王振超，關世榮，張　慧，梅雪松，龐　楊，趙　琳

12C和20Ne離子劑量分布的Geant4模擬

王振超，關世榮，張慧，梅雪松，龐楊，趙琳

（黑龍江省科學院技術物理研究所第三研究室，哈爾濱 150086）

利用Geant4程序模擬光子和重離子在水中的輸運過程，并模擬計算80-430MeV/u12C、20Ne在人體等效組織水中的劑量分布。分別討論12C、20Ne離子的線性能量傳遞（LET）的特性。結果表明，重離子與物質相互作用時，橫向散射小，與12C相比20Ne離子在水中射程短，劑量分布高。

Geant4；重離子；劑量；LET

重離子（Z＞2）放射治療的優(yōu)勢之一體現在它的能量沉積上，即深度劑量分布上，重離子束沿其徑跡的能量沉積出現了Bragg峰，坪區(qū)與峰區(qū)的傳能線密度（LET）顯著不同。因此可利用Bragg峰區(qū)高的LET值施于腫瘤所在的病灶，局部高效地殺死癌細胞，而在此區(qū)域之外的健康組織受損較小，為了進一步治療和確定治療劑量，需要對重離子Bragg峰的位置做詳盡研究［1-3］。

描述帶電粒子在物質中的能量損失的重要物理量線性能量傳遞linear energy transfer（LET），是指單位長度徑跡上能量的傳遞。國際輻射單位委員會（The InternationalCommission on Radiology Units）對其的定義是：在介質中帶電粒子的線性能量傳遞（LET）是dE/dL，在此dE是特定能量的帶電粒子，在dL的傳遞距離中給予介質的局部能量，即LET=dE/dL［4-5］。

1　Geant4模型

離子定義：離子定義中采用C++中的指針函數particleTable->GetIon()來定義離子的類型。

物理過程：12C、20Ne離子在水中物理過程采用G4hMultipleScattering與G4ionIonisation基類，從而模擬離子的多重散射和電離相互作用的過程［11］。

2　模擬結果與分析

2.1重離子與光子輸運過程模擬

圖112C離子在水中輸運過程Fig.1 Trajectory of12C ion in water

圖2　γ光子在水中的輸運過程圖Fig.2　Trajectory ofphoton in water

圖1和圖2為Geant4模擬C離子與γ光子在水中的輸運過程。

由圖1和圖2對比可見，由于重離子質量大，與物質相互作用時，橫向散射小，幾乎是沿直線運動，與常規(guī)的放射治療相比重離子能夠精確地在局部位置殺死腫瘤細胞，避免腫瘤周圍正常組織受到照射。

2.2不同離子束的LET

圖312C、20Ne離子在水中LET分布Fig.3　LET distribution of12C and20Ne ion in water

圖3為400MeV/u12C、20Ne在水中的LET分布，數據在初始位置即Z=0mm處進行了歸一化處理。由圖3可見，12C、20Ne在水中的能量沉積具有Bragg峰的性質，即離子能量沉積集中在射程末端，并且隨著入射離子質量增加，Bragg峰峰值增高，與12C相比，20Ne離子在峰區(qū)的能量沉積增加。

2.3不同能量離子束的劑量分布

圖4　不同能量12C離子在水中的深度劑量分布Fig.4　Dep th-dose distribution of12C ion atvarious energies in water

圖5　不同能量20Ne離子在水中的深度劑量分布Fig.5　Depth-dose distribution of20Ne ion atvarious energies in water

圖4、圖5為不同能量離子在水中的深度劑量分析結果,從圖中可以看出，不同能量12C、20Ne離子在射程末端都有高劑量的能量損失。體現了離子能量沉積具有Bragg峰特點，并且隨著入射離子能量的增加，離子的劑量分布減小，離子在水中的射程增大，利用離子束獨特的倒轉深度劑量分布，可以通過改變入射離子的能量來調節(jié)離子束在組織中能量沉積的位置，從而達到對腫瘤位置的精確治療，并降低對病灶周圍正常組織的影響。

