利用硼酸锂进行质子束放射治疗肿瘤增敏技术研究

作     者：张楚晗 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陆景彬

授予年度：2023年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 08[工学] 

主      题：质子治疗 增敏剂 Bragg峰扩展 次级粒子 Geant4物理列表 DNA链损伤 

摘      要：当今癌症发病率逐年升高,而放射治疗作为癌症治疗的三大主要手段之一得到迅速发展。质子治疗作为放疗中前沿手段之一,由于其剂量分布存在Bragg峰使得质子治疗发展尤为迅速。Bragg峰的存在使得质子治疗肿瘤时路径上正常组织受到的剂量小于传统的X射线和电子线。但是仍会对患者造成放射损伤,特别是在高能质子治疗过程中,会产生质子总剂量的百分之一的光子和中子,这些次级的光子和中子会对正常组织造成危害,并且提高二次癌症的发生概率。肿瘤治疗时肿瘤区域的剂量是一定的,通过提高肿瘤区域Bragg峰的利用率即可降低正常组织的剂量。目前已经有利用纳米颗粒或者质子与B反应产生短射程的次级粒子增敏的研究。因此,为了提高质子治疗时肿瘤区域的能量沉积,同时降低质子治疗时产生的次级中子对人体造成的危害。本工作提出了一种新的增敏方式,利用Li和B的化合物硼酸锂(LiBO)与质子的核反应增强质子治疗肿瘤的效果,同时通过B俘获中子降低中子对正常组织的危害。包括的核反应有Li(p,n)Be,Li(p,α)He和B(p,α)Be,以及硼中子俘获反应B(n,α)Li。这些核反应产生的重的次级粒子,一方面提升了肿瘤区域能量沉积,造成了更多的DNA双链损伤。另一方面Be具有生物毒性,是GSK-3抑制剂,可抑制肿瘤生长。本工作使用蒙特卡洛软件Geant4研究,具体内容如下:1)构建符合需求的Geant4物理列表,验证新建物理列表的正确性,并讨论了不同物理列表的影响。2)确定单能质子束在水中Bragg峰的位置,用于匹配增敏剂吸收区的中心位置;模拟证实了Bragg峰区域的质子能量与质子发生核反应的最佳能量范围是重合的。3)为探究B的有效性,对比了25 mg/g的增敏剂锂和硼酸锂,增敏剂吸收区厚度改变,能量沉积的增加情况。4)通过Bortfeld公式对质子的Bragg峰进行扩展,并模拟了硼酸锂增敏剂对70 Me V质子Bragg峰扩展1 cm后能量沉积的增加情况。5)设置了头部模型结构,模拟了头部剂量分布和硼酸锂增敏剂的能量沉积增强情况。6)最后本工作为了更进一步研究能量增强导致的生物学效应,估算了α粒子造成的DNA损伤情况。通过模拟计算得出以下结果:1)新构建的Geant4物理列表满足基准测试,新建物理列表与Geant4中FTFP＿BERT和QGSP＿BIC＿ALLHP物理列表的Bragg峰位置几乎一致。2)获得了70-230 Me V(步长20 Me V)单能质子束的Bragg峰位置。本工作质子发生核反应截面最大时,所需的质子能量范围为1.5-7 Me V,与增敏剂吸收区位置匹配。3)在水中加入25 mg/g的锂或硼酸锂增敏剂,增敏剂吸收区厚度越小增敏效果越高,在0.1cm时锂和硼酸锂能量沉积增加效果最佳,分别为103.7%和104.4%,且加入B后确实能进一步提高增敏效果。4)Bortfeld公式对于70 Me V质子束的Bragg峰扩展效果更好,平坦度小于3%,满足临床需求。扩展Bragg峰后硼酸锂吸收区1cm时能量沉积的增强效果为108.3%。5)对头部模型肿瘤区域使用扩展Bragg峰质子模拟得到,硼酸锂可提高的能量沉积效果至106.8%。6)得到α粒子相比于质子治疗多造成的单链损伤多增加2%,双链损伤多增加5%。总的而言,无论是能量沉积还是DNA损伤情况,硼酸锂作为增敏剂对于质子治疗肿瘤都是有一定效果的。