AB-BNCT中子输运过程的NECP-MCX软件模拟研究

硼中子俘获治疗(Boron Neutron Capture Therapy,BNCT)是国际上极具应用前景的精准治癌手段,中子输运过程直接影响着束流特性和治疗计划的准确性。研究利用新型蒙特卡罗软件NECP-MCX(Nuclear Engineering Computational Physics)开展加速器驱动硼中子俘获治疗(Accelerator Based-Boron Neutron Capture Therapy,AB-BNCT)装置的中子输运过程,计算了中子输运过程中束流整形体出口处的束流参数及不同数据库下头模中的相对生物学剂量沉积。研究结果表明:在确定的束流整形器(Beam-Shaping Assembly,BSA)设计方案下,NECP-MCX模拟计算的中子束流参数结果与主流蒙特卡罗软件计算结果偏差微小,最大参数相对误差约6%,均符合国际原子能机构(International Atomic Energy Agency,IAEA)推荐值,证实NECP-MCX可用于ABBNCT中子输运模拟研究;针对Snyder头模,使用不同数据库与NECP-MCX相匹配,计算得到的头模内相对生物剂量参数均符合临床治疗标准,考虑到ENDF/B-VⅢ.0、JENDL-5更加全面细致,建议后续AB-BNCT治疗计划系统中计算数据库选择此两种数据库。

硼中子俘获治疗中硼携带剂的研究进展及临床应用

硼中子俘获治疗(boron neutron capture therapy, BNCT)是一种二元放射疗法,是目前具有广阔发展前景的肿瘤治疗手段之一。BNCT是利用同位素10B被中子照射发生核俘获和裂变反应从而产生高能的α粒子,用以杀死癌细胞。从上世纪30年代首次提出BNCT的概念并将其用于肿瘤治疗开始,硼中子俘获疗法逐渐在世界各国发展起来,并在脑胶质瘤、黑色素瘤以及头颈部肿瘤等多种疾病中取得了显著成效。当前,研发更高效的硼携带剂,建立更为精确的硼剂量测量体系以及开发医用加速器中子源是BNCT面临的主要难题。本文主要介绍了硼中子俘获疗法的基本原理和治疗优势,综述了BNCT的核心成分硼携带剂的发展历程、研发现状和临床应用,以及硼剂量精确测量的现状,有利于揭示BNCT在肿瘤治疗中的潜力。

SuperMC在硼中子俘获治疗剂量计算中的初步应用

目的:为进一步拓展国产自主蒙卡核模拟软件系统(SuperMC)在肿瘤治疗领域内作为剂量计算核心的应用,发展一套基于CT模型的硼中子俘获治疗(BNCT)剂量计算流程,实现由CT和MRI影像到SuperMC计算文件的转换。方法:通过CT和MRI文件融合及肿瘤区域勾画建立高精度的蒙卡粒子输运计算模型,在设置血硼浓度和照射源项之后,开展粒子输运计算,从而得到4种生物剂量的空间分布。然后,使用BNCT领域内的国际基准题Synder模型进行校验,最后采用1例脑胶质瘤临床案例作为典型应用。结果:对于Synder模型,基于3σ原则,SuperMC计算结果与MCNP结果一致。对于CT模型,成功构建一个空间分辨率为0.06 cm×0.06 cm×0.30 cm的头部模型,且计算结果表明在肿瘤区域,硼生物剂量明显高于其他剂量的贡献。结论:SuperMC适用于BNCT剂量计算,特别是可开展基于高分辨率的CT模型的剂量计算。

硼中子俘获治疗剂量蒙特卡罗计算程序Magic开发与验证

基于成熟的蒙特卡罗方法研制了自主化硼中子俘获治疗(boron neutron capture therapy, BNCT)剂量蒙特卡罗计算程序Magic。基于Magic程序构建了含肿瘤Snyder头部模型的解析模型及1 mm×1 mm×1 mm精细Snyder体素模型进行BNCT剂量计算,以MCNP程序模拟计算深度-剂量率的分布曲线作为参考结果对Magic程序进行验证。数值验证结果表明,二者分布曲线相吻合,硼剂量率、热中子剂量率、超热中子和快中子剂量率、次级光子剂量率及总的相对生物效应剂量率的相对偏差小于5%,满足BNCT临床治疗偏差的要求,初步验证了Magic程序剂量计算的正确性和可靠性。同时基于Magic,建立了10B开放式药代动力学模型,定量研究动态硼浓度下BNCT剂量学,计算得到动态下与稳态下剂量的相对偏差为11.78%,可为开展BNCT临床试验提供参考。

