提升癌症放疗剂量精度：基于Varian医用直线加速器的6/12兆伏光子束Gamma指数验证与蒙特卡洛模拟研究

这篇综述系统评估了GAMOS与GATE两种蒙特卡洛（MC）模拟代码在Varian直线加速器6/12 MV光子束放疗中的剂量学精度，通过Gamma指数（GI）验证和百分比深度剂量（PDD）分析，证实两种代码在3%/3mm标准下通过率>94%，为临床放疗计划系统（TPS）优化提供了高精度模拟工具。

　　

1 Introduction

放射治疗作为癌症治疗的核心手段，其剂量投递精度直接决定肿瘤控制率与周围健康组织保护效果。研究采用基于Geant4工具包的GAMOS和GATE蒙特卡洛（MC）模拟代码，对Varian医用直线加速器产生的6/12兆伏（MV）光子束进行剂量学验证。通过Gamma指数（γ）这一结合剂量差异（DD）与距离一致性（DTA）的多维评估工具，在3%/3mm标准下建立剂量分布验证框架。

2 PDD in radiation therapy

百分比深度剂量（PDD）曲线揭示了光子束在体模中的衰减规律：6 MV光束最大剂量深度（d_max）为1.4 cm，12 MV达2.5 cm。研究显示，12 MV光束在10 cm深度仍保持79.0-81.7%的剂量率，显著高于6 MV光束的71.4-74.1%，证实高能光束对深部肿瘤的治疗优势。剂量建成区、d_max位置及尾部衰减特征的精确模拟，为临床选择光束能量提供关键依据。

3 Dose profile in radiation therapy

剂量剖面分析聚焦平坦度（106.8%）、对称性（≈100%）和半影（5-8.4 mm）三大参数。场尺寸增大导致半影增宽（如40×40 cm²场较5×5 cm²增加1.5 mm），而12 MV光束因散射增强呈现更宽半影。公式推导显示，几何半影（P_G）与源-表面距离（SSD）呈正相关，直接影响靶区边缘剂量梯度。

4 GATE code

基于GEANT4的GATE工具包通过模块化设计实现直线加速器（Linac）动态模拟。其时间步进算法精确建模多叶准直器（MLC）运动，结合CT体模实现三维剂量分布计算。在6 MV光子束验证中，GATE对楔形滤板因子模拟误差<±0.007，证实其对复杂几何散射的捕捉能力。

5 GAMOS code

GAMOS凭借插件式架构和ROOT动态加载技术，无需C++编译即可构建放疗场景。在10×10 cm²场尺寸下，其PDD模拟结果与实验数据偏差<0.5%，验证了该代码在异质组织剂量计算中的可靠性。

6 Varian Medical linear accelerator (Linac)

Varian直线加速器的关键组件——从电子枪、波导加速器到平整滤过器——被逐项建模。相空间数据在90 cm处采集，为MC模拟提供初始粒子参数。图示显示电离室剂量反馈机制如何确保治疗精度误差<1%。

7 Gamma Index analysis

Gamma指数测试显示，GAMOS与GATE在6 MV光束20×20 cm²场中的通过率分别达96.2%和95.8%。剂量梯度区域γ值>1的异常点（2.5%）主要源于组织界面散射差异，但仍满足临床可接受标准。

11 Results and discussion

体模输出因子（S_cp）模拟显示，40×40 cm²大场的散射贡献使输出因子升至1.22。头散射因子（S_c）分析揭示12 MV光束在10×10 cm²场的散射增强效应较6 MV高3.5%。楔形滤板因子随场增大而升高（6 MV从0.686增至0.740），反映物理楔的剂量梯度调制能力。

12 Conclusion

研究证实GAMOS与GATE代码可精准模拟Varian加速器6/12 MV光子束的PDD、剖面特性及散射效应，Gamma指数验证通过率>94%。该成果为临床实现亚毫米级剂量控制提供可靠工具，特别适用于调强放疗（IMRT）等精准治疗方案的优化设计。