利用平行磁场提高MRI引导放疗中电子束的适形性：一项蒙特卡洛分析

《Radiological Physics and Technology》：Enhancement of electron beam conformity in MRI-guided radiotherapy with parallel magnetic fields: a Monte Carlo analysis

本研究通过蒙特卡洛模拟系统分析平行磁场强度（0-3T）、电子束能量（6-15MeV）及场大小（3×3-15×15cm2）对剂量分布的影响，发现6MeV束流在3T时稳定性最佳（R100变化＜8.2%），而高能束流在大场时更稳定，所有配置实现32-50%的剂量横向约束。研究确定1.5-2T为最佳治疗窗口，并建立电子成形成指数等新评估体系，为MRI引导放射治疗（MR-linac）优化提供理论依据，证实平行场配置可降低临床边距2-3mm且保持能量稳定性。

　　

摘要

磁共振引导的放射治疗系统利用磁场来改变剂量分布，然而平行磁场配置尚未得到充分研究。与以往仅限于小磁场或单一磁场强度的研究不同，本研究首次进行了全面的参数分析，揭示了在实际临床环境中磁场强度（0–3 T）、束流能量（6–15 MeV）和磁场尺寸（3×3–15×15 cm2）之间的完整相互作用。我们系统地研究了平行磁场对临床电子束的影响。通过蒙特卡洛模拟（GATE v9.2），在0–3 T的平行磁场下，对6 MeV、12 MeV和15 MeV的电子束在三种不同磁场尺寸（3×3、6×6、15×15 cm2）下的行为进行了建模。我们分析了深度剂量参数（R100、R50、R90）、侧向半影以及二维剂量分布。为了量化平行磁场约束的聚焦效果，我们引入了新的评估指标——电子一致性指数（Electron Conformity Index）和半影比率（Penumbra Ratio）。6 MeV的电子束表现出极佳的稳定性（R100变化<8.2%），并且在3 T磁场下侧向半影显著减小（减少了50.5%）。相比之下，12 MeV和15 MeV的电子束表现出明显的磁场尺寸依赖性不稳定性，在3×3 cm2的磁场中R100变化了76.7%，但在更大的磁场中趋于稳定。所有配置都表现出逐渐增强的侧向剂量约束效果，半影减少了32–50%。这些结果揭示了早期研究中未发现的非线性剂量-磁场相互作用，并确定了一个1.5–2 T的治疗窗口，在该窗口内一致性和稳定性达到最大化。平行磁场通过螺旋形电子约束机制提供了更优的剂量一致性，这与存在问题的垂直磁场配置形成了对比。本研究为磁共振直线加速器的优化建立了完整的参数框架和定量参考依据，首次从理论上证明了平行磁场引导的电子治疗可以在保持束流稳定性的同时，实现临床上可操作的剂量边缘减小（2–3 mm）。