BNCT人头体模内剂量分布计算

用修正的Synder人头体模几何模型和ICRU—46中的材料数据,用MCNP-4B程序对0.0253eV、1keV、2keV、10keV、100keV、1MeV单能中子束,0.2、0.5、1、2、5、10MeV单能光子束,以及与当前硼中子俘获治疗(BNCT)临床中使用的超热中子相似的超热中子束,计算了在人头体模中的剂量分布,计算结果与有关文献报道的结果一致,初步校验了我们正在编制的BNCT治疗计划软件。

基于Synder修正模型的硼中子俘获治疗剂量深度分布计算

目前,对硼中子俘获治疗(BNCT)进行剂量计算时普遍使用Synder模型,本文依据中国人的头部解剖特征,对该模型进行重建,建立了修正Synder模型。在该模型基础上,利用MCNP程序编制出放射性治疗软件,计算了无含硼药物和有含硼药物时不同能量的中子在头部的剂量深度分布,并对计算结果进行比较分析。计算结果为我国即将进行的BNCT临床治疗研究有一定的助益。

MCNP计算含肿瘤Snyder修正头部模型的硼中子俘获治疗剂量

为得出硼中子俘获治疗(BNCT)中不同能量中子在含肿瘤Snyder修正头部模型内的深度-剂量曲线,籍以进一步理解BNCT原理,优化BNCT治疗中子源的能谱分布,本文利用MCNP模拟计算0.025 3 eV、1 eV、1 keV、10 keV、100 keV、1 MeV和混合能量的超热中子源在含肿瘤Snyder修正头部模型内的硼剂量、热中子剂量、超热和快中子剂量以及次级光子剂量组分的深度-剂量分布,并在此基础上得到总的相对生物学剂量的深度-剂量分布,以判断不同能量组中子源在BNCT中的优劣。结果表明,热中子头皮浅表处硼剂量高于肿瘤区硼剂量;快中子源硼剂量小,但其剂量组分中超热和快中子剂量过大;超热中子具有一定的穿透性,在脑深部肿瘤区形成了较高的硼剂量和总的相对生物学剂量。说明超热中子具有良好的BNCT治疗效果,热中子和快中子不适宜用于脑部BNCT治疗。

硼中子俘获治疗人头开颅模型内宏观吸收剂量分布

应用MCNP 4B程序模拟计算了硼中子俘获治疗(BNCT)人体头颅等效模型开颅时的宏观吸收剂量分布。采用含有肿瘤体的双椭球结构的等效模型,模拟了深部肿瘤、浅部肿瘤和表层肿瘤3个算例,计算了正常组织及肿瘤体内的宏观吸收剂量分布。计算结果表明,照射后部分网格的吸收剂量低于治疗标准18 Gy,但在同一网格中,肿瘤越靠近表层,吸收剂量越大,治疗效果越好。

Geant4中不同物理列表对硼中子俘获治疗剂量分布的影响

Geant4是基于C++编写的开源蒙特卡洛模拟软件,提供多种包含中子与物质相互作用的物理列表。本研究采用Geant4提供的几种物理列表,对沿中子束方向的总吸收剂量、硼剂量和非硼剂量深度分布进行计算,并与FLUKA进行比较,模拟中子能量从0.025 3 eV到10 MeV。对于整个模拟中子能段,结果显示添加S(α,β)热模型的高精度中子物理列表(Geant4_HP_T)在总吸收剂量、硼剂量和非硼剂量深度分布上均与FLUKA符合很好,初步验证了Genat4能应用于硼中子俘获治疗(BNCT)相关研究。对于低能中子(<1 MeV),S(α,β)热模型对BNCT剂量深度分布的影响较大,QBBC和QGSP_BERT不适用于BNCT剂量分布计算。

基于GAN的BNCT放疗剂量预测方法及影响因素

硼剂量是硼中子俘获治疗中实际治疗剂量的重要组成,实现治疗过程中硼剂量实时分布的测量对保证治疗效果至关重要。但目前临床上对硼剂量的监测还缺少切实可行的方法。据此,本文提出利用生成式对抗网络(GAN)根据治疗过程中探测到的478 keV瞬发伽马射线的三维分布预测实时硼剂量三维分布。本研究基于具有中国人生理特征的辐射仿真人体模型,构建了19个脑胶质瘤病例,利用蒙特卡罗方法模拟了头顶照射方案下瞬发伽马射线及硼剂量三维分布,其中15个病例样本作为训练集,4例作为测试集。结果表明,对于复杂肿瘤结构及复杂硼分布的病例,GAN预测结果与蒙特卡罗模拟结果的SSIM系数均约为0.98,表明本方法可实现硼剂量三维分布的准确预测。

