MCNP5与EGSnrc比较计算125I种子源剂量参数

曹 振 阮锡超 孟贝蒂 石翠燕

1（中国原子能科学研究院 核数据测量与评价技术重点实验室 北京 102413）

2（原子高科股份有限公司 北京 102413）

近年来，用放射性核素发射的低能光子治疗肿瘤越来越普遍。例如将125I或103Pd等低能放射性核素制成种子源，治疗前列腺肿瘤、乳腺肿瘤和子宫肿瘤。与传统的外照射治疗肿瘤比较，短程植入性种子源具有把剂量沉积在肿瘤细胞中，而不伤害外围正常细胞的优势。

而种子源应用于临床前，必须确定种子源在组织中的剂量分布情况[1]。目前国内外主要使用MCNP计算种子源剂量参数，但MCNP处理低能光子的能力有限，得到结果与推荐值相差较大，不能很好地应用于临床。所以选择合适的蒙特卡罗软件计算种子源剂量参数，指导临床实践是亟待解决的问题。本文将采用两种蒙特卡罗软件(MCNP5[2]与EGSnrc[3])确定 6711型125I种子源剂量计算参数。通过比较计算结果，来确定最优的计算方案。

1 几何及材料组成

1.1 6711型125I种子源几何

6711型种子源为长4.5 mm、直径0.8 mm、厚度0.05 mm的钛包壳，包壳两端焊点用半球近似。内部以长为3 mm、直径为0.5 mm的银棒为载体，表面附着125I放射性物质。MCNP5模拟种子源几何可参考文献[4]，对于EGSnrc程序，使用DOSRZnrc代码模拟125I种子源，两端半球必须用圆片近似，其余均与MCNP5模拟几何相同(图1)。其中三个圆片厚度均为 0.1 mm，半径分别为 0.265 mm、0.346mm和0.387 mm。

图1 6711型125I种子源原理图Fig.1 Schematic of the 6711 model 125I source.

1.2 6711型125I种子源材料组成

使用的125I能量分布来自文献[5]，使用的材料成分来自文献[6]，其中银的密度为10.5 g·cm−3，钛的密度为4.54 g·cm−3，空气密度为 0.001205 g·cm−3，其中 C (0.000124)、N (0.755268)、O (0.231781)、Ar (0.012827)，括号内为质量份额。液态水的密度为 1 g·cm−3，其中 H (0.111898)、O (0.888102)。

2 蒙特卡罗模拟方法和剂量参数计算

2.1 蒙特卡罗模拟方法

MCNP5软件模拟，使用的光子反应截面为ENDF/B-VI Release 8中的mcnplib 04，模拟事件数为4×1010。用F5卡计算空气比释动能，用F6卡近似计算吸收剂量。MCNP5软件模拟计算的具体过程见文献[4]，本文具体介绍EGSnrc程序计算过程。

EGSnrc程序模拟事件数均为4×1010。首先，使用EGSnrc GUI平台生成EGSnrc程序能够直接使用的光子截面数据，其中设置AE=512 keV、AP=1 keV(AE包括电子静止质量，动能为1 keV)。然后设置模拟几何，使用FLURZnrc代码来计算光子通量，能量间隔为1 keV，再通过光子在空气中的质量能量转移系数[6]求得空气比释动能。使用 FLURZnrc代码平台，设置PCUT为1 keV、ECUT为1 MeV，使电子尽可能都沉积在反应位置，减小电子轫致辐射对源谱的影响，使空气比释动能计算结果更接近正确值，计算几何模型与下面DOSRZnrc中使用的模型相同，在离几何中心径向方向1 cm、2 cm、5 cm和10 cm处布置光子通量计算点。

使用DOSRZnrc代码平台计算吸收剂量，计算模型为半径30 cm、高60 cm的充满液态水的圆柱体，将种子源放入圆柱体中心（种子源中心轴与圆柱体中心轴重合）。吸收剂量计算点采用高1 mm、厚度1 mm的圆环区域近似，设置PCUT为1 keV、ECUT为512 keV。

2.2 剂量参数计算

根据AAPM TG-43U1推荐[5]，种子源剂量计算公式如下：

式中，L、g(r)和 F(r,q)即为所求剂量计算参数。L为剂量率常数，cGy·h−1·U−1；g(r)为径向剂量函数，无量纲；F(r,q)为各向异性函数，无量纲；G(r,q)为几何函数；(r0,q0)是代表在极坐标系中 r0=1 cm、q0=p/2参考点。

