碳离子治疗计划中基于改进微剂量动力学模型的MATRad扩展：与蒙特卡洛计算的对比研究

作者及发表信息

本研究由Euntaek Yoon（首尔国立大学生物工程跨学科项目）、Jung-in Kim、Jong Min Park、Chang Heon Choi（均来自首尔国立大学医院生物医学研究所及放射肿瘤科）和Seongmoon Jung（首尔国立大学医学研究中心放射医学研究所）共同完成，发表于医学物理领域期刊《Medical Physics》2023年第50卷，文章DOI为10.1002/mp.16449。研究得到韩国国家研究基金会（NRF）的资助。

学术背景

碳离子治疗因其布拉格峰（Bragg Peak）的物理特性和高相对生物学效能（Relative Biological Effectiveness, RBE），在肿瘤放射治疗中展现出显著优势。然而，治疗计划系统（Treatment Planning System, TPS）的准确性依赖于RBE模型的可靠性。目前，碳离子治疗中常用的RBE模型包括局部效应模型（Local Effect Model, LEM）和微剂量动力学模型（Microdosimetric Kinetic Model, MKM）。MATRad作为开源的MATLAB-based研究型TPS，此前仅支持LEM模型，限制了其在MKM主导的临床研究中的应用。

本研究旨在扩展MATRad的功能，集成改进的MKM模型，并通过与TOPAS（基于Geant4的蒙特卡洛模拟工具）的自动化对比验证其剂量计算准确性。研究目标包括：
1. 开发基于TOPAS的碳离子束流模型，生成双高斯拟合的横向分布参数；
2. 构建原子序数1-6的粒子特异性能量表，用于MKM的RBE加权剂量计算；
3. 实现MATRad与TOPAS的自动化数据交互，支持从计划优化到蒙特卡洛验证的全流程。

研究流程与方法

1. 碳离子束流建模

研究者利用TOPAS模拟100–430 MeV/u能量范围的碳离子束在10×10×35 cm³水模体中的深度剂量分布（IDDs）和横向点分布。通过双高斯函数拟合横向分布（公式1），解决了传统单高斯模型在束流晕区（halo region）的偏差问题。束流初始参数设置为能量展宽0.1%、初始点尺寸标准差5 mm，电磁相互作用模型选用G4EmStandard_Option3，强子相互作用模型为QGSP_BIC。

创新点：双高斯参数化（公式1-2）显著提升了束流尾部剂量的模拟精度，尤其适用于碳离子的碎片贡献（图4）。

2. MKM基础数据生成

MKM的核心是计算饱和校正剂量平均特异性能量（( z^_{1d} )），其依赖于粒子径迹结构（Kiefer-Chatterjee模型）和ICRU 90+73报告的阻止本领数据。研究者构建了原子序数1-6粒子的( z^{1d} )能量表（图6a），并通过TOPAS模拟获取深度积分特异性能量（IDS）数据。临床应用中，MKM引入经验因子( f{clin}=2.39 )以匹配日本放射医学综合研究所（NIRS）的临床数据。

关键步骤：
- 通过公式4-6计算( z^_{1d} )，考虑细胞核（( r_n )）和微域（( r_d )）半径的几何效应；
- 混合束流场中，宏观特异性能量（( z^_{1dmix} )）通过剂量加权平均法（公式7）计算。

3. 治疗计划与蒙特卡洛验证

MATRad基于CT图像生成相对阻止本领（RSP）图，通过笔形束算法（Pencil Beam Algorithm, PBA）优化束流权重。优化后的计划参数自动转换为TOPAS输入文件，进行蒙特卡洛剂量重计算。对比分析涵盖三种几何场景：
1. 均质水模体：针对30×30×30/60/90 mm³靶区，RBE加权剂量差异<1.8%；
2. 非均质模体（含骨、肌肉、肺组织层）：远端剂量跌落区（R80）位置差异0.6%（1.1 mm），靶区剂量差异4.0%（图8）；
3. 肝癌患者案例：靶区剂量体积直方图（DVH）参数差异<2.7%，R80差异0.7%（1.2 mm）（图9）。

技术亮点：
- 开发了开源工具链（GitHub公开），支持从MKM参数化到蒙特卡洛验证的全流程；
- 首次在MATRad中实现MKM与LEM的双模型兼容性。

主要结果与逻辑关联

1. 束流模型验证：双高斯拟合在80 MeV/u和430 MeV/u碳束的横向分布中均表现出色（图4），尤其在高离轴距离区域（>10 mm）优于单高斯模型。
   
2. MKM参数表一致性：与文献数据相比，( z^*_{1d} )表的平均相对差异为1.1±3.0%（图6a），验证了基础数据的可靠性。
   
3. 剂量计算准确性：
   
   • 均质模体中，靶区RBE剂量与蒙特卡洛结果高度一致（表2）；
     
   • 非均质模体的剂量差异主要源于PBA未考虑碎片散射和核相互作用，导致尾部RBE低估（图8c）；
     
   • 患者案例中，高Z物质（如造影剂）区域的剂量差异凸显了组织异质性校正的重要性（图9c）。
     

结论与价值

本研究成功将改进的MKM集成至MATRad，并通过TOPAS蒙特卡洛验证了其剂量计算精度。科学价值体现在：
1. 为碳离子治疗研究提供了开源工具，填补了LEM与MKM模型在开源TPS中的空白；
2. 通过自动化流程降低了蒙特卡洛验证的技术门槛，支持快速临床前研究。
应用价值包括：
- 教育机构可利用该工具进行碳离子治疗教学；
- 研究机构可基于本地束流模型开展个性化治疗计划开发。

研究亮点

1. 方法创新：首次在MATRad中实现双高斯束流模型与MKM的耦合，提升了碳离子剂量计算的物理和生物学精度。
   
2. 技术开源：公开代码和数据（GitHub），促进学术合作与临床转化。
   
3. 多场景验证：从均质模体到真实患者CT，系统性评估了TPS在复杂几何中的性能。
   

其他价值

研究还揭示了PBA在非均质组织中的局限性，为未来开发考虑碎片散射的改进算法提供了方向。例如，通过半经验校正因子优化IDS数据，可能进一步提升高Z材料区域的剂量预测准确性。