由圖4和圖5對比可見，相同能量下20Ne離子的射程短，但劑量分布高，可利用20Ne離子對淺表部位的腫瘤進行治療。

3　結論

基于Geant4能夠模擬離子與物質相互作用的過程，研究利用Geant4程序模擬可視化光子和重離子在水中的輸運過程，并計算80-430MeV/u12C、20Ne離子在人體等效組織水中的劑量分布及LET分布，由于重離子的能量沉積具有Braag峰的特點，可利用重離子對腫瘤進行精確治療。由于20Ne離子在人體等效組織中的射程短，劑量分布高，因此20Ne離子在淺表腫瘤治療中具有更大的優(yōu)勢。

［1］ 徐俊奎.醫(yī)用重離子束輸運過程的Geant4模擬［D］.蘭州：蘭州大學，2009.

［2］ 奉光華.重離子束治療腫瘤的蒙特卡羅模擬研究［D］.衡陽：南華大學，2012.

［3］ 黃齊艷.重離子治療中劑量學相關問題的蒙特卡羅模擬研究［D］.北京：中國科學院大學，2014.

［4］ A.Lechner V.N.Ivanchenko J.Knobloch.Validation of recent Geant4 physics models for application in carbon ion therapy［J］.Nucl.Instr.and Meth.2010,（B）:2343-2354.

［5］ LucasBurigo Igor Pshenichnov IgorMishustin Marcus Bleicher.Microdosimetry of radiation field from a therapeutic 12C beam in water:A study with Geant4 toolkit［J］.Nucl.Instr.and Meth.2013,（B）:37-53.

［6］ A.Kitagawa,M.Muramatsu,S.Sato,M.Suda,K.Noda.New medical irradiation technique by the permanentmagnet system for the heavy-ion therapy［J］.Nucl. Instr.and Meth.2005,（05）:79-82.

［7］Ashavani Kumar,Summit Jalota,Renu Gupta.Simulation of depth-dose distributions for various ions in polyethylenemedium［J］.Nucl.Instr.and Meth. 2012,（12）:1691-1697.

［8］ ArminL,MarlenPriegnitz,FineFiedler,NikolaiSobolevsky,NielsBassler. Dependence of simulated positron emitter yields in ion beam cancer therapy on modeling nuclear fragmentation［J］.Applied Radiation and Isotopes.2012,（08）：1691-1697.

［9］ Nabil Zahra,Thibault Frisson.Influence ofGeant4 parameterson dose distribution and computation time for carbon ion therapy simulation［J］.Nucl.Instr.and Meth. 2010,（09）:202-208.

［10］GEANT4UsersGuidehttp://GEANT4.web.cern.ch/GEANT4/G4UsersDocuments/ UsersGuides.

［11］S.Agostinelli et al.Geant4-a simulation toolkit［J］.Nucl.Instrum.Meth.A, 2003,5（06）:250-303.

Gean4-based sim ulation of depth-dose for12C and20Ne ion

WANG Zhen-chao,GUAN Shi-rong,ZHANGHui,MEIXue-song,PANGYang,ZHAO Lin
(Department III,Technical Physics Institute ofHeilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150086,China)

Trajectory of photon and heavy-ion in waterwere simulated via Geant4.Depth-dose distribution of12C ion and20Ne ion in waterwere computed at80-430MeV/u.The LET characteristics of12C ion and20Ne ion were discussed.Itwas found thatwhen the heavy ion interacted withmatter itpractically travel in a straightpath.Compare to12C ion,20Ne ion had shorter rangeandmore d epth-dose inwater.

Geant4;Heavy-ion;Depth-dose;LET

O571.33

A

1674-8646（2016）04-0008-02

2016-01-06

王振超(1986-)，男，遼寧朝陽人，碩士，助理研究員，主要從事核技術應用的研究。