质子疗法是一种利用高能质子束将电离辐射输送至治疗区域的先进癌症治疗手段。质子束的强度、方向和形状均需要精准控制，以向肿瘤区域输送适当的剂量，同时最大程度地减少对周围健康组织的损伤。这篇博客，我们将演示如何使用 COMSOL Multiphysics® 软件模拟笔形束扫描喷嘴，用于将质子束精准地引入治疗区域。
质子疗法的优势
与其他形式的放射疗法相类似，质子疗法利用电离辐射破坏肿瘤细胞的 DNA 治疗癌症，这种辐射损伤会中断肿瘤细胞的繁殖，并最终消灭它们。在质子疗法中，电离辐射源是由粒子加速器产生的高能质子束。
使用质子束代替传统 X 射线的主要优势在于其明显的布拉格峰。通常情况下，后者的辐射剂量在浅层组织区域附近最大，并随组织深度单调递减，这意味着在治疗过程中，浅层和深层的健康组织也会受到次级照射。相反，质子会在停止前（即接近其最大穿透距离时）释放最大剂量，使浅层健康组织受到的剂量相对较小，而深层组织则完全不受影响。通过微调治疗计划中使用的质子束能量，医学物理专家可以确保质子束在肿瘤区域产生均匀的剂量，同时不伤害邻近的健康组织。
质子束和 X 射线束的剂量与穿透深度的关系，请注意质子束明显的布拉格峰。图片获 GNU Free Documentation License 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。
质子束的横向剖面也需要加以控制，以使其与肿瘤的形状相匹配，最常见的两种方法是被动散射和笔形束扫描（PBS）。被动散射法利用一个或多个散射箔片来分散质子束，使目标区域（也称为治疗场）接受几乎均匀的照射。相比之下，笔形束扫描或点扫描则是将治疗场划分为类似体素的子区域，并利用狭窄的“笔形”射束对每个子区域进行治疗。
质子束的控制
质子束的导向由笔形束扫描喷嘴系统控制。最简单的笔形束扫描喷嘴由两块垂直和水平排列的偶极磁铁组成，以产生均匀磁场，分别使质子束向水平和垂直方向偏转。通过控制驱动磁铁的电流，辐射技术人员可以调整磁场强度，从而控制质子束的偏转程度。
笔形束扫描系统的数值模拟源于人们对磁共振成像（MRI）实时监测治疗（也称为磁共振引导质子治疗）的关注日益浓厚。笔形束扫描喷嘴和 MRI 系统都利用了强磁场，因此必须透彻地了解这两个系统之间的电磁相互作用，以决定采用什么必要的干预措施，确保 MR 成像和质子束的质量。
笔形束扫描喷嘴的 3D 模型。
笔形束扫描仿真
这篇博客，我们只研究笔形束扫描系统。所研究的模型由四个分离的功能磁体（两个偶极子和两个四极子），一个射束孔径和一个代表治疗场的靶平面组成。
笔形束扫描喷嘴模型的一部分。磁体系统包括两个标有 Q1 和 Q2 的四极子、一个垂直扫描偶极子 (SV) 和一个水平扫描偶极子 (SH)。图中还显示了射束孔径和靶平面（治疗场的位置）。
四极子旨在塑造质子束剖面的形状，以确保质子束与上游加速器束线（未模拟）相匹配。线性磁场梯度的作用是使质子束在一个横向方向聚焦，并在另一个方向散焦，因此需要两个四极子。聚焦的强度由输入的四极子电流控制。
沿四极子 1 (Q1)横截面中心的磁场。注意中心附近的磁场箭头方向。Q1 磁场在垂直方向聚焦质子束，在水平方向散焦质子束。另一个四极子（Q2）旋转了 90 度，其行为与Q1相反。
两个四极子的下游是两个扫描偶极子。这些磁体在极子间隙内产生恒定均匀的磁场，使质子束偏转到所需的目标位置。水平/垂直偏转的大小由磁场强度决定，而磁场强度又由输入偶极子电流的控制。在模型中，用户可以指定治疗场中所需的 (x, y) 目标位置，并根据给定的束流能量近似计算出所需的线圈电流，通过直接调整线圈电流就可以更精准地控制质子束的目标位置。
左图和右图分别显示了垂直扫描偶极子（SV）和水平扫描偶极子（SH）的磁场。
两个扫描偶极子的下游是束孔径和靶中心，前者是 PBS 喷嘴物理结构中唯一需要模拟的部分。为能够清晰演示，模型中还省略了喷嘴物理结构的其他部分，但在综合研究中可将它们包括在内。
为了可视化质子束轨迹，使用了 带电粒子追踪 接口模拟。磁场分布被无缝集成到粒子追踪模拟中，以准确模拟质子束的轨迹。（请注意，为了演示简洁清晰，模型中忽略了散射。）质子束的动能通常在 MeV 范围内变化，也被作为模型参数考虑在内。
分别沿 yz 平面和 xz 平面的质子束轨迹图（红色）和磁通密度模图。
上图描述了质子束和磁场的配置，质子束在靶平面上的标称位置为 x = 12 cm 和 y = 8 cm。
动手尝试
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