基于能量谱重建蒙特卡洛模拟的术中放疗屏蔽盘背散射剂量计算研究

编辑推荐：针对术中电子放射治疗(IOERT)中不锈钢屏蔽盘引发的背散射剂量难题，波兰波兹南医科大学团队通过Geant4蒙特卡洛模拟结合EBT4胶片验证，首次量化6-12 MeV电子束在1 mm处产生17.5%-19.8%剂量增幅，为优化屏蔽设计提供精准计算工具，成果发表于《Scientific Reports》。

　　

在癌症治疗领域，术中电子放射治疗(IOERT)因其精准靶向和单次高剂量特性日益受到关注。然而当医生在乳腺癌手术中放置不锈钢屏蔽盘保护肺部时，一个意想不到的现象出现了——这些本应阻挡辐射的金属盘，竟像镜子反射光线一样束反向散射，导致靶区前沿组织接受额外剂量。这种被称为"电子背散射"的效应虽早有报道，但其精确量化却长期困扰临床，传统经验公式无法应对复杂几何下的剂量计算，而不准确的剂量预测可能导致纤维化等并发症。

针对这一临床痛点，波兰波兹南医科大学与大波兰癌症中心联合团队开发了基于能量谱重建的蒙特卡洛(MC)模拟方法。研究人员选择正在申请欧盟认证的AQURE移动加速器作为研究平台，该设备由波兰国家核研究中心研发，可产生6-12 MeV治疗电子束。通过独创的双退火算法结合Tikhonov正则化，团队首先重建了10 cm准直器下的电子能谱，并成功外推至6 cm准直器条件。为验证模型在非均质环境中的准确性，研究采用3D打印的水模体固定EBT4胶片，对比测量有无316L不锈钢屏蔽盘时的百分深度剂量(PDD)。

关键技术包括：1) 基于Geant4 v.11.01.p01构建的蒙特卡洛模拟体系，采用10¹⁰个原初电子保证统计精度；2) 通过双退火算法重建电子能谱作为输入源；3) 使用3D打印定位装置固定EBT4胶片进行验证测量，扫描分辨率达300 dpi；4) 采用2%/2 mm伽马分析标准评估模拟与实测数据一致性。

结果部分显示，蒙特卡洛模拟与胶片测量在无屏蔽盘场景下差异为1.2±0.5%(6 MeV)至1.2±0.6%(12 MeV)，而在含屏蔽盘的非均质条件下精度提升至0.5±0.4%(6 MeV)至0.7±0.5%(12 MeV)。伽马分析验证显示除屏蔽盘边缘因胶片切割误差外，其余区域均满足2%/2 mm标准。剂量对比揭示惊人发现：在R₉₀深度放置的7 cm直径屏蔽盘虽成功将后方剂量降至5%以下，却导致1 mm处剂量激增19.8%(6 MeV)、18.4%(9 MeV)和17.5%(12 MeV)，相当于最大剂量点(d_max)的107.5%-109.8%。

讨论部分强调，该研究首次系统量化了AQURE加速器下的背散射效应。虽然20%的剂量增幅低于临床10%的耐受阈值，但结合既往研究提出的原子序数(Z)相关性，团队建议在钢盘前增加生物相容性低Z材料层。值得注意的是，背散射剂量随能量升高而降低的现象，与Alhamada等报道的规律一致，验证了模型的物理合理性。

这项研究的意义在于：1) 建立了经EBT4验证的蒙特卡洛模型，可模拟任意几何下的IOERT剂量分布；2) 量化了临床常用不锈钢屏蔽盘的背散射效应，为剂量处方提供数据支持；3) 提出的双层屏蔽设计思路，为后续研究指明方向。正如通讯作者Tomasz Piotrowski指出，该模型将显著提升IOERT治疗规划精度，特别在乳腺癌等需要组织保护的场景中。未来研究可进一步探索不同材料组合的优化方案，推动IOERT技术向更安全、更精准的方向发展。