http://www.paper.edu.cn 中国人特性头模 BNCT 剂量分布计算1 于涛 1，凌球 1，左国平 1，廖义香 1，付宏忠 2，胡东 2 1 南华大学核科学技术学院，湖南衡阳（421001） 2 青岛 92330 部队，山东青岛（266102） E-mail：yutao29@sina.com 摘 要：本文对 Synder 人体头部模型进行修正，建立了有中国人解剖模型特征的几何模型 和用于 BNCT 的人体头部 mcnp 计算模型，建立了一套用于 BNCT 治疗计划的软件。在软件 模型的基础上分别计算了不同能量的中子进行治疗时的肿瘤及正常组织剂量分布，并对计算 结果进行了分析。 关键词：中国人特征，BNCT，建模，剂量分布 1. 引言 我国每年约有5万脑胶质瘤患者，其中发病多为青壮年，如何提高胶质瘤患者的生存率， 一直是神经外科界所迫切需要解决的一大难题。外科手术、化疗、放疗等传统方法短期内有 一定的疗效，但是远期效果差。学术界普遍认为，硼中子俘获治疗 (Boron Neutron Capture Therapy，简称BNCT，下同)作为一种新的放疗手段是未来治疗恶性肿瘤的理想放疗方法。 国际上当前的研究热点在于建立BNCT治疗计划的基准问题,在基准问题的基础上，校验已经 开发和待开发的各种治疗计划软件[1，2]。本文根据已有的中国人解剖模型特征和蒙特卡罗方 法程序（MCNP），构建人体头部几何模型,模拟在不同中子能量条件下的人体肿瘤和正常组 织剂量，优化治疗剂量，探索与开发一套用于BNCT治疗计划的软件。 2. 中国人特性头部模型的建立 2.1 几何模型构建 本文对Synder人体头部模型[2]中的头部最大长，最大宽和水平围进行修正，采用适合中 国人的各个标准。中国人的标准值分别为：头最大长：186.43±0.44；头最大宽：15.915±0.709； 头水平围：56.522±2.138[3]。大脑在z方向有1cm 偏心。整个空间被分为4部分：大脑，颅骨， 皮肤，空气。修正后的适合中国人特征的几何模型为： （1）脑和颅骨的几何模型 2 ⎛ y ⎞ 7.7 ⎟ ⎜ ⎠ ⎝ （2）颅骨和头皮的几何模型 ⎛ x ⎞ 7.6 ⎟ ⎜ ⎠ ⎝ + 2 + 1 ⎛ −z ⎜ 8 ⎝ 2 ⎞ ⎟ ⎠ =1 (1) 2 ⎛ y ⎞ 5.8 ⎟ ⎜ ⎝ ⎠ （3）头皮和空气的几何模型 ⎛ x ⎞ 5.7 ⎟ ⎜ ⎝ ⎠ + 2 2 + ⎛ −z 1 ⎜ 8.8 ⎝ ⎞ ⎟ ⎠ =1 (2) ⎛ x ⎞ 8 ⎟ ⎜ ⎝ ⎠ 2.2 MCNP 计算模型构建 2 + ⎛ y ⎞ ⎜ 9 ⎟ ⎝ ⎠ 2 + 2 ⎛ −z 1 ⎜ 3.9 ⎝ ⎞ ⎟ ⎠ =1 (3) 1本课题得到教育部博士点基金 (20050540001) 和湖南省教育厅优秀青年基金 (06D083) 的资助。 -1- 

http://www.paper.edu.cn 蒙特卡罗方法（3-D M-C,Monte Carlo method）是目前唯一能够对辐照目标内部三维空 间核粒子碰撞轨迹和能量分布进行精确仿真的方法。本文采用MCNP程序对人头体模上半部 分的1/4进行了详细的描述，即对我们最关心的1/8区域进行了详细描述，对其它的部分则描 述的比较简单。这样可以使计算机运行时间降低，同时对我们所要计算的剂量结果不产生影 响。具体的描述图见下： 2.3 组织成分 修正的Synder人头体模的不同区域分别代表成年人脑、颅骨、和头皮组织，这三个组织的材 料取自ICRU44报告[4]；肿瘤区域的材料见表1所示。 图 1 人头体模型的 X-Y 剖面 MCNP 计算模型 2.4 转换因子 本文中用MCNP计算中子剂量率。先计算出中子通量，然后再转换为中子剂量率的，所 采用的中子通量剂量转换因子来自文献[5]，对能量低于0.253eV的点采取线性插值的方式得 到。 2.5 照射中子源 本文采用的源包括能量为0.0253eV、1KeV、2KeV、10KeV、100KeV、1MeV的单能单 向平面中子源，平面半径为7cm的圆，中子在平面上均匀分布，源强为1010/cm2 • s[6]。 表1 肿瘤区域成分 核素 份额 核素 份额 H C N O S Cl K Ca 0.10454 0.22663 0.0249 0.63525 0.00204 0.00113 0.00208 0.00024 Na Mg Si 0.00112 0.00013 0.0003 P 0.00134 Fe Zn Rb Zr 0.00005 0.00003 0.00001 0.00001 3. 头部计量分布 本文给出了一下两种情况时，头部计量分布情况： 1） 在体模内10B的正常组织与肿瘤部位浓度之比为1:3时，能量为0.0253ev时热中子剂量率分 布（图3所示）； 2） 在体模内10B的正常组织与肿瘤部位浓度之比为1:3时，能量为10Kev时热中子剂量率分布 -2- 

（图4所示）； 3） 在体模内10B的正常组织与肿瘤部位浓度之比为1:3时，能量为1Mev时热中子剂量率分布 http://www.paper.edu.cn （图5所示）； 图3 热中子深度-剂量率分布图 图4 超热中子深度-剂量率分布图 图5 快中子深度-剂量率分布图 4. 结论 1、由以上各图看出，每一条线都有两个峰值： 第一个峰为各种能量的中子在组织中的剂量率最大值，可以看出 3.8—8cm 为剂量最大 的区域。即 BNCT 有效治疗区域为 3.5—8cm，与有关文献[7]中所示的 BNCT 有效治疗区域 （3.5—7cm） 符 合 的 比 较 好 ； 第 二 个 峰 值 为 肿 瘤 区 域 （ 与 我 们 所 假 定 的 部 位 一 致 ： 7.3—9.3cm）。 2、由图 3，4 比较可以看出，如果用快中子作为照射源（如 1MeV），中子剂量率特别 大，最大值为 12.65Gy/min，会损伤正常组织，这对 BNCT 是不合适的 [8]；而热中子从表皮 开始就呈指数下降，等到达肿瘤部位时，剂量就达不到 BNCT 所需要的剂量了（BNCT 要 求一般要求在少于 80min 的照射时间内积累于瘤组织的剂量能达到 30～50Gy）；所以用超热 中子做 BNCT 是最佳选择。 3、作为对 BNCT 剂量分布的探讨，我们将脑肿瘤假定在 8cm 左右（即脑中部），从所 得到的中子深度-剂量率分布图看出，是达不到理想的治疗效果的。据本文中的中子深度-剂 量率分布图及 BNCT 的有关文献所示，对于 6cm 深度的脑胶质瘤，BNCT 具有显著的疗效。 -3- 

4、根据计算结果的分析于相关文献的比较，本研究所建立的模型是可靠的，计算结果是理 想的，达到了预期的目的，为今后的工作奠定了基础。 http://www.paper.edu.cn 参考文献 [1] Rorer D etal. Current Status of neutron capture therapy, IAEA, 2001 [2] 邱有恒，邓力，应阳君. BNCT 蒙特卡罗剂量计算的混合网格算法研究, 高能物理与核物理, 2004.6.28 （6）：669-674 [3] 中国解剖学会体质调查委员会, 中国人解剖学数值[M]．人民卫生出版社，2002，1-50 [4] ICTU44 International Commission on Radiation Units and Measurements, Bethesda, 1992, MD [5] Los Alamos National Laboratory Los Alamos, New Mexico. RSICC COMPUTER CODE COLLECTION MCNP4C. RADIATION SAFETY INFORMATION COMPUTATIONAL CENTER. April 2000. [6]肖刚, 邓力, 张本爱, 朱建士. BNCT 人头体模内剂量分布计算, 核技术, 2003.9.26(9)：667-671 [7] 王祥云, 包尚联等. 中子俘获治疗癌症, 化学进展, 1997 3 9（1）：99～105 [8] 王所亭. SRS立体照射剂量论述, STAR系列立体定向（适形及强调）放射治疗系统培训教材之一, 中国科 学院北京大恒医疗设备有限公司, 2001，6，6：99-105 Dose Distributions of BNCT Based on Chinese Body Anatomically Characteristics Head Phantom Yu Tao1, Ling Qiu1, Zuo Guoping1, Liao Yixiang1, Fu Hongzhong2, Hu Dong2 1. School of Nuclear Science & Technology, Nanhua University, Hengyang, Hunan, 2. 92330 Unit ,CPLA, Qingdao, Shandong (266102) China (421001) Abstract According to the characteristics of the head of Chinese body anatomically characteristics，Synder geometry, which is popular adopted in the world, is modified. A head phantom geometry model and the mcnp calculated model for BNCT were established，the treatment programming software is done . The neutron absorbed dose rate distributions for tumour and natural histiocyte are calculated respectively based on this software and the results are analyzed. Keywords: Chinese body anatomically characteristics; BNCT; establishing models; dose distributions 作者简介：于涛（1972—），男，博士，2005年毕业于中国原子能科学研究院核能科学与工 程专业，副教授，硕士生导师。 -4-