电子束剂量计算算法的性能评估挑战：蒙特卡洛模拟与Gamma指数的临床验证

本研究针对放疗中电子束剂量计算的准确性难题，通过对比电子蒙特卡洛算法（eMC）与蒙特卡洛模拟（Geant4）的百分比深度剂量（PDD）曲线，结合Gamma指数（3%/3mm标准）验证，发现eMC在电子平衡区域存在剂量低估（最高达15.54%），而Geant4与实验数据吻合度达93.5%以上，为临床放疗精准计划提供关键算法优化依据。

　　

在癌症治疗领域，放射治疗如同一位“隐形外科医生”，通过高能粒子精准摧毁肿瘤组织。其中电子束因其独特的物理特性——能快速衰减并保护深层健康组织，成为浅表肿瘤治疗的利器。然而，这把“手术刀”的精准度高度依赖于剂量计算算法。当前临床广泛采用的电子蒙特卡洛算法（eMC）虽计算快捷，但其准确性始终笼罩在蒙特卡洛模拟这一“金标准”的阴影下。两者差异可能导致剂量偏差：在电子平衡区域差之毫厘，到患者体内便可能谬以千里。

为破解这一临床痛点，研究人员开展了一项关键研究。他们构建40×40×40 cm³
水模体，使用Eclipse 16.01.00治疗计划系统和CLINAC iX2直线加速器，对比分析6-20 MeV电子束下eMC算法与Geant4模拟的PDD曲线。Gamma指数分析采用3%剂量差异/3mm距离一致性标准，首次系统揭示eMC在关键剂量参数上的局限性。

方法学突破
研究团队创新性地采用多维度验证策略：①通过水模体实验获取基准PDD数据；②运用Geant4代码进行高精度蒙特卡洛模拟；③采用Gamma指数实现像素级剂量分布验证。这种“实验-模拟-定量分析”三位一体的方法，为算法评估树立新范式。

结果揭示
Comparison between PDD curves using Geant4, eMC algorithm and practical methods for an energy of 6 MeV
在6 MeV能量下，eMC对最大剂量深度（z_max
）的预测偏差达15.54%，而Geant4仅偏差12.16%。在1.4-3.85 cm治疗深度区间，eMC与实验数据突然偏离，这种“算法失明”现象提示其组织异质性修正存在缺陷。

Discussion
Geant4在9-12 MeV能量段实现100% Gamma通过率，全能量段平均通过率95.6%，显著优于eMC的89.3%。特别值得注意的是，eMC在20 MeV时对R₁₀₀
(最大剂量点深度)的预测误差达4.8%，这种高能区“放大效应”可能影响乳腺癌等深部肿瘤治疗。

Conclusion
研究最终证实：Geant4模拟的PDD曲线与实验数据平均差异<2%，而eMC在电子平衡区域的系统性低估可达5.2%。这一发现促使重新审视现行放疗质量控制体系——当eMC算法用于头颈部肿瘤等浅表治疗时，可能需要额外引入蒙特卡洛验证环节。

这项发表于《Radiography》的研究，如同给放疗剂量计算领域装上“高精度导航”。它不仅证实Geant4模拟的临床适用性，更开创性地提出“混合计算”策略：用eMC进行快速初算，以Geant4完成关键区域复核。这种“双算法护航”模式，有望将放疗剂量误差控制在1%阈值内，为精准肿瘤治疗树立新标杆。