中子辐照铅硼聚乙烯致次级γ剂量模拟研究

利用MCNP程序,研究了铅硼聚乙烯材料成分、入射中子的能量以及屏蔽材料的厚度对次级γ剂量占总剂量比例的影响。结果表明:随着入射中子能量的增大,次级γ剂量对总剂量的贡献不断降低;随着屏蔽材料厚度的增加,次级γ剂量对总剂量的贡献不断升高,且均受铅硼聚乙烯材料成分的影响。研究结果可供中子源屏蔽设计参考。

基于加速器的硼中子俘获治疗装置束流整形体的设计及其临床参数研究

在硼中子俘获治疗(BNCT)中,束流整形体是BNCT装置产生高品质中子束的关键部件之一,其设计至关重要。本文基于2.5 MeV质子打锂靶产生中子的过程,对加速器驱动的BNCT中子源的束流整形体进行了可行性方案设计,研究了慢化体厚度差异对出口束流品质、头部模型中的剂量分布和临床参数等方面的影响。研究表明,可行性方案设计在30 mA质子束流驱动下,可达到IAEA对束流品质的要求;在本文3种慢化体厚度设计下,随着慢化体厚度的增加,出口超热中子束流强度减小,快中子份额减小,进一步导致优势深度变浅,正常组织最大剂量率减小,治疗时间变长。

压水堆核电厂采用富集硼的优势与可行性分析

压水堆核电厂通常采用天然硼进行反应性的化学补偿控制,研究表明采用富集硼替代天然硼,可以优化一回路水化学,降低一回路结构材料腐蚀风险和堆芯沉积风险,降低职业照射剂量。本文分析压水堆核电厂采用富集硼的优势与可行性,介绍国内外核电厂富集硼的应用情况。最后对我国华龙一号堆型和在役压水堆核电厂富集硼的应用提出建议。

硼中子俘获治疗剂量验证方法进展

硼中子俘获治疗(BNCT)利用中子与肿瘤细胞中富集的硼发生特异性俘获反应,可以定向杀死癌细胞。为了验证中子放疗计划的准确性,保障患者的治疗效果,需要在治疗前进行剂量验证,即对比分析实验照射剂量与计划剂量。目前,BNCT剂量测量方法主要包括电离室法、热释光法、活化法等点剂量测量方法,基于胶片的二维剂量测量方法,以及基于凝胶剂量仪的三维剂量测量方法。本文总结了国际上BNCT剂量验证方法的进展,讨论了这些方法的发展前景。

BNCT蒙特卡洛剂量计算的混合网格算法研究

在硼中子俘获治疗 (BNCT)的蒙特卡洛 (MC)剂量计算中 ,通常使用单一的网格模式 ,如16mm ,8mm ,4mm .使用细网格计算资源太大 ,使用粗网格 ,计算精度不够 ,为此 ,根据粒子穿透深度和计数量的变化梯度 ,采用混合网格模拟计算 ,达到了细网格的精度 ,时间仅为细网格的 37% .

硼中子俘获治疗的蒙特卡罗方法模拟(英文)

用通用蒙特卡罗程序MCNP模拟了粒子在人脑中的输运过程。吸收剂量率主要来自以下四个反应:^(10)B(n,α)~7Li,^(14)N(n,p)^(14)C,~1H(n,γ)~2D,快中子弹性散射反应。对肿瘤区的贡献主要来自硼中子吸收反应。结果表明,超热中子比热中子适合于深肿瘤的治疗,而热中子对浅肿瘤的治疗有优越性,比如皮肤癌。同确定论方法的结果相比,蒙特卡罗方法不失为一种模拟中子俘获治疗的好工具。

硼中子俘获治疗(BNCT)及剂量测量方法

目的通过描述硼中子俘获治疗(BNCT)剂量测量方法的现状,探讨其剂量测量中的关键问题和解决方案。方法通过广泛调研BNCT的发展、基本原理、剂量组成以及当前硼中子俘获治疗过程中的剂量测量方法,研究BNCT剂量测量中的关键问题。结果剂量监测是保证BNCT治疗质量的关键环节。可采用累积或实时测量的方法分别测量出热中子、超热中子和γ的剂量。结论用于硼中子俘获治疗的辐射场是n-γ的混合场,BNCT剂量测量的难点是混合辐射场中热中子、超热中子和γ剂量的甄别技术。

BNCT物理剂量Monte Carlo程序系统——MCDB及算法

硼中子俘获治疗(BNCT,boron neutron capture therapy)规划软件系统MCDB(Monte Carlo dosimetry in brain),包括医学前处理、Monte Carlo物理剂量计算和后处理.采用中心点方法确定网格的材料和密度,并自动生成Monte Carlo输入文件,MCDB借鉴并发展了一套网格几何下的快速粒子径迹算法,取得了与MCNP程序一致的剂量计算结果,计算速度较MCNP程序提高2.7～3.5倍.MCDB可进行并行计算,具有线性加速比,能够满足BNCT临床对计算时间和精度的要求.