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使用 GATE-RTion 对轻离子束治疗中阻止比的 3D 分布进行蒙特卡罗计算。

Monte Carlo computation of 3D distributions of stopping power ratios in light ion beam therapy using GATE-RTion.

机构信息

MedAustron Ion Therapy Center, Marie Curie-Straße 5, Wiener Neustadt, A-2700, Austria.

Medical Radiation Science, National Physical Laboratory, Teddington, TW11 0LW, UK.

出版信息

Med Phys. 2021 May;48(5):2580-2591. doi: 10.1002/mp.14726. Epub 2021 Mar 27.

DOI:10.1002/mp.14726
PMID:33465819
Abstract

PURPOSE

This paper presents a novel method for the calculation of three-dimensional (3D) Bragg-Gray water-to-detector stopping power ratio (s ) distributions for proton and carbon ion beams.

METHODS

Contrary to previously published fluence-based calculations of the stopping power ratio, the s calculation method used in this work is based on the specific way GATE/Geant4 scores the energy deposition. It only requires the use of the so-called DoseActor, as available in GATE, for the calculation of the s at any point of a 3D dose distribution. The simulations are performed using GATE-RTion v1.0, a dedicated GATE release that was validated for the clinical use in light ion beam therapy.

RESULTS

The Bragg-Gray water-to-air stopping power ratio (s ) was calculated for monoenergetic proton and carbon ion beams with the default stopping power data in GATE-RTion v1.0 and the new ICRU90 recommendation. The s differences between the use of the default and the ICRU90 configuration were 0.6% and 5.4% at the physical range (R - 80% dose level in the distal dose fall-off) for a 70 MeV proton beam and a 120 MeV/u carbon ion beam, respectively. For protons, the s results for lithium fluoride, silicon, gadolinium oxysulfide, and the active layer material of EBT2 (radiochromic film) were compared with the literature and a reasonable agreement was found. For a real patient treatment plan, the 3D distributions of s in proton beams were calculated.

CONCLUSIONS

Our method was validated by comparison with available literature data. Its equivalence with Bragg-Gray cavity theory was demonstrated mathematically. The capability of GATE-RTion v1.0 for the s calculation at any point of a 3D dose distribution for simple and complex proton and carbon ion plans was presented.

摘要

目的

本文提出了一种新的方法,用于计算质子和碳离子束的三维(3D)布拉格-格雷水-探测器阻止本领比(s)分布。

方法

与之前发表的基于注量的阻止本领比计算方法不同,本工作中使用的 s 计算方法基于 GATE/Geant4 记录能量沉积的特定方式。它只需要在 GATE 中使用所谓的 DoseActor,就可以在 3D 剂量分布的任何点计算 s。模拟使用 GATE-RTion v1.0 进行,这是一个专门的 GATE 版本,已在轻离子束治疗的临床应用中得到验证。

结果

使用 GATE-RTion v1.0 中的默认阻止本领数据和新的 ICRU90 建议,计算了单能质子和碳离子束的布拉格-格雷水-空气阻止本领比(s)。在物理射程(R-80%剂量水平在远侧剂量下降处),对于 70 MeV 质子束和 120 MeV/u 碳离子束,使用默认和 ICRU90 配置的 s 差异分别为 0.6%和 5.4%。对于质子,比较了氟化锂、硅、氧化钆硫和 EBT2(放射自显影胶片)的活性层材料的 s 结果与文献,发现具有合理的一致性。对于真实的患者治疗计划,计算了质子束中 s 的 3D 分布。

结论

我们的方法通过与现有文献数据的比较得到了验证。它的等效性与布拉格-格雷空腔理论在数学上得到了证明。展示了 GATE-RTion v1.0 在简单和复杂质子和碳离子计划的 3D 剂量分布的任何点计算 s 的能力。

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