基于查找表的微剂量学在质子治疗计划系统中的整合：概念验证与临床应用前景

为解决质子治疗中相对生物有效性(RBE)恒定假设导致的生物剂量估算偏差问题，意大利国家核物理研究所团队开发了基于蒙特卡洛模拟的查找表(LUT)方法，将微剂量学参数yF、yD和y*整合至RayStation治疗计划系统。研究证实该方法在布拉格曲线全程(除远端20%跌落区外)与全模拟结果差异≤1 keV/μm，MKM模型预测RBE准确度达98.5%，为临床生物优化提供了可测量、可验证的新工具。

　　

在质子治疗领域，临床实践长期采用1.1的恒定相对生物有效性(RBE)假设，但大量证据表明RBE在布拉格峰远端可高达1.7。这种简化导致生物剂量估算偏差，可能影响治疗效果评估和正常组织并发症预测。更复杂的是，现行RBE模型多依赖经验参数，而作为替代指标的线性能量传递(LET)又无法直接测量，使得治疗计划系统(TPS)缺乏可靠的生物优化依据。

意大利国家核物理研究所团队在《Physica Medica》发表的研究中，创新性地将微剂量学(microdosimetry)这一可实验测量的辐射质量评价体系引入临床。研究人员通过Geant4蒙特卡洛模拟构建质子动能与微剂量学参数的查找表(LUT)，包含频率平均线性能量_yF、剂量平均线性能量_yD以及MKM模型关键参数y^*。该方法突破性地实现了TPS系统在不追踪次级电子的情况下，仅通过质子动能分布即可快速计算微剂量学参数。

关键技术包括：1) 采用Geant4模拟1 μm水球敏感体积(SV)内能量沉积；2) 基于Kiefer-Chattergee模型确定电子平衡距离；3) 在RayStation中建立动能分布与LUT的加权算法；4) 使用150 MeV单能质子束验证全模拟与LUT预测的一致性。

材料与方法
研究设计包含三个关键环节：首先建立包含4.9万条质子动能条目的LUT数据库，每个条目对应10⁷次初级粒子模拟；其次在Geant4和RayStation中构建相同的水模体实验装置；最后通过比较完整蒙特卡洛模拟与LUT预测值验证方法可靠性。特别设计的SV定位系统可同时记录粒子类型(Z_max)和动能分布，为分析差异来源提供依据。

结果

1. 质子查找表特征：LUT显示_yF在质子动能<65 keV时与_yD、y^*近似相等，而在>10 MeV时因核反应产物导致_yD显著增高；
2. 动能分布验证：RayStation与Geant4的质子动能分布在布拉格峰区域(153mm)基本吻合(FWHM差异1 MeV)，但在163mm深度Geant4检测到RayStation未记录的次级中子产生质子峰；
3. 微剂量学参数预测：LUT方法对_yF的预测在90%剂量区域内误差<0.5 keV/μm，对y^*的全程误差<0.7 keV/μm，仅在最远端因中子贡献出现3 keV/μm偏差。

讨论与结论
该研究首次实现了微剂量学参数与商业TPS的无缝整合，其核心突破在于：1) 将传统需要数天的蒙特卡洛模拟简化为秒级查询操作；2) 提供可实验验证的物理量(_yF等)替代不可测量的LET；3) 保持对1 μm敏感体积的亚微米精度。虽然远端跌落区的中子贡献仍需通过扩展LUT粒子类型来完善，但现有体系已满足临床主要需求。

这项技术为质子治疗带来三重变革：首先使基于MKM模型的RBE计算具备临床可操作性；其次为质量保证(QA)提供可实测的微剂量学标准；最终可能推动治疗计划直接以_yF等参数作为优化目标，实现真正的生物适形放疗。研究团队建议下一步工作应聚焦于敏感体积标准化和多中心验证，以加速该技术向临床转化。