质子治疗中金属植入物瞬发伽马能谱分析的实验与模拟研究：铝、钛、银标记物的范围验证新策略

本研究针对质子治疗中范围验证的临床需求，创新性地利用铝、钛、银等金属植入物的瞬发伽马（PG）能谱特征，通过高纯锗（HPGe）探测器结合GATE/GEANT4蒙特卡洛模拟（BIC/INCL++模型），首次系统验证了金属PG信号与布拉格峰区域的深度相关性。研究发现银的633 keV峰具有最优信噪比，为无复杂准直系统的高精度质子范围监测提供了新方案。

　　

质子治疗的精准性困境与金属标记物的曙光
质子治疗凭借布拉格峰（Bragg peak）的独特剂量分布特性，成为肿瘤放射治疗的重要选择。然而，其陡峭的剂量跌落特性如同一把双刃剑——毫米级的范围误差可能导致靶区欠照或正常组织过量照射。传统基于¹²C和¹⁶O的PG监测方法面临组织异质性干扰，而延迟伽马成像存在时间滞后缺陷。如何实现实时、精准的范围验证？长庚纪念医院的研究团队将目光投向临床常用的金属植入物，这些材料在质子轰击下产生的特征PG信号或将成为破解精度难题的钥匙。

技术方法精要
研究团队在5号束流线搭建实验平台，采用高密度聚乙烯（HDPE）体模嵌入铝、钛、银片模拟植入场景，以180 MeV质子束照射并通过HPGe探测器捕获PG能谱。同步采用GATE/GEANT4进行蒙特卡洛模拟，对比分析二元核级联（BIC）和INCL++两种强子模型。质子实际范围通过多层电离室（MLIC）Zebra设备验证，确保实验与模拟的剂量学一致性。

金属PG的特征指纹图谱
在"Experimental set up"部分，研究首次系统报道了三种金属的PG特征峰：铝的416/1368 keV、钛的983/1312 keV以及银的633/875 keV。其中银的633 keV峰信噪比（SNR）达9.8，显著优于其他能量峰。深度剖面分析显示，所有金属的PG产额曲线均能清晰反映布拉格峰位置，但钛在889 keV和1312 keV通道存在1-4 mm的远端跌落差异。

模拟与实验的共舞
"Benchmarking of the Monte Carlo simulations"揭示，BIC与INCL++模型对PG深度分布的预测差异小于2%。特别在银和铝的数据中，模拟与实验的伽马产额曲线决定系数R²>0.95。这种高度一致性证实了蒙特卡洛方法在金属PG模拟中的可靠性，为后续临床转化奠定理论基础。

从实验室到治疗室的跨越
"Metallic markers for PG-based range verification"指出，现有PG成像系统多针对2-7 MeV伽马设计，而金属特征峰集中在0.4-1.8 MeV区间。研究证明无需复杂准直，仅凭HPGe能谱分析即可实现亚厘米级范围验证。这种"能谱指纹"策略尤其适用于含金属植入物的乳腺癌或骨肿瘤患者，可同步实现范围监测和金属位移预警。

结论与行业变革潜力
该研究首次实验验证了金属PG用于质子范围验证的可行性，建立了铝/钛/银的能谱数据库。银标记物凭借优异的SNR特性成为首选，其633 keV峰检测效率达1.2×10^-4 counts/proton。这种方案既解决了传统PG成像的成本瓶颈，又规避了PET验证的时间延迟问题。随着紧凑型HPGe探测器的发展，未来或可开发出集成于治疗头的实时监测模块，推动质子治疗进入"金属标记导航"的新时代。论文成果发表于《Radiation Physics and Chemistry》，为精准放射治疗提供了创新性技术路径。