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光纤X射线传感器剂量衰减的仿真研究

2024-09-04 13 上传者：管理员

摘要：光纤X射线传感器由于其可实现实时在线剂量测量的特点而引起了广泛的关注。实验中采用Gd2O2S︰Tb作为闪烁体材料，利用蒙特卡罗仿真方法计算了两种嵌入不同尺度闪烁材料的光纤X射线传感器所导致的剂量衰减。并探讨了射野大小、水深和闪烁体体积对剂量扰动的影响。结果表明：嵌入长7 mm,直径0.7 mm闪烁体的光纤X射线传感器在光纤后部表现出显著的剂量衰减，范围为深度5～10 mm。而嵌入长2 mm,直径0.4 mm闪烁体的光纤X射线传感器的剂量衰减被限制在光纤内部。光纤传感器的剂量衰减量与闪烁体的体积、射野大小和水深等因素有关，其中闪烁体的体积为主要影响因素。为了减少由于传感器带来的剂量衰减，在制作过程中应该限制嵌入光纤传感器内部的闪烁体体积

关键词：
光纤X射线传感器
剂量扰动
放疗
癌症
蒙特卡洛仿真
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癌症是世界范围内的关键健康问题之一，根据世界卫生组织国际癌症研究所发布的2020年全球癌症统计数据，2020年全球新增癌症病例1 930万例，死亡1 000万例，年发病率和死亡率持续上升[1]。因此，发展有效的癌症治疗方法是一个非常紧迫的事情[2～4]。放射治疗是利用电离辐射(例如X射线，γ射线)照射肿瘤，从而杀死或减少癌症细胞，来达到治疗癌症的目的。现阶段的癌症治疗中，大约50 %～60 %的癌症患者在治疗期间需要进行放疗[5,6]。

在放疗过程中，电离辐射可以杀死癌症细胞，但位于癌症细胞周围的健康组织和器官也不可避免地会受到损害。为了避免在放疗中出现医疗事故，安全、准确、有效地将辐射输送到肿瘤区域，减少对正常细胞的辐射损伤是一件很重要的事情[7]。近年来，立体定向放射治疗已成为治疗小肿瘤的标准程序[8～10]。在这种情况下，辐射剂量是通过使用高度控制的窄辐射束来输送的，从而准确的杀灭癌细胞。这就要求在放疗过程中能够实时监测患者特定部位的吸收剂量。

光纤X射线传感器由于其尺寸小、剂量线性度高、可实时监控、对电磁场不敏感等优点，是实现精准放疗的理想候选者[11,12]。目前，光纤X射线传感器根据其使用的探测材料可分为两种，一种是在探针中使用有机闪烁体的光纤X射线探测器[13],另一种是使用无机闪烁材料的光纤X射线传感器[11]。有机闪烁体光纤X射线探测器的主要优点是闪烁体材料是水等效的，这种类型的传感器可以最大限度地减少传感器对患者吸收剂量的影响，然而有机闪烁体通常只能产生较弱的光信号，这导致有机闪烁体光纤X射线传感器的信噪比较低[14]。相对而言无机闪烁体光纤X射线传感器具有较高的光信号输出和信噪比，但是其非水等效性则有可能对传感器后方的辐射场产生影响。

为了能够使光纤X射线传感器能够安全、准确、有效地应用在放射治疗中，研究无机闪烁体光纤X射线传感器产生的剂量影响是非常有必要的。本文将使用蒙特卡罗(Monte Carlo, MC)模拟工具包Geant4对两种结构的无机闪烁体光纤X射线传感器进行建模，研究它们在不同水深和射野下产生的剂量衰减情况。

1、仿真模型的建立

MC方法是一种使用随机数序列来模拟实际过程的统计方法。在放疗界，使用MC模拟求解输运方程，以数值方式计算剂量分布是一种精确有效的方法[15]。在本文的研究中，使用了MC仿真软件Geant4作为仿真工具。Geant4基于高能物理和医学物理领域的专业知识，开发了多个独立、互补的物理模型，涵盖了大多数粒子的相互作用[16～20]。

1.1射线源的设置

为了确保仿真能够准确地模拟现实中的实验结果，需要在Geant4中建立一个与现实相同的X射线源。由于应用在放疗中的医用直线加速器的型号有限，在大多数计算中，加速器的某些部分是重复的，例如靶、主准直器和均整器。因此，在仿真中使用先前获得验证的相空间(Phsp)文件就会大大减少仿真所消耗的时间。国际原子能机构(International Atomic Energy Agency, IAEA)提供了一个医用直线加速器相空间文件的公共数据库，该相空间文件中保存了某个确定机型的直线加速度产生的粒子的位置、方向、动能等信息。在本文中，使用了该数据库中机型为Varian IX的相空间文件作为X射线源[21]。该相空间文件记录了由一台Varian IX型医用直线加速器在源皮距(source-to-surface distance, SSD)为100 cm,加速电压为6 MV下产生的X射线的粒子数据。具体的文件如表1所示。

1.2水模体的构建

由于人体组织具有水等效性，所以在对剂量计进行校准和检验的时候，通常使用一个水模体来模拟人体环境，在本文的仿真中，构建了一个30 cm×30 cm×30 cm的水箱作为水模体，该水箱的填充材料为Geant4内置的液态水材料G4_WATER。

