在内部开发的GPU加速蒙特卡罗式剂量引擎中建模小块光圈,用于笔束扫描质子疗法
Hongying Feng1,2,3, Jason M Holmes2, Sujay A Vora2
1College of Mechanical and Power Engineering, China Three Gorges University, Yichang, Hubei 443002, People's Republic of China.
Physics in medicine and biology
|November 9, 2023
概括
这项研究增强了GPU加速的虚拟粒子蒙特卡罗引擎 (VPMC),以准确地建模笔束扫描质子疗法的光圈块. 改进的VPMC显著减少了计算时间,同时保持了剂量计算的高精度和强大的优化.
科学领域:
- 医学物理 医学物理
- 辐射瘤学 辐射瘤学
- 计算科学 计算科学
背景情况:
- 笔束扫描质子疗法 (PBSPT) 需要精确的剂量计算和优化用于立体射线手术 (SRS).
- 模拟孔径块对于基于PBSPT的SRS中准确的剂量递送至关重要.
- 现有的蒙特卡洛 (MC) 引擎在处理像孔径块这样的复杂几何形状时可能面临计算挑战.
研究的目的:
- 为了增强内部GPU加速的基于虚拟粒子 (VP) 的MC质子剂量引擎 (VPMC) 用于模拟光圈块.
- 将光圈块建模集成到基于PBSPT的SRS的剂量计算和优化中.
- 提高剂量计算和治疗规划的效率和准确性.
主要方法:
- 在VPMC中开发并集成了一个模块,以模拟VP通过患者特定的孔径块.
- 验证了光圈阻塞模块与MCsquare在水幻影模拟中使用黄铜光圈和距离变换器进行验证.
- 对于10个患者病例,VPMC与MCsquare和RayStation MC进行了基准测试,并对3名典型患者进行了强大的优化.
主要成果:
- 在水幻影模拟中与MCsquare达成高度一致 (3D马通过率99.71 ± 0.23%与2%/2 mm/10%).
- 在患者几何形状方面与MCsquare和RