常城，王若曦，杜乙，岳海振，吳昊，張藝寶

北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院暨北京市腫瘤防治研究所放療科/惡性腫瘤發(fā)病機制及轉(zhuǎn)化研究教育部重點實驗室，北京100142

前言

質(zhì)子重離子放射治療因其劑量學(xué)分布的巨大優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注［1］。但巨大的設(shè)備規(guī)模和成本限制了其大范圍的普及應(yīng)用，推動設(shè)備小型化一直是領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點［2-3］。激光等離子體加速器的加速梯度具有比傳統(tǒng)加速器高出數(shù)個量級的潛力［4-5］，因此成為極具吸引力的加速器小型化乃至全新緊湊型系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)方案［6-7］。根據(jù)激光和靶體結(jié)構(gòu)的不同特點，激光等離子體加速又分為數(shù)種不同機制［8］。常見的如靶背鞘層場加速、光壓加速以及光壓-鞘層混合加速方式等均已達到90 MeV左右乃至更高的質(zhì)子能量輸出［9-11］。尤其是光壓加速機制大大提高了激光的能量轉(zhuǎn)化效率，質(zhì)子輸出能量已逐步由正比于I1/2提高到正比于I甚至I2（I為加速激光光強）［12-13］。目前國際上多數(shù)強激光實驗室或激光加速研究機構(gòu)均將質(zhì)子腫瘤治療作為其首要研究目標之一［14-17］。北京大學(xué)重離子研究所也在激光等離子體加速領(lǐng)域進行積極的探索，設(shè)計并建成了CLAPA-小型激光質(zhì)子加速及束流傳輸系統(tǒng)。

雖然激光等離子體加速的高能質(zhì)子（以下簡稱激光質(zhì)子）已經(jīng)具備治療人體淺層腫瘤的能量，但由于具有不同于傳統(tǒng)加速器輸出的質(zhì)子束流特性，如大能散、大散角、低重復(fù)頻率和束流強度穩(wěn)定性低等特點［20-21］，新型激光質(zhì)子需要特定的束流傳輸線和用于最終劑量遞送的治療頭系統(tǒng)的設(shè)計，才能符合腫瘤治療的要求，成為實用的放療設(shè)備。傳輸線設(shè)計和設(shè)備開發(fā)工作已有較多積累［22-24］，而由于激光質(zhì)子上述特性，其治療頭設(shè)計和劑量投遞方案存在較多限制，仍在初步探索中［25］。

本研究基于90 MeV左右輸出能量、能散可調(diào)（±1%～±5%）的激光質(zhì)子，利用國際上通用的散射體設(shè)計和蒙特卡羅模擬計算軟件，提出一種適于激光質(zhì)子低重復(fù)頻率和流強不穩(wěn)定性特點的緊湊型治療頭設(shè)計方案。并利用其大能散和大散角的特點，進一步增強劑量遞送效率，同時對水模體中劑量分布做了探討，證明此種針對激光質(zhì)子特點的緊湊型治療頭設(shè)計方案的適用性。

1 材料與方法

1.1 治療頭系統(tǒng)的設(shè)計方案

本研究提出的緊湊型治療頭的設(shè)計如圖1所示，主要由四極磁鐵對、監(jiān)控電離室、散射體、多葉光柵（MultiLeaf Collimator,MLC）、射程補償器等組成。質(zhì)子束經(jīng)四極磁鐵對雙向聚焦后，在散射體前形成束腰，由于束流發(fā)射度恒定，束腰大小即確定了質(zhì)子束團散角分布［16］。束腰位置和束團散角則決定了虛源位置，相應(yīng)的設(shè)計和控制可由束流光學(xué)系統(tǒng)匹配完成。電離室系統(tǒng)可由分立元件組成，實時測量并監(jiān)控束團位置、大小及散角信息。束流經(jīng)散射體擴束后在相應(yīng)的靶區(qū)深度處形成均勻射野，射野橫向及縱向適形由MLC和射程補償器進行控制。

為了盡量減少束流經(jīng)過的散射體厚度，以充分利用現(xiàn)有激光質(zhì)子能量，最大化治療深度，同時保持束流品質(zhì)，減小中子散射，方案中采用縱向?qū)盈B法（Layer Stacking），即靶區(qū)縱向劑量分布或者擴展布拉格峰（Spread Out Bragg Peak,SOBP）由數(shù)層射野疊加而成，各層深度由質(zhì)子束能量確定，層厚則由束團初始能散及其傳播路徑上散射的多少決定，無需通過縱向射程調(diào)制器（range modulator）或脊形過濾器（ridge filter）進行縱向束流調(diào)制。這樣既減少束流路徑上的散射物質(zhì)，又充分適應(yīng)于激光質(zhì)子低重復(fù)頻率、大能散的特點。同時利用激光質(zhì)子大散角的特點，橫向的擴束僅由一個散射體完成，相比于目前商用質(zhì)子治療系統(tǒng)常用的雙散射法，進一步減少束流經(jīng)過的散射體厚度。