表1本文中所使用的相空间文件

1.3光纤X射线传感器的构建

光纤X射线传感器采用嵌入式结构，其原理如图1所示。当X射线照射到嵌入在光纤中的闪烁体材料后，闪烁体吸收X射线的能量并产生可见光，该可见光由光纤传导至后端的接收装置。在实际的实验中，所使用的光纤型号为SH4001,纤芯材料为PMMA,折射率分布类型为阶跃型；闪烁体材料为Gd2O2S︰Tb,它们主要的物理参数如表2所示。在本文的仿真中，构建了两种嵌入式光纤X射线传感器，一种是本文使用的嵌入长2 mm,闪烁体直径0.4 mm的光纤X射线传感器，一种是Alharbi课题组所使用的嵌入长7 mm,闪烁体直径0.7 mm的光纤X射线传感器[22]。

图1光纤X射线传感器的结构

表2闪烁体与光纤的参数设置

1.4仿真环境的搭建

本文主要研究的是在垂直方向上光纤X射线传感器对其后部空间产生的剂量衰减。因此在仿真中，设置了一系列7 mm长、2.2 mm宽、0.5 mm高的立方体来提取0～11 cm水深的剂量信息，图2为数据提取设置的示意。

图2数据提取示意

首先，提取在10 cm×10 cm的射野下，将闪烁体直径0.4 mm,嵌入长2 mm的光纤X射线传感器放置在水深为1,1.5,2,3,4,6,8,10 cm的情况下的百分深度剂量(percentage depth dose, PDD)曲线。接着，改为嵌入长7 mm,闪烁体直径0.7 mm光纤X射线传感器，提取该传感器放置在水深2,6,10 cm的情况下的深度剂量曲线。

在放疗过程中，针对不同大小的肿瘤，需要设置不同大小的射野来进行放疗，因此研究在不同射野下光纤X射线传感器带来的剂量衰减也是很有意义的。分别提取了1 cm×1 cm和10 cm×10 cm两种射野下，两种光纤X射线传感器放置在水深2 cm处的深度剂量曲线。

2、仿真结果

2.1 10 cm×10 cm射野下X射线传感器的剂量衰减

当射野大小固定为10 cm×10 cm时，使用7 mm×2.2 mm×0.5 mm的体素提取沿着水模体中心轴的剂量分布，结果如图3所示，图3(a)中光纤X射线传感器深度为1,1.5,2 cm;图3(b)中光纤X射线传感器深度为3,4,6 cm;图3(c)中光纤X射线传感器深度为8,10 cm。在放置了光纤X射线传感器的情况下，位于中心轴上的剂量在光纤X射线传感器的内部区域内快速增加，然后在光纤后部快速衰减，再逐渐恢复。与未放置光纤X射线传感器水模体的剂量分布相比，使用不同体积闪烁体的光纤X射线传感器在光纤的内部区域沉积了不同的剂量。7 mm光纤X射线传感器内部的沉积剂量增加了约8 %,而2 mm光纤X射线传感器增加了约2 %。

当光纤X射线传感器位于1～2 cm的深度时，在光纤的前部区域的剂量出现了轻微的上升现象，如图3(a)所示。然而，当光纤X射线传感器位于其他深度时，剂量上升现象并不明显，如图3(b)和图3(c)所示。

在光纤的后部区域，使用2个不同体积的闪烁体的光纤X射线传感器引起了不同的剂量扰动。在嵌入长7 mm、直径0.7 mm闪烁体的光纤X射线传感器的后部区域中，最大有6 %的剂量减少(图3(a))。然而，使用嵌入长2 mm、直径0.4 mm闪烁体的光纤X射线传感器不会对光纤后部区域的剂量造成显著的剂量衰减。

图3光纤X射线传感器不同深度的剂量衰减

2.2不同射野下光纤X射线传感器的剂量衰减

图4不同射野下的两种光纤X射线传感器的PDD曲线

相对而言，使用嵌入长2 mm、直径4 mm的光纤X射线传感器的剂量衰减仅限于光纤内部。当辐射场大小改变时，剂量扰动基本保持不变。结果表明，闪烁体的尺寸足够小，则放疗时可以忽略闪烁体对患者接收辐射剂量的影响。这意味着这种小尺度光纤辐射探针可以在放疗时放置于射野中患者的体表，实时探测患者接收的辐射剂量。

3、结论

本文使用MC仿真软件Geant4模拟了两种无机闪烁体光纤X射线传感器的剂量衰减。结果表明，光纤X射线传感器的剂量扰动受闪烁体体积、射野大小和深度的影响。在这些影响因素中，闪烁体的大小对光纤X射线传感器的剂量扰动影响最为明显。嵌入长2 mm、直径0.4 mm的光纤X射线传感器在其后部区域引起的剂量衰减可以忽略不计，而7 mm、直径0.7 mm的光纤X射线传感器的后部区域出现明显的剂量衰减。因此，在设计非水等效性无机闪烁体光纤X射线传感器时，应限制无机闪烁体的体积，以避免其产生的剂量扰动对后方剂量产生明显影响。

参考文献:

[3]闫宁,赵言正,闫维新.循环肿瘤细胞分离液路控制系统分析优化[J].传感器与微系统,2019,38(5):67-70.

[4]黎颖茵,孙浩,左兆瑞,等.定量分析癌抗原的谐振式无线生物传感器[J].传感器与微系统,2018,37(6):59-61.

[7]赵虎,宁文波,蒙亚杰,等.人体放疗辐射场检测系统研制[J].传感器与微系统,2023,42(12):99-102.

[12]陈宇,谢亮,金湘亮.X射线探测器数据采集与实时传输系统[J].传感器与微系统,2019,38(11):78-81.

文章来源:封勇,贺泊,杨浩杰,等.光纤X射线传感器剂量衰减的仿真研究[J].传感器与微系统,2024,43(09):19-22.