蒙特卡洛研究选择性滤光片对6 MV无平坦化滤光片光子束的剂量学和能量特性的影响

《Radiation Physics and Chemistry》：Monte Carlo study of selective filter impacts on dosimetric and energetic properties of 6 MV flattening filter-free photon beam

选择性过滤对6MV FFF光子束剂量特性的影响研究。通过GATE蒙特卡洛模拟，比较含/不含铝钨选择性过滤（SF_W/Al）的FFF束流，发现0.6-1.6mm厚度滤器使表面剂量分别降低3.7%-9.5%，同时提升 buildup区剂量率。能量谱优化达91%，能量 fluence提高48%，验证了该滤器在维持高能束质量前提下降低表面剂量的可行性。

　　

Ismail Lagrini|Mohamed Bencheikh|Ibrahim Maouhoubi|Abdellah Khallouqi|Hamza Sekkat|Omar Berradi

摩洛哥卡萨布兰卡哈桑二世大学Mohammedia科学与技术学院LSIB实验室，邮政信箱146，Mohammedia，28806

摘要

本研究旨在评估在6 MV无平坦化滤光片（FFF）光束配置中引入一种由钨-铝（W/Al）等量混合物制成的选择性滤光片（SF_W/Al）对剂量学和能量特性的影响。这些特性包括能量谱、能量注量、百分比深度剂量（PDDs）和表面剂量。本研究使用GATE蒙特卡洛（MC）模拟方法对Varian TrueBeam直线加速器（Linac）进行了建模，并计算了带有和平滑化滤光片（FF）的光束在水模中的剂量分布，水模的场尺寸为10 × 10 cm²，源到表面距离（SSD）为100 cm。通过将模拟结果与参考实验数据进行比较，验证了模拟的准确性：PDDs的一致性为99%，横向剖面的一致性为98%（依据2 %/2 mm的伽马指数标准）。不同厚度（0.2 mm、0.6 mm、1 mm、1.2 mm、1.4 mm和1.6 mm）的SF_(W/Al)使表面剂量显著降低（分别降低了2.0 %、3.7 %、7.0 %、7.2 %、8.6 %和9.5%），相应的接受率分别为99.33%、96%、93.4%、88%、75.5%和70.86%；同时，在能量积累区域的剂量也有所改善。此外，1 mm厚的滤光片使能量谱和能量注量分别提高了91%和48%，同时保持了高能量FFF光束（>1 MeV）的特性。研究结果表明，使用适当厚度的SF_(W/Al)可以有效降低表面剂量，同时保持治疗深度的质量，这种方法对于优化临床实践中的FFF光束具有前景。

引言

放射治疗（RT）仍然是最有效的癌症治疗方法之一，能够精确照射肿瘤的同时保护健康组织（Allen等人，2017；Rezzoug等人，2023；Son等人，2025）。直线加速器（Linacs）是实现这种精确性的核心，传统上依赖平坦化滤光片（FF）来获得均匀的光子注量。然而，最近的技术进步促进了无平坦化滤光片（FFF）光束在先进技术中的应用，如强度调制放射治疗（IMRT）和立体定向体放射治疗（SBRT），从而加快了剂量传递速度并简化了加速器设计（Parsai等人，2022；Potter等人，2020；Sangeetha和Sureka，2017）。

FFF技术提高了治疗效率，减少了头部散射以及场外的剂量和半影剂量（Bencheikh等人，2017a；Mohammed等人，2017；Pichandi等人，2014a）；此外，Spina和Chow的研究表明，去除平坦化滤光片可以显著增加深层剂量（Spina和Chow，2022），这突显了光束特性对剂量分布的综合影响。然而，由于二次电子和低能光子的污染，这也可能增加表面剂量（Assalmi和Diaf，2021；Chow和Owrangi，2016；Mohammed等人，2017；Sigamani等人，2016）。尽管之前的研究已经广泛探讨了轴向剂量特性，但针对FFF光束表面剂量优化的研究仍然有限。这一未充分探索的领域仍然是确保高效率和患者安全的关键挑战。

蒙特卡洛（MC）模拟是一种精确模拟直线加速器中光子相互作用和剂量学特性的强大方法（Aamri等人，2021；Lam等人，2024；Maulana等人，2023；Shende等人，2022）。本研究使用GATE（Geant4应用 for Tomographic Emission）软件，结合Varian的相位空间文件（PSF），对6 MV FF和FFF光束进行了建模。研究目的是评估引入选择性钨-铝滤光片[SF_(W/Al)对剂量学和能量特性的影响，评估其对表面剂量、深度剂量分布和能量谱的影响。目标是提出一种优化配置，以降低表面剂量，同时不牺牲光束质量或传递效率。

章节摘录

Varian相位空间文件

直接高效地模拟Varian TrueBeam直线加速器（Varian Medical Systems，加利福尼亚州帕洛阿尔托）需要精确的几何细节，这些细节因保密原因无法公开获取。对于使用MC方法的研究人员，Varian提供了符合IAEA标准的相位空间文件（PSF），这些文件是使用Geant4 V4.9.2.p01 MC代码生成的（M等人，2011）。这些文件是基于位于（X/Y）次级准直器上方的平面收集的数据创建的，包含了详细的

结果与讨论

本文的研究结果基于对6 MV TrueBeam直线加速器的MC模拟。模拟了两种光束模式：带有平坦化滤光片（FF）和无平坦化滤光片（FFF）。模拟时，源到表面距离（SSD）为100 cm，场尺寸为10 × 10 cm²。随后，通过将模拟结果与实测数据进行比较，验证了模拟的准确性和光束质量。

结论

本研究成功实现了其目标，即利用GATE蒙特卡洛模拟评估了选择性钨-铝滤光片[SF_(W/Al)对6 MV无平坦化滤光片（FFF）光束的剂量学和能量特性的影响。研究结果表明，引入1 mm厚的SF_(W/Al)可有效降低表面剂量约7.0%，并改善了能量积累区域，同时不损害光束质量或深度剂量特性，改善率为93.4%

CRediT作者贡献声明

Ismail Lagrini：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，软件，资源，方法论，数据整理。Mohamed Bencheikh：撰写 – 审稿与编辑，可视化，监督，数据整理。Ibrahim Maouhoubi：撰写 – 审稿与编辑，可视化，方法论，研究。Abdellah Khallouqi：撰写 – 审稿与编辑，可视化，方法论。Hamza Sekkat：撰写 – 审稿与编辑，可视化，方法论。Omar Berradi：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作为作者，我们感谢Varian Medical Systems提供Varian TrueBeam的相位空间数据，并允许我们研究其直线加速器技术并参与其未来发展。我们还要特别感谢Marwan HPC中心在复杂模拟计算中的支持，他们的贡献对完成这项研究至关重要。