精确放疗中基于电子-光子耦合输运的快速蒙特卡罗方法研究

Research shows that the cure rate of cancer will increase by 2% as 1% increase of dose accuracy in tumor radiotherapy.At present, the dose calculation method is mainly based on the analytical approximation method, which is fast but low accurate.The dose calculation method based on the Monte Carlo method is widely considered to be the most accurate of all current dose calculation methods, but its slow convergence and long computation time hinder its widespread application in clinical radiotherapy.Now speeding up computation under high accuracy is a main subject for the Monte Carlo dose calculation method.In this project, we will deeply study the electron-photon coupled transport physical process and corresponding fast MC method according to the characteristics of radiation therapy.The aim of the project is to shorten the MC calculation time to several hours or even less than one hour. The obtained fast MC method will be applied in radiation therapy dose verification and plan establishment, to improve the cure rate of cancer.

研究表明，肿瘤放疗中剂量精度每提高1％，癌症治愈率便提高2％。目前临床上使用的剂量计算方法主要基于解析近似方法，虽然速度很快，但计算精度较差。基于蒙特卡罗方法的剂量计算方法被公认为是当前所有剂量计算方法中最精确的一种，但是由于方法本身收敛速度慢、计算时间长的弱点，阻碍了其在临床放射治疗中的广泛应用。如何在保持高精度的前提下加快计算速度，是目前蒙卡剂量计算方法面临的主要课题。本项目拟通过对电子-光子耦合输运物理过程的深入研究，针对放射治疗中的特点，开展相应的MC方法加速技巧的研究，在保持高精度的同时提高MC方法的计算速度，将计算时间降低至几个小时甚至一个小时以内，将快速MC方法应用于精确放射治疗的剂量验证和计划制定中，改变目前所用剂量计算方法精度较低的现状，以提高肿瘤患者的治愈率。

基于蒙特卡罗方法的剂量计算方法被公认为是当前所有剂量计算方法中最精确的一种，但是由于方法本身收敛速度慢、计算时间长的弱点，阻碍了其在临床放射治疗中的广泛应用。本项目以保持MC方法高精度的同时提高计算速度为研究目标，密切围绕电子-光子耦合输运MC方法所涉及的关键技术问题开展快速MC方法的研究，并针对精确放疗应用中剂量计算的特殊性，开展适用于精确放疗的快速MC方法研究。创新性研究内容包括：.1. 发展了基于能量损失的虚截面自由程抽样方法和基于随机枢点的以直线拟合曲折路径的输运机制等电子输运方法，解决了由于电子反应截面沿输运路径不断改变与电子路径不是直线等特性导致的MC电子输运模拟精度不高的问题。.2. 发展了多种通用快速MC计算方法，包括全局权窗产生器的减方差方法、基于CAD 预处理的邻居列表与包围盒方法、全局共享内存的数据分解并行计算方法和计数辅助树的蒙特卡罗粒子输运计算大规模计数方法等，使MC计算方法的计算效率极大地提升。.3. 针对放疗中的电子-光子输运的特点，在不显著影响模拟精度的前提下，对电子与物质发生的轫致辐射与Møller散射物理模型、光子与物质发生的光电作用物理模型进行了简化与优化，发展了适用于放疗的电子-光子耦合输运MC加速方法。. 发展的关键方法与技术，不仅可以用于精确放射治疗中的蒙特卡罗剂量计算中极大提高剂量计算的精度，增加肿瘤患者的治愈率；同时也可以满足核物理与核技术中多种研究领域（如核医学、核辐射防护设计等）对光子、电子耦合输运软件的需求。