圖1 新型激光質(zhì)子緊湊治療頭系統(tǒng)示意圖Fig 1 Diagram of a new compact nozzle system for laser-driven proton therapy

1.2 散射體設(shè)計

流線型散射體（contoured scatter）是目前常見質(zhì)子治療散射系統(tǒng)的通用元件，最早由哈佛大學(xué)回旋加速器實驗室于1988年開發(fā)，改進了之前使用的環(huán)形散射體［26］。本方案采用的是哈佛大學(xué)編寫的基于其散射體最優(yōu)解模型的散射系統(tǒng)設(shè)計的計算程序NEU（Nozzleswith Everything Upstream，http://huhepl.harvard.edu/~gottschalk）得出的流線型散射體。散射體是由鉛（lead）和聚碳酸酯（lexan）所組成的雙層結(jié)構(gòu)，表1給出其表面輪廓，坐標點之間曲線由三次樣條插值得出。其中鉛層提供主要的散射作用，而聚碳酸酯層主要作用是補償質(zhì)子束通過不同厚度鉛層時造成的不同射程損失。

表1 NEU設(shè)計流線型散射體形狀Tab 1 Contoured scatter designed with NEU

1.3 蒙特卡羅模擬計算

本研究通過由麻省總醫(yī)院（Massachusetts General Hospital,MGH）編寫的蒙特卡羅模擬工具TOPAS（TOol for PArticle Simulation）［27］及其底層的由歐洲核子中心開發(fā)的Geant4（GEometry ANd Tracking）計算引擎和數(shù)據(jù)庫［28］，模擬在水模體中圓柱形射野場的均勻劑量分布，以證明本設(shè)計方案靶區(qū)劑量遞送的有效性和適用性。激光質(zhì)子能量設(shè)置為90 MeV，能散在±1%～±5%之間調(diào)節(jié)，能譜設(shè)為高斯分布，束團散角應(yīng)隨能量而調(diào)整。本設(shè)計采用線性模型，即束團散角θ(E)（為高斯分布時的一個標準差大小）隨著束團能量E減小而減小，如式（1）所示：

θ(E)/mrad=θmax/mrad-（Emax-E）/10/MeV（1）

其中，θmax（14.6 mrad）為最高能量Emax（90 MeV）時的束團散角，可由NEU程序得出，或由TOPAS/Geant4計算得到。根據(jù)理論計算和實驗測量結(jié)果，束流輸運過程中束團散角多在10～20 mrad范圍內(nèi)［13,22］。且如前文所述，束團散角可由上游的四極磁鐵進行控制，并由下游電離室進行監(jiān)控。因此本線性模型在實際運行中不難實現(xiàn)。

設(shè)計方案中其他幾何參數(shù)為：①束流虛源位置與散射體兩層相接處距離為50 cm，與MLC葉片中點處距離為130 cm，與等中心點距離為150 cm；②等中心點位于水深3 cm處；③水模體設(shè)為10 cm×10 cm×10 cm，體素大小為1 mm×1 mm×1 mm；④MLC為鋁制金屬葉片，厚度5.0 cm，寬0.2 cm；⑤計算中MLC每片葉片的中點軌跡設(shè)為半徑3 cm的圓，以得到水模體中圓柱形均勻射野分布；⑥為了原理論證的簡明清晰，對本研究方法設(shè)計本身相關(guān)性不大的電離室和射程補償器在模擬計算過程中略去。

模擬中采用TOPAS默認設(shè)定的物理過程集，包含的物理過程對應(yīng)于Geant4中的G4EMStandardPhysics_option4、G4HadronElasticPhysicsHP、HadronPhysicsQGSP_BIC_HP、G4DecayPhysics、G4IonBinaryCascadePhysics、G4StoppingPhysics［27］。此物理過程集合除質(zhì)子外還包括各種次級粒子的物理效應(yīng)，其適用性已由MGH長期大量質(zhì)子治療工作所驗證。

2 結(jié)果

2.1 深度劑量分布SOBP

9級不同能量及能散的散射質(zhì)子束按照一定權(quán)重疊加后形成的SOBP如圖2所示（括號內(nèi)為正負一個標準差的相對大?。?，覆蓋0.78～5.96 cm的水模體深度（近端與遠端90%最大劑量處［29］），由最大劑量處80%至20%之間的距離為0.23 cm，亦即遠端劑量跌落。最大劑量范圍為1.25～5.85 cm，平坦度為0.67%，一個標準差相對大小為0.28%。

圖2 水模體中深度劑量分布（SOBP）Fig 2 Depth dose distribution(SOBP)in a water phantom

靶區(qū)遠端采用系統(tǒng)輸運線設(shè)計，最小能散達到±1%，以獲得與傳統(tǒng)質(zhì)子治療系統(tǒng)相近的快速劑量跌落。采用傳輸線設(shè)計的76 MeV能量以下的束流最大能散為±5%，因此只需少量束團即可延伸至1 cm左右水深處，避免傳統(tǒng)質(zhì)子治療系統(tǒng)所需的脊形過濾器，減少束流經(jīng)過的散射體，從而增加劑量遞送效率。為了不影響遠端劑量跌落區(qū)范圍，并以較為平滑的方式連接低能量高能散層與高能量低能散層，本研究取±4%作為84 MeV質(zhì)子束的能散。87.5 MeV層則是90 MeV層與84 MeV層之間的過渡層，可優(yōu)化其能量、能散以及權(quán)重大小以保證SOBP的平坦度。后續(xù)工作可圍繞進一步提高各層參數(shù)的優(yōu)化精度及優(yōu)化結(jié)果展開。

