安德森癌癥中心 質(zhì)子束逐漸減速時(shí)也消耗能量

海外醫(yī)療領(lǐng)域，為了降低束流傳輸?shù)膬r(jià)格，加速器引出并傳送到治療區(qū)的粒子束流對(duì)越小越好。束流到達(dá)患者體表前，先經(jīng)一個(gè)相當(dāng)于光子束直線(xiàn)加速器治療機(jī)頭的裝置，稱(chēng)為治療頭（nozzle）。在治療頭中，束流截面要擴(kuò)展到整個(gè)照射，和將能量延伸到計(jì)劃靶容積(PTV，planningtarget volume）的深度。目前主要采用兩種方法實(shí)施放療，即散射法（scattering）和掃描法(scanning），掃描法是指用偏轉(zhuǎn)磁鐵通過(guò)掃描來(lái)實(shí)施放療。

安德森癌癥中心轉(zhuǎn)診機(jī)構(gòu)愛(ài)諾美康介紹到，在“散射”或“被動(dòng)”技術(shù)系統(tǒng)中，必須安排好散射器和降能器。散射系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，并能使PTV獲得較均勻的劑量分布。理論上，掃描系統(tǒng)可以做得更好，但技術(shù)上更復(fù)雜。因此，雖然當(dāng)前散射法由于簡(jiǎn)單易行在治療應(yīng)用中占優(yōu)勢(shì)，但今后的趨勢(shì)仍然 掃描法。

我們將用非數(shù)學(xué)的定性法對(duì)散射法進(jìn)行介紹。散射系統(tǒng)可以直接用理論方法設(shè)計(jì)，基本很少再需測(cè)量修正，不需要反復(fù)試驗(yàn)或MonteCarlo模擬法。計(jì)算機(jī)程序?qū)υO(shè)計(jì)是有幫助的。讀者若希望進(jìn)一步了解，請(qǐng)向Gottschalk咨詢(xún)。基礎(chǔ)物理可以大致了解質(zhì)子，或帶電粒子如何與物質(zhì)進(jìn)行相互作用。停止質(zhì)子進(jìn)入人體組織或測(cè)量水箱后，速度逐漸變慢直至停止。20世紀(jì)30年代提出的BetheBloch原理，描述了這個(gè)減速和停止的過(guò)程，隨后又進(jìn)一步完善。此原理預(yù)測(cè)了帶電粒子減速率或能量損失與入射粒子類(lèi)型、能量和停止材料成分之間的函數(shù)關(guān)系。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，它能以1%?2%的精度估算出給定能量射線(xiàn)，在給定材料中的平均射程。例如160MeV的質(zhì)子束（其速度近似一半光速），在水中的平均射程約為17cn。但并非該質(zhì)子束中所有粒子都會(huì)在17cm處停止，因?yàn)檫@一停止的過(guò)程實(shí)際上，是電子經(jīng)過(guò)幾千次碰撞后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。所以任何一個(gè)給定能量的質(zhì)子束，其射程都有約1%的變動(dòng)范圍，我們稱(chēng)之為“射程離散（rangestrag-gling）”。安德森癌癥中心轉(zhuǎn)診機(jī)構(gòu)愛(ài)諾美康介紹到，質(zhì)子束逐漸減速的同時(shí)也逐漸消耗能量，在停止前其劑量表現(xiàn)為大值，形成Bragg峰，這是質(zhì)子束用于放射治療的一個(gè)重要的特性。當(dāng)入射質(zhì)子能量降低時(shí)，這個(gè)峰變得更陡，峰值與入口處的比值變得更高。

散射質(zhì)子束以完全相同的方向進(jìn)人測(cè)量水箱，但我們發(fā)現(xiàn)入射數(shù)厘米后，它們的方向會(huì)出現(xiàn)1°左右的輕微偏差。這是水原子核對(duì)粒子的幾千次微小靜電，偏轉(zhuǎn)所引起的角度分布擴(kuò)展，常稱(chēng)多次庫(kù)倫散射效應(yīng) (multipleCoulomb scattering，MCS）。這個(gè)公認(rèn)的理論，在1947年由Molifere提出，它用于計(jì)算多次散射角的特性與入射粒子類(lèi)型、能量和散射材料成分之間的函數(shù)關(guān)系。這個(gè)關(guān)系式在粒子，幾乎完全喪失能量時(shí)也適用，從實(shí)驗(yàn)上測(cè)試僅有百分之幾的誤差。

多次散射后的角度分布，是一個(gè)近似高斯分布，即統(tǒng)計(jì)學(xué)中熟知的鐘形曲線(xiàn)（bell-shaped curve）。Molifere理論能計(jì)算出任何一個(gè)給定情況下，高斯曲線(xiàn)的寬度，同時(shí)還能計(jì)算出在大散射角與高斯分布的較大離散程度。但因?yàn)橹挥猩贁?shù)質(zhì)子束會(huì)出現(xiàn)大散射角的情況，所以設(shè)計(jì)被動(dòng)散射系統(tǒng)時(shí)可以不予考慮。正如質(zhì)子束的停止過(guò)程一樣，其散射也隨著質(zhì)子速度減慢而增加，但必須通過(guò)另外一個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)質(zhì)子通過(guò)薄的材料時(shí)，散射大約與材料厚度的平方成正比，能量損失則與材料的厚度成正比。

高Z和低Z材料束流，在物質(zhì)中的停止作用是質(zhì)子，和物質(zhì)原子中的電子相互作用引起的，散射是質(zhì)子和物質(zhì)的原子核作用引起的，根據(jù)不同性質(zhì)的靶材料而異。相對(duì)而言，原子序數(shù)Z低的材料對(duì)減慢質(zhì)子速度更有效，而原子序數(shù)Z高的材料則能增加質(zhì)子的散射。如果希望增加散射，并要求能量損失小，要用像鉛那樣的高Z材料。相反，如果希望降低能量，減少散射，則要用像有機(jī)玻 璃或鈹那樣的低Z材料。

在一個(gè)二進(jìn)制降能器中高Z和低Z兩種材料結(jié)合一起，就能對(duì)能量損失和散射兩者加以控制。核反應(yīng)除停止和散射兩種物理現(xiàn)象外，質(zhì)子還能和物質(zhì)中的原子核頂頭碰撞，碰撞結(jié)果是產(chǎn)生一個(gè)激發(fā)的殘 剩原子核、二次質(zhì)子、中子和很少的重離子碎片如a粒子。安德森癌癥中心轉(zhuǎn)診機(jī)構(gòu)愛(ài)諾美康介紹到，這個(gè)過(guò)程不像停止和散射那樣簡(jiǎn)單，詳細(xì)描述是十分復(fù)雜的。160MeV質(zhì)子束在水中停止前，其中只有大約20%會(huì)發(fā)生一次核反應(yīng)。若與幾千個(gè)其他的相互作用比較，核反應(yīng)的幾率是很低的。