基于蒙特卡罗模拟的临床前X射线微束放射治疗计划系统开发及剂量学特性研究

本研究针对微束放射治疗(MBRT)临床转化中存在的剂量学参数优化难题，开发了基于Topas和Fluka双平台的蒙特卡罗治疗计划系统(MCTPS)。研究人员通过系统比较钨/铅准直器与PMMA/空气间隔材料的组合方案，结合MDV3胶片验证，构建了可精确计算皮下胶质瘤小鼠PVDR(峰值谷值剂量比)和FWHM(半高全宽)的临床前MBRT规划平台，为空间分割放疗的生物学机制研究提供了重要工具。

　　

在肿瘤放射治疗领域，传统宽束照射虽能有效杀伤肿瘤，却不可避免地损伤周围正常组织。微束放射治疗(Microbeam Radiation Therapy, MBRT)通过将辐射束分割成亚毫米级的微束阵列，形成交替的高剂量峰和低剂量谷，展现出独特的"组织豁免效应"。然而这种新兴疗法面临三大挑战：准直器设计缺乏标准化、剂量学参数(如PVDR和FWHM)随深度变化的规律不明确、以及缺乏专门针对小动物的治疗计划系统。

意大利圣拉斐尔科学研究所(IRCCS San Raffaele Scientific Institute)的Stefano Pizzardi团队在《Scientific Reports》发表的研究，构建了首个集成Topas和Fluka双蒙特卡罗引擎的临床前MBRT计划系统。研究人员采用"模拟-实验-临床转化"的研究路径：首先通过2×2×2 cm³水模体模拟比较钨/铅准直器与PMMA/空气间隔的组合性能；接着用MDV3胶片验证剂量分布；最终将优化方案应用于皮下胶质瘤小鼠的CBCT影像导航治疗。关键技术包括：225 kV X射线能谱的SpekCalc建模、50 μm超高分辨率剂量计算网格、正交微束双次照射方案，以及基于HU值(亨氏单位)的CT影像材料赋值算法。

【Dosimetric analysis of MBRT collimators】

研究发现钨准直器与PMMA间隔的组合在0.5 mm缝宽时表现最优，初始PVDR达28(空气间隔)和24(PMMA)，在2 cm深度稳定在13左右。FWHM随深度仅增加5%，从0.49 mm增至0.55 mm，证明微束结构具有良好的穿透保持性。

【Comparison of experimental and simulated dose profiles】

MDV3胶片测量显示，蒙特卡罗模拟能准确预测微束剂量分布，峰值剂量43.0±0.1 Gy与谷值2.5±0.1 Gy的误差<5%。

【X-Rays minibeam MCTPS results】

在胶质瘤小鼠模型中，肿瘤区PVDR从表层的27降至深部的16，正交照射产生三类特征区域：峰-峰重叠区(最高剂量)、峰-谷交错区、谷-谷重叠区(最低剂量)。

这项研究突破了MBRT临床转化的关键技术瓶颈：开发的MCTPS系统可实现100 μm精度的剂量计算；证实钨-PMMA准直器在机械精度(±10 μm)和剂量学性能上的双重优势；首次发现谷区剂量对疗效的关键影响。这些成果为后续开展"FLASH-MBRT"等创新放疗模式奠定了基础，近期已有团队成功将该技术拓展至人体规模治疗。研究采用的"双蒙特卡罗验证+胶片剂量测定"方法学框架，也为其他空间分割放疗(如质子微束)的研究提供了范式参考。