基于TLD阵列和3D打印组织等效体的次级中子及γ射线剂量分布研究

《Medical Dosimetry》：Study of secondary neutron and γ dose distribution based on a TLD array and 3D-printed tissue-equivalent phantom

　　

作者：徐书全、王志深、王一迪、张高龙、徐寿平、程伟、黄震、徐晓宇、曲伟伟

单位：中国江苏省苏州大学放射医学与防护学院放射医学与防护国家重点实验室，江苏省高等教育机构放射医学协同创新中心，邮编215123

摘要

在质子治疗过程中，次级中子和伽马辐射会引发对场外剂量的担忧，并增加继发性恶性肿瘤的风险，尤其是在儿科患者中。本研究旨在开发并验证一种新型的三维（3D）打印组织等效体模，以提高质子治疗中吸收剂量测量的精度并改善治疗计划。该体模采用先进的3D打印技术制造，能够模拟人体组织的放射学特性，包括电子密度和质子阻止能力。在指定位置嵌入了热释光探测器（TLDs）以测量质子辐照产生的剂量。通过使用GATE工具包进行蒙特卡洛模拟，验证了体模内的γ射线剂量分布，以确保其一致性和可靠性。测量得到的剂量分布与模拟结果高度吻合。在治疗区域内，剂量分布具有高精度；而在距离靶中心6厘米以外的区域，次级剂量急剧下降。在距离边界1厘米范围内，剂量低于5 mSv/Gy(RBE)，并随着距离的增加逐渐降至0.05～0.15 mSv/Gy(RBE)。在5～10厘米范围内，中子剂量当量低于1.5 mSv/Gy(RBE)，而在10厘米以外则降至1.0 mSv/Gy(RBE)以下。这种3D打印体模在剂量测量方面表现出高可靠性和准确性，是质子治疗计划质量保证和评估患者特定场外剂量的有力工具。该模型有望提高放射治疗的安全性和有效性，解决与脆弱人群相关的重要问题。此外，将测得的场外中子剂量与已发表的研究结果进行比较，以验证实验数据的合理性，这可为低能量质子治疗的次级中子风险评估提供参考。

引言

质子治疗因其能够精确传递能量并减少副作用而具有显著优势。然而，次级粒子（尤其是中子）的剂量分布是一个关键问题，因为它会增加继发性癌症的风险，尤其是在儿科患者中。由于中子主要来源于质子束与组织或治疗设备的相互作用，而这一点目前尚未被治疗计划系统（TPS）考虑在内。因此，目前没有临床方法可以计算质子治疗过程中的次级中子剂量分布。测量场外中子和γ射线的吸收剂量或剂量当量对于评估放射治疗中的继发性癌症风险至关重要。¹目前，评估场外中子剂量的标准方法是在患者体外放置中子探测器或剂量计来监测中子剂量。很少有研究关注患者体内所接受的中子剂量分布。因此，辐射剂量测量在研究质子治疗中的场外中子剂量分布方面起着关键作用。

为了满足各种放射治疗类型的剂量测量需求，通常使用多种体模进行剂量验证。在传统放射治疗中，经常使用三维水箱和水等效固体水体模进行剂量测量和验证。此外，还使用软塑料或类似水的物质来模拟人体组织，但由于其相对均匀的性质，这些材料的模拟效果较差。一些研究采用了仿生材料来制作人体形状的体模，以复制真实的生理结构并提高剂量验证的准确性。例如RANDO、Alderson ART、ATOM CIRS等。²³⁴ RANDO体模的独特特性使其被用于国际空间站上的辐射吸收剂量测量。⁵然而，这些体模大多采用压铸或灌注工艺制造，无法准确反映器官的轮廓形态，且特异性较低。此外，大多数体模设计为切片型结构，拆卸较为复杂。新兴的3D打印技术有望克服这些限制，能够精确模拟人体生理结构和器官的轮廓，^6,7从而实现真实有效的人体特定体模的制造。这一进展使得在模拟环境中更精确地确定剂量分布成为可能。近年来，3D打印技术已成功应用于放射治疗的剂量验证。⁸⁹¹⁰

本研究介绍了一种新型组织等效体模，利用3D打印和剂量检测技术，以提高质子治疗中吸收剂量测量的准确性，并满足对中子场剂量分布的严格测量要求。该体模结合了热释光剂量计，专门用于验证质子治疗环境中的场外中子剂量当量。为了验证体模的可靠性，进行了实验研究，对肝脏肿瘤模型进行了质子辐照，并将测量结果与使用GATE平台进行的模拟结果进行了比较。

章节摘录

组织等效体模的制备

本研究开发了一种高度组织等效的人体模型体模。三维模型使用Unigraphics NX软件（版本10.0；西门子PLM软件公司，美国德克萨斯州）设计，并通过3D打印技术（HORIZ60OPLUS；武汉HORI有限公司）制造。该体模采用了先进的增材制造和光固化技术，使用的材料能够精确模拟人体组织的放射学特性。解剖数据来源于CT扫描。

结果

分析软件为每个测量点和计划靶体积（PTV）的中心分配了空间坐标，反映了剂量值与位置之间的空间依赖关系。为了便于数据分析和处理，坐标系被调整使得原点与PTV中心重合。质子束的入射方向被定义为Z轴，这与剂量测量棒的实际配置一致。

讨论

虽然图5提供了剂量与PTV中心距离的定量关系，但测量结果与预期存在轻微偏差。预期的照射场为5.0×5.0厘米²，在均匀条件下，X/Y平面内的剂量覆盖范围应为约2.5厘米半径。如果考虑2.0厘米的半影区域，最陡的剂量梯度预计出现在距离中心3.5至4.5厘米之间。然而，图5A中的数据并未显示这一情况

结论

本研究成功开发并验证了一种3D打印的组织等效体模，通过与被动热释光探测器（TLD）的结合，实现了质子治疗中的全面剂量评估。在临床相关的照射条件下，TLDs被部署在模拟的肝脏肿瘤模型中，以评估关键剂量参数下的剂量当量。实验结果表明，在规定的10 Gy(RBE)剂量下

作者贡献

所有作者都参与了研究的构思和设计。该项目由曲伟伟策划并资助。材料准备、数据收集和分析工作由徐书全、徐晓宇和曲伟伟完成。初稿由徐书全和徐晓宇撰写，所有作者都对稿件的各个版本进行了评论。所有作者都阅读并批准了最终稿件。

所有作者均声明没有利益冲突。

作者衷心感谢所有参与本研究人员的共同努力和智力贡献。

特别感谢徐书全进行了实验、数据整理和正式分析，并起草了初稿及其后续修订版本。同时，感谢王志深在实验方案的设计和实施方面的贡献，以及王一迪在GATE软件使用方面的协助。