质子重离子放射治疗中次级中子及高能γ射线剂量分布研究

Due to the huge advantages of proton and heavy-ion on radiation oncology physics and radiobiology, proton and heavy-ion radiotherapy facilities have been established world-widely in recent years. However, the secondary neutron and high energy gamma rays will be produced inevitably during the energy deposition inside the clinical target volume. Since neutron is the radiation with very high linear energy transfer, many biological effect may be occurred in normal tissues. In order to estimate the effective dose of the secondary particles for normal tissues, the dose filed have to be accurately measured. The liquid scintillation detector together with the nuclear track detector CR-39 will be used to detect the neutron with wide dynamic range. For the detection of high energy gamma rays, the scintillation detector with large crystal will be used. The energy spectra of secondary particles will be measured systematically depending on the distance and angle with the isocenter. The effective dose of secondary particles will be deduced through the particle transportation program depending on the obtained energy spectra. Thus it is important to the improvement of the treatment planning system and the evaluation of the secondary cancer risk for children patients. Meanwhile, the information of secondary particle dose filed is important in case of a operation accident in the hospital to estimate the risk of cancer for the stuff with neutron and gamma ray exposure.

由于质子重离子在放射物理学和放射生物学特性上的优势，质子重离子治疗装置得到了广泛推广。在临床治疗过程中随着射线在靶区的能量沉积，不可避免地会产生次级中子以及高能γ射线。由于中子属于高LET射线，能够产生多种生物效应。为了准确得到次级中子以及高能γ射线的剂量，需要对次级中子及高能γ射线能谱进行实验测量。针对目前次级粒子能谱及剂量测量的不确定度大等问题，我们采用液体闪烁体探测器配合CR-39核径迹探测器实现对中子的宽动态范围探测，使用闪烁晶体探测高能γ射线；对质子重离子治疗中产生的次级中子及高能γ射线能谱进行系统学测量；通过测得的能谱，采用Monte Carlo方法模拟粒子输运，针对儿童脑部肿瘤，计算在临床靶区外正常组织及治疗室的次级中子和γ辐射场。为治疗计划系统、质子重离子放射治疗中二次恶性肿瘤的评估以及医院发生误操作时受辐照人员辐射损伤评估提供重要参考。

质子、重离子在放射物理学和放射生物学特性上的优势，质子、重离子治疗已成为肿瘤放疗最先进的技术之一。并在近几年获得了广泛的推广和认可。在临床治疗过程中，主要通过电磁相互作用将射线的能量在靶区进行沉积，然而，却不可避免地会产生核反应，从而产生次级轻带电粒子、中子以及高能γ射线。由于带电粒子、中子属于高LET射线，能够产生多种生物效应。为了准确得到次级带电粒子、中子以及高能γ射线的剂量，需要对次级带电粒子、中子及高能γ射线能谱、双微分截面进行研究。针对目前次级粒子能谱及剂量测量的不确定度大等问题进行探索。首先，我们采用大阪大学核物理研究中心高动量分辨磁谱仪对12C原子核的碎片进行了分析，得到了三种碎片的双微分截面和能谱，并通过蒙特卡洛方法对数据进行了重现，结果表明反对称动力学模型（AMD）能够很好地重现实验数据。其次，通过自制的液体闪烁体探测器系统实现了对中子的宽动态范围探测，使用闪烁晶体测量了高能γ射线；基于测得的能谱，采用Monte Carlo方法模拟了粒子输运，脑部肿瘤，计算在临床靶区外正常组织及治疗室的次级中子和γ辐射场为治疗计划系统、质子重离子放射治疗中二次恶性肿瘤的评估以及医院发生误操作时受辐照人员辐射损伤评估提供重要参考。第三，通过对介入科等辐射环境进行测量，开发了新型的基于CdZnTe的低能X射线测量装置，能够解决介入科辐射环境测量问题，并能够为介入科辐射防护提供重要的数据量。该项目的实施，在质子、重离子放疗，介入科辐射环境测量方面取得了一定的进展。