基于Lévy模型的电子源在Elekta Infinity加速器中的应用：在均匀模体和肺等效模体中的调试与实验验证

《Radiation Physics and Chemistry》：Application of a Lévy-Based Electron Source Model for Elekta Infinity Accelerator: Commissioning and Experimental Validation in Homogeneous and Lung-Equivalent Phantoms

本研究提出基于改进的Lévy分布的电子束源模型，在BEAMnrc平台验证 Elekta Infinity加速器的剂量分布，通过水 phantom和肺等效 phantom测试，结果显示剂量分布与实验高度吻合（gamma指数通过率>95%），尤其准确模拟了剂量建成区和 penumbra特征，有效提升复杂组织中的剂量建模精度，为TPS校准提供新方法。

　　

雅西尔·埃尔·加齐（Yassir El Ghazi）|萨米尔·迪迪（Samir Didi）|卡里姆·巴胡斯（Karim Bahhous）|迪克拉·巴卡里（Dikra Bakari）|穆斯塔法·泽尔福伊（Mustapha Zerfaoui）|阿卜杜勒斯莱姆·里胡阿（Abdeslem Rrhioua）

摩洛哥乌季达穆罕默德第一大学（Mohammed First University）理学院物理系，粒子、建模与能量理论物理实验室（Laboratory of Theoretical Physics, Particles, Modelling and Energies），邮编60000

摘要

本研究提出了一种基于改进的Lévy能量分布的新型电子源模型，并在BEAMnrc蒙特卡洛（Monte Carlo）平台上实现了该模型，用于Elekta Infinity直线加速器。该模型通过更准确地捕捉初始电子能量谱的物理特性，尤其是剂量积累区和半影区的特性，解决了传统高斯分布的局限性。

该模型的验证分为两个阶段进行。首先，使用PTW BEAMSCAN水模体对模型进行了基准测试，测试能量范围为6至15 MeV，应用器尺寸分别为6x6、10×10、14×14和20×20 cm2。验证内容包括百分比深度剂量（PDD）曲线、侧向剖面以及1%/1 mm和2%/1 mm标准下的伽马指数（gamma-index）分析的比较。其次，通过在包含肺、组织和骨等效材料的定制模体中，将模型的剂量计算结果与Monaco治疗计划系统的电子蒙特卡洛（eMC）算法的结果进行比较，评估了模型在复杂异质条件下的性能。

结果表明，测量数据与模拟数据之间具有极好的一致性，大多数配置下的伽马通过率超过95%。改进的Lévy模型能够准确再现肺等效模体中高密度结构引起的剂量扰动，证明了其模拟复杂组织异质性的能力。

这项工作表明，改进的Lévy分布提高了电子束建模的准确性，为基于蒙特卡洛的治疗计划系统（TPS）的调试和剂量学研究提供了一种可靠的替代方案，尤其是在解剖结构复杂的病例中。

引言

提高电子束放疗的剂量学精度在很大程度上取决于治疗计划系统（TPS）和蒙特卡洛（MC）模拟代码中对入射电子源的建模质量和精度。传统模型通常依赖对称的高斯分布来表示加速器发出的电子能量谱。尽管这些方法被广泛使用，但它们往往无法准确再现电子束的物理特性，尤其是在剂量积累区和侧向半影区等关键区域。

在这种情况下，蒙特卡洛方法作为剂量学建模的参考方法，因为它能够详细模拟粒子与组织和解剖结构的相互作用[3]。具体来说，基于EGSnrc平台的BEAMnrc和DOSXYZnrc已成为模拟直线加速器头部的标准工具[4]。然而，这些模型的整体精度仍然依赖于对电子源能量谱的初始表示。特别是初始电子束参数（如平均能量和径向强度分布）对吸收剂量分布有显著影响[5]。尽管大多数研究建议使用高斯分布[6]，但Julius等人[7]最近报告称，在使用2%/2 mm伽马指数标准对6 MV光子束进行基准测试时，剂量积累区存在高达5%的差异，半影区的伽马通过率高达78%。

为了克服传统模型的局限性，本研究引入了一种基于改进Lévy分布的新型电子源模型来描述初始电子束能量谱。Lévy分布属于重尾分布家族，能够更好地捕捉物理分布中的不对称性和极端偏差[8][9]。因此，我们提出了这种分布的改进和对称化版本，其统计特性经过调整以符合临床剂量学标准。

Sachse等人[10]和van Eeden等人[11]已经证明了Lévy型分布用于Elekta Synergy直线加速器建模的有效性。然而，对于更现代的Elekta Infinity平台，尚未进行全面的验证。本研究通过对加速器头部的详细蒙特卡洛建模，并与在均匀水模体和异质肺等效模体中获得的实验数据进行系统比较，提供了对该方法的全面验证。本研究特别关注了由改进的Lévy分布产生的非对称初始能量谱对关键束特性的影响，如焦点尺寸和粒子通量，这是当前指南中很少涉及的方面。模型性能通过百分比深度剂量（PDD）、侧向剖面（半影区、平坦度、对称性）和相对输出因子进行了定量评估，并分别使用1%/1 mm和2%/2 mm的标准进行了伽马指数分析，以评估均匀和异质介质的情况。

模型部分

加速器头部的建模

Infinity直线加速器的MC模型的开发基于制造商提供的规格。包括其几何形状、材料属性和定位在内的所有组件都得到了精确再现，以创建与实际实验相同的条件。直线加速器（Linac）头部的各个组件使用BEAMnrc进行了精确建模。最初，使用CONESTAK类定义了电子出射窗口和散射箔片（主要散射箔片等）。

统计结果

所有剂量结果的统计不确定性均低于1%。对于百分比深度剂量（Percentage Depth Dose），最大统计不确定性为0.022%，这发生在剂量小于最大剂量2%的实际范围内。由于剂量从下降区过渡到轫致辐射污染尾部的区域，该值较高，在此区域电子通量达到最小值。

结论

本研究报道了基于Lévy分布的电子源模型的开发、实现和全面验证，适用于Elekta Infinity直线加速器。我们的发现与Sachse等人和van Eeden等人关于Elekta Synergy平台的研究结果高度一致。这种在不同临床平台上的结果一致性证明了Lévy分布作为传统高斯基方法的稳健替代方案的有效性。

作者贡献声明

雅西尔·埃尔·加齐（Yassir EL GHAZI）：撰写初稿、验证、软件开发、方法论设计、数据整理、概念构建。 萨米尔·迪迪（Samir Didi）：撰写、审稿与编辑、资源协调、方法论指导。 卡里姆·巴胡斯（Karim Bahhous）：撰写、审稿与编辑、资源协调、方法论指导、形式分析。 迪克拉·巴卡里（Dikra Bakari）：撰写、审稿与编辑。 穆斯塔法·泽尔福伊（Mustapha Zerfaoui）：撰写、审稿与编辑。 阿卜杜勒斯莱姆·里胡阿（Abdeslem Rrhioua）：撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。