3 MCNP5与EGSnrc计算结果比较

3.1 剂量率常数L结果比较

MCNP5 计算结果为 0.959 cGy·h−1·cm2，EGSnrc计算结果为 0.945 cGy·h−1·cm2，与 AAPM TG-43U1中极相似6711(AH)种子源推荐值0.965cGy·h−1·cm2[5]比较，MCNP5结果相对偏差0.62%，而EGSnrc结果相对偏差 2.07%。两者计算结果均与推荐值符合较好，而EGSnrc相对偏差大于MCNP5，可能是由质量能量转移系数误差引起。

3.2 径向剂量函数g(r)结果比较

MCNP5与EGSnrc计算结果比较列于表1。由表1得到，MCNP5的结果与TG-43U1推荐值的相对偏差为0.15%−5.12%，而EGSnrc的结果与推荐值的相对偏差为0%−2.48%。表明MCNP5和EGSnrc程序计算结果和推荐值符合程度很高，而 EGSnrc计算结果更接近推荐值，证明 EGSnrc在低能光子计算方面更出色。

表1 径向剂量函数g(r)Table 1 Radial dose function g(r).

3.3 各向异性函数F(r,q)结果比较

MCNP5计算的具体结果可参考文献[4]，EGSnrc计算结果列于表2。

为了比较MCNP5与EGSnrc计算各向异性函数值情况，用AAPM TG-43U1推荐值作为标准，两者计算值与推荐值的相对偏差曲线见图 2，半径范围 r =1−4 cm。

从图2看出，MCNP5与EGSnrc的计算结果与推荐值的符合程度很高，并且随着角度增加，相对偏差减小。EGSnrc的相对偏差除了角度在20°−40°内稍大于MCNP5外，其余部分均小于MCNP5，几何上采用圆片近似半球可能是引起这种情况的原因[5]。

表2 各向异性函数F(r,q)Table 2 Anisotropy function F(r,q).

图2 相对偏差 (a) r = 1 cm，(b) r = 2 cm，(c) r = 3 cm，(d) r =4 cmFig.2 Relative deviation.(a) r = 1 cm, (b) r = 2 cm, (c) r = 3 cm, (d) r =4 cm

4 结语

使用两种蒙特卡罗软件MCNP5与EGSnrc计算6711型125I剂量计算参数，通过两者计算结果与TG43U1推荐值比较，两者的计算结果与推荐值符合程度很高，显示MCNP5与EGSnrc计算种子源剂量计算参数的正确性。同时看出，EGSnrc计算结果与推荐值符合程度更高，充分体现了 EGSnrc程序在处理低能光子方面的优势。

1 Nath R, Anddrson L L, Luxton G, et al.Dosimetry of interstitial brachytherapy sources: recommendations of AAPM radiation therapy committee task group No.43[J].Medical Physics, 1995, 22: 209−234

2 X-5 Monte Carlo Team.MCNP-a general Monte Carlo N-Particle transport code, Version 5, LA-UR-03-1987[R].USA: LANL, 2003

3 Rogers D W O, Kawrakow I, Seuntjens J P, et al.NRC User Codes for EGSnrc, Technical Report No.PIRS-702[R].National Research Council of Canada,Ottawa, Canada, 2006, http://www.irs.inms.nrc.ca/inms/irs/EGSnrc/EGSnrc.html.Last access on June 15, 2009

4 曹振, 李飒, 张文在, 等.6711型125I种子源剂量参数的蒙特卡罗研究[J].核技术, 2012, 35(5): 361−364 CAO Zhen, LI Sa, ZHANG Wenzai, et al.MC simulation of dosimetric characteristics of Model 6711125I seed source[J].Nuclear Techniques, 2012, 35(5): 361−364

5 Rivard M J, Coutsey B M, Dewerd L A, et al.Update of AAPM task group No.43 report: a revised AAPM protocol for brachytherapy dose calculations[J].Medical Physics, 2004, 31: 633−674

6 Hubbell J H, Seltzer S M.Tables of X-ray mass attenuation coefficients and mass energy-absorption coefficients from 1 keV to 20 MeV for elements Z=1 to 92 and48 additional substances of dosimetric interest,NISTER 5632[R].Japan: NIST, 2004