基于PHITS蒙特卡罗模拟的临床质子束扰动校正因子计算及其在精确放疗中的应用

本研究针对质子束治疗中电离室响应特性不确定性问题，采用PHITS蒙特卡罗代码系统计算了PTW 30013、NACP-02和PTW 31013电离室的fQ、PQ和kQ因子。研究发现PHITS模拟显著降低了fQ平均值的计算不确定性（最高降幅0.5%），首次建立了PTW 31013的kQ因子数据库，其PQ值最大偏离达1.7%。该研究为TRS-398 Rev.1指南提供了关键数据支持，推动了质子放疗剂量学的精准化发展。

　　

在精准医疗时代，质子束治疗因其独特的"布拉格峰"物理特性成为肿瘤放疗的利器。然而，这把"质子手术刀"的精确度却受制于一个关键环节——电离室剂量测量的准确性。就像用有误差的尺子测量精密零件，当前质子束绝对剂量测量面临严峻挑战：电离室在非理想条件下的响应特性尚未完全阐明，不同蒙特卡罗（MC）模拟工具间的核相互作用模型差异导致f_Q（水-空气剂量比）计算结果存在分歧，而TRS-398 Rev.1指南中的P_Q（扰动校正因子）数据仅来源于有限MC代码。这些"测量误差"可能最终影响1.5%的剂量精度——对追求亚毫米级精准的质子治疗而言，这相当于在微雕作品上出现了可见瑕疵。

日本藤田医科大学健康科学研究科的研究团队将目光投向了解决这一瓶颈问题。他们选择PHITS（Particle and Heavy Ion Transport code System）这一在日本原子能机构开发的MC模拟工具，对临床常用的PTW 30013（Farmer型）、PTW 31013（Semiflex型）和NACP-02（平行板型）电离室展开系统性研究。这项发表在《Techniques and Innovations in Gastrointestinal Endoscopy》的工作，犹如为质子剂量测量打造了一把"标准量具"。

研究采用多尺度模拟策略：通过Molière理论处理质子库仑散射，采用Liège 4.6核内级联模型描述核反应过程，在60-250 MeV能区设置10×10 cm²辐射场，精确计算各电离室敏感体积内的吸收剂量。为验证模型可靠性，团队首先通过Fano测试验证PHITS在质子束计算的准确性，随后建立包含PENH、FLUKA、Geant4等主流MC代码的交叉验证体系。

f_Q因子计算

研究发现PHITS计算的f_Q^PHITS与先前Baumann报道的f_Q^average高度吻合（偏差<0.1%），且将综合不确定度从0.6%降至0.5%。特别值得注意的是，对PTW 31013的首次系统研究显示：当质子能量<100 MeV时，其f_Q显著高于平面平行电离室（差值0.7%），这为TRS-398 Rev.1推荐在低能区使用平行板电离室提供了理论依据。

扰动校正因子分析

通过分层建模方法，研究揭示了电离室结构的"蝴蝶效应"：PTW 31013因其独特的0.82 g/cm³低密度石墨涂层，其P_wall（壁效应校正因子）比其他电离室低1.0%；而所有圆柱形电离室的P_cav×P_dis（空腔与位移校正因子乘积）在70 MeV时会产生1.022倍的显著校正。这些发现如同绘制出电离室响应的"误差地图"，为剂量修正提供精确坐标。

k_Q因子创新

研究最大突破在于建立了PTW 31013的k_Q数据库。数据显示当残余射程R_res<15 g/cm²时，计算值与TRS-398 Rev.1参考值偏差达2.3%，这一"剂量警报"提示现行指南在该能区的应用需谨慎。

这项研究如同在质子放疗领域树立了新的"计量标准"：通过PHITS的多代码验证体系，将f_Q计算不确定度压缩至0.5%；首次揭示PTW 31013在低能区的响应特性；为TRS-398指南的后续修订提供了关键实验证据。这些发现不仅填补了Semiflex电离室在质子束质控中的数据空白，更启示未来研究：需要建立覆盖SOBP（展宽布拉格峰）全照射野的校正因子体系，让这把"质子尺"的刻度更加精密可靠。正如研究者所言，当剂量误差每降低0.1%，就可能意味着更多肿瘤患者的正常组织得到毫米级的额外保护——这正是放射物理学家追求的极致精准。