)電中子(由電子碰撞直接產(chǎn)生的中子)及光中子的通量譜。Howell等[31]使用Bonner球譜儀測(cè)量了瓦里安21EX(15 MV、18 MV和20 MV)，西門子ONCOR(15 MV、18MV)以及醫(yī)科達(dá)Presice(15MV、18 MV)所產(chǎn)生的光中子的平均能量、中子通量及機(jī)房?jī)?nèi)周邊的劑量，以及中子源(機(jī)頭)的強(qiáng)度。數(shù)據(jù)表明對(duì)于不同的機(jī)器和能量檔，中子通量譜及能量譜的曲線形狀趨勢(shì)是一樣的。對(duì)于同一能量檔的不同機(jī)器，測(cè)得瓦里安加速器的數(shù)據(jù)最高，文獻(xiàn)認(rèn)為與機(jī)頭結(jié)構(gòu)如多葉光柵有關(guān)。

Takam等[32]對(duì)患者和模體同時(shí)測(cè)量了光子劑量和中子劑量?；颊呱砩系墓庾觿┝坑肔iF熱釋光和AL2 O3探測(cè)器，中子劑量用CR-39徑跡探測(cè)器，對(duì)于模體所受的中子劑量是使用25.4 cm的Bonner球譜儀來測(cè)量，球譜儀中心的探測(cè)元件是熱釋光TLD-600和TLD-700。這兩種對(duì)于熱中子的敏感度不同，TLD-600與熱中子相互作用的散射截面遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于TLD-700(1380/1)，后者用來測(cè)量光子劑量。根據(jù)嵌套的球?qū)訑?shù)量不同以及中心探測(cè)器件不同，所測(cè)中子能量范圍也有所差別，使用的Bonner球譜儀探測(cè)的中子能量范圍在100 KeV和7 MeV。根據(jù)實(shí)際情況可以對(duì)多譜球?qū)舆M(jìn)行添加或減少以滿足所測(cè)中子能量需要。

4 展望

醫(yī)療技術(shù)在飛速發(fā)展的同時(shí)也要盡量避免其帶來的負(fù)影響，光中子作為醫(yī)用加速器產(chǎn)生的高能射線中不需要的粒子逐步得到重視和研究。但是與此相關(guān)的輻射防護(hù)措施并沒有得到及時(shí)地處理。蒙特卡羅模擬和測(cè)量中子劑量各有優(yōu)勢(shì)，只要建立了機(jī)頭構(gòu)造的模型，蒙特卡羅程序就能夠模擬所有粒子在不同位置的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，但是對(duì)于加速器機(jī)頭多葉光柵運(yùn)動(dòng)過程中的粒子通量和能量變化目前無法計(jì)算，只能通過實(shí)驗(yàn)儀器來監(jiān)測(cè)。儀器無法追蹤粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，只能測(cè)量固定位置的粒子物理參數(shù)。無論是用于基礎(chǔ)研究的高能物理(能量在GeV甚至TeV以上)還是醫(yī)用直線加速器產(chǎn)生的殺死癌細(xì)胞的X射線，蒙特卡羅模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)量是技術(shù)上互補(bǔ)，數(shù)據(jù)結(jié)果上互相驗(yàn)證的兩個(gè)重要工具。光中子作為X射線治療腫瘤過程中出現(xiàn)的“副產(chǎn)品”對(duì)于患者和工作人員既有劑量貢獻(xiàn)又有輻射危害，也是引起第二原發(fā)癌產(chǎn)生的重要物理因素。對(duì)于超過光核反應(yīng)閾值的光子能量所產(chǎn)生的中子能貢獻(xiàn)多少劑量，以及對(duì)人體產(chǎn)生多少生物損害，是當(dāng)前腫瘤放射治療領(lǐng)域不能忽視的一個(gè)研究?jī)?nèi)容。

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The research progress of photo-neutron in the modern radiotherapy field/

CHEN Ya-zheng,XU Ke, XU Jing-hui, et al// China Medical Equipment,2016,13(12):154-159.

With the rapid development of new medical accelerators and the rapid increase in the number of patients with cancer, radiotherapy has become one of the main means to cure cancer. The unceasing progressive of medical accelerator technology always considers two aspects which includes the irradiation of the tumor, at the same time, and the maximum protection for normal organs, but these progressives never solve the radiation contamination problem from high-energy radiation when treat patient. Besides, the biological effects on human tissue of secondary particles produced by high energy particles, such as photons, photoneutrons, protons and so on, also shouldn’t be neglected. These problems has been paid more and more attention and widely research. Because the internal structure of the head of accelerator is Pb elemental and the mainly target area is W (Tungsten) element, it will exceed the photon reaction threshold to produce neutrons when the photon energy reaches more than 7 MeV. This reaction is called photonuclear reaction. Foreign radiotherapy institutes have carried out a wide range studies on the dose of photo-neutrons. Based on the characteristics of particles involved in complex interactions, Monte Carlo simulation and experimental measurements are performed to study the photon flux and energy spectrum of medical accelerators. There are different distribution regulation of flux of light neutrons, energy spectrum and dose, due to different design of medical accelerator ( mainly is the interior of machine head) lead to different properties. This paper based on documents review, and the status of photon neutrons generated by medical accelerators, the radiation protection during radiotherapy and the exploration of the physical factors of the second primary cancer are expounded from Monte Carlo simulation and experimental measurement in this paper.

Photo-neutron; Photonuclear raction; Dose; Flux; Medical linear accelerator

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.12.045

1672-8270(2016)12-0154-06

R815.2

A

2016-10-10

四川省青年科技基金(2015JQ0053)“現(xiàn)代放療技術(shù)中引發(fā)第二原發(fā)癌風(fēng)險(xiǎn)的輻射劑量因素研究”；四川省衛(wèi)生和計(jì)劃生育委員會(huì)課題(16PJ517)“醫(yī)用加速器高檔位能量(10MV)產(chǎn)生的中子輻射測(cè)試研究”

①四川省腫瘤醫(yī)院放療中心 四川 成都 610041

*通訊作者：dengwangpei@163.com

陳亞正，男，(1983- )，博士，助理研究員。四川省腫瘤醫(yī)院放療中心，研究方向：醫(yī)學(xué)物理及輻射防護(hù)。