用于验证 BNCT 源项和治疗计划系统的异质头部体模中三维中子通量表征

《Radiation Physics and Chemistry》：3D neutron flux characterization in a heterogeneous head phantom for validating BNCT source terms and treatment planning systems

　　**摘要**- 建立了一个对比测量数据、蒙特卡罗模拟和治疗计划系统的三方比较框架。- 嵌入35根裸金线和铊覆盖金线以获取三维中子分布。- 验证了源项和治疗计划系统，主要空间偏差均在10%以内。**引言**硼中子俘获治疗（BNCT）是一种二元治疗模式，其中定位于肿瘤的1?B俘获低能热中子，产生短程、高线性能量传递（高LET）的α粒子和?Li核，从而在摧毁肿瘤的同时最大程度地减少对周围健康组织的损伤。近年来，紧凑型加速器中子源技术的进步正在将BNCT从核研究反应堆转向医院临床环境（Capoulat等人，2024；Donya等人，2025）。这种转化性转变突显了在临床相关辐照配置下，各机构之间实现可重复束流特征表征、治疗计划系统（TPS）调试以及严格质量保证协议的必要性（Komori等人，2024）。由于BNCT涉及本质上复杂的混合辐射场，蒙特卡罗模拟对于准确模拟硼、氮、氢和光子剂量的空间变化在治疗计划中不可或缺。这些剂量组分受到中子能量、穿透深度、患者几何形状和元素组织组成的强烈影响（Green等人，2024；Wang等人，2025b）。因此，模拟剂量分布的准确性既取决于初级源项定义的恰当性，也取决于在非均匀解剖模型中输运建模的保真度。为了将源相关的不确定性与TPS建模误差解耦，利用具有已知几何形状和组成的体模进行实验验证至关重要。金（Au）箔活化是一种优秀的基准测试方法，因为在蒙特卡罗框架内，所测得的1??Au(n,γ)1??Au反应率可以与体模内的中子特性可靠地关联。虽然裸金箔主要对热中子区域敏感来表征中子通量，但使用镉（Cd）覆盖层可有效抑制热中子的贡献，并提高对超热中子的相对灵敏度（IAEA，1987；Hsu等人，2004）。尽管均匀水或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）体模提供了高度可重复的参考条件，但它们无法捕捉由真实的皮肤、颅骨、脑、空气腔和肿瘤结构引起的复杂中子慢化和衰减梯度（Moran等人，1992；Sepp?l?等人，1999）。此外，大多数BNCT体模测量主要集中于固定点、中心轴深度或简化的二维轮廓（Harling等人，1995；Kumada等人，2020；Hu等人，2021）。因此，在文献中，能够同时映射束流核心、半影和异质界面的全面、多方向、多探测器实验数据集仍然相对匮乏。为了缩小这一研究空白，我们先前开发了一种圆柱形异质头部体模，该体模结合了PMMA皮肤和脑替代物、磷酸钙骨/颅骨替代物、内部空气腔以及硼化的肿瘤体积（Wang等人，2025a）。我们的初步评估使用沿单一中心轴路径的裸金线来评估这些连续材料界面之间中子诱发反应率的深度依赖性变化。为了实现体模内能量分辨的三维（3D）中子通量表征，本研究通过部署裸金线和铊覆盖金线阵列，显著扩展了我们先前的工作。这些金线分布在沿三个正交轴的五个战略性路径上，在同一辐照条件下同时获取中心和非轴轮廓。此外，所测得的反应率与两种计算模型进行了基准比较：采用解析几何描述的蒙特卡罗模拟和基于计算机断层扫描（CT）体素的治疗计划系统预测——两者共享相同的源项定义和粒子输运核。这一三方比较框架旨在表征三维中子通量，通过计算与测量（C/M）比值评估源项，并通过计算间比较和C/M指标评估TPS性能。最终，所得的多探测器、多维实验数据集可作为临床BNCT剂量质量保证和机构间比较的稳健实用基准。**章节摘要****体模与实验装置**本研究使用的圆柱形异质头部体模外径为18厘米，总高度为20厘米。如图1(a)所示，解剖结构使用PMMA模拟皮肤和脑区域，使用填充的磷酸钙Ca?(PO?)?粉末模拟颅骨，使用内部空气腔代表鼻旁窦，并使用含有75 ppm 1?B的硼酸溶液代表局部肿瘤体积。详细的元素组成和质量……**结果与讨论**图2、图3、图4、图5、图6展示了沿五条指定空间路径上测量和计算的1??Au(n,γ)1??Au反应率的直接比较，这些路径涵盖Z轴和X轴的中心和非轴轮廓，以及单个Y轴轮廓，每条路径均包含裸金线和铊覆盖金线。每张图采用相同的布局：上方面板展示了沿路径的不均匀材料边界和探测器位置；中间……**结论**针对复发性头颈部癌症和脑肿瘤的临床BNCT需要实验验证TPS预测的剂量分布，特别是在模拟复杂人体解剖的异质介质中。为此，我们开发了一种配备裸金线和铊覆盖金线的异质头部体模，以映射三维中子通量。与传统的均匀体模不同，本文提出的头部体模具有明确定义的区域，模拟了不同的中子输运特性……**CRediT作者贡献声明****Kah-Yeen Lim：** 初稿撰写、调查研究、形式化分析。**Yi-Lian Wang：** 方法论。**Wei-Lin Chen：** 方法论。**Rong-Jiun Sheu：** 审稿与编辑、监督、项目管理。**利益冲突声明**作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响到本文所报告的工作。