2.2 橫向劑量分布

以質(zhì)子束中心軸為z軸，MLC開合方向為x方向，TOPAS/Geant4模擬給出的水模體中的相對劑量分布如圖3所示。圖中左側(cè)一列給出從質(zhì)子束進入水模體至SOBP遠端4個不同深度處橫截面二維劑量分布，中間及右側(cè)兩列給出MLC開合方向及其垂直平面上的劑量二維分布。各分布都以靶區(qū)內(nèi)最高劑量點（0.011 45 Gy）做歸一化處理。整個靶區(qū)圓柱體積范圍內(nèi)劑量分布的一個標準差小于3%。

圖3 水模體中二維劑量分布Fig 3 Two-dimensional dose distribution in a water phantom

圖4表示3個深度處（1.25、3.55、5.85 cm）的一維劑量分布。表2給出各射野特性參數(shù)，包括橫向半影、靶區(qū)寬度和橫向平坦度，各參數(shù)具體定義參考文獻［29］。總體上SOBP遠端比近端橫向半影大，而SOBP中部靶區(qū)寬度最大，橫向平坦度最好。各深度處y方向分布半影稍小，橫向平坦度均在3%以內(nèi)。

2.3 質(zhì)子束流強度

為提高模擬精度，上文模擬計算中90 MeV束團包含有108個質(zhì)子，整個圓柱形靶區(qū)共需3.7×108個質(zhì)子進行覆蓋，靶區(qū)體積內(nèi)最低劑量為0.01 Gy左右，因此達到2 Gy/min的治療劑量率所需質(zhì)子數(shù)約為1.2×109/s（0.2 nA）。以重復(fù)頻率1 Hz為例，每發(fā)束團質(zhì)子數(shù)應(yīng)該達到109以上。如果進一步減小靶區(qū)范圍，如直徑3.0 cm、高2.5 cm的圓柱體，則每發(fā)束團質(zhì)子數(shù)僅需達到108以上。目前國際上取得的實驗結(jié)果均已達到或超過此要求［9-11］。

圖4 水模體不同深度處一維劑量分布Fig 4 One-dimensional dose distribution at different depths in a water phantom

表2 橫向劑量分布射野特性參數(shù)Tab 2 Field parameters of lateral dose distribution

3 討論

目前激光加速質(zhì)子至接近100 MeV需至少拍瓦（Petawatt,PW）或以上功率的激光器，而國際上技術(shù)較為成熟的PW激光器多為0.1～1.0 Hz的重復(fù)頻率運行［30］。雖然少數(shù)幾個大型科學(xué)中心已經(jīng)開始拓展更高功率或更高重復(fù)頻率激光器，但其規(guī)模和成本遠遠超出質(zhì)子治療的應(yīng)用范圍［31］。Linz等［20］和Zhu等［21］認為如果激光質(zhì)子也采用當(dāng)前傳統(tǒng)質(zhì)子治療中普遍運用的筆形束掃描，其質(zhì)子束重復(fù)頻率至少要達到10 Hz以上。另外目前激光質(zhì)子束流強度不穩(wěn)定度多在±10%左右或以上［32-34］，遠遠超過放射治療劑量均勻性±5%以內(nèi)的要求。而散射法則可通過擴束的方式，使得靶區(qū)內(nèi)任意一點的劑量由上百發(fā)質(zhì)子束團疊加而成，因此由質(zhì)子束流強不穩(wěn)定性引起的靶區(qū)劑量不均勻性可控制在1%以內(nèi)。可見通過散射法進行高效且可靠的靶區(qū)劑量遞送是現(xiàn)階段激光質(zhì)子放射治療由理論成為現(xiàn)實過程中關(guān)鍵的一環(huán)。

本研究中提出的緊湊治療頭系統(tǒng)和劑量遞送方法不僅完全適合于激光質(zhì)子特性，射野縱向及橫向劑量分布也可滿足質(zhì)子放射治療的要求，而且能夠最大限度減少質(zhì)子束傳輸路徑上的散射物質(zhì)（如傳統(tǒng)質(zhì)子治療系統(tǒng)中的第一散射體、射程調(diào)制器或脊形過濾器等），在保證束流品質(zhì)的同時大大提高靶區(qū)劑量遞送效率。

4 結(jié)論

本研究提出一種新的針對激光質(zhì)子特性劑量遞送模式的設(shè)計，并通過模擬計算證實了此緊湊型治療頭系統(tǒng)的有效性和適用性，為現(xiàn)階段實用型激光質(zhì)子放射治療系統(tǒng)的方法驗證奠定基礎(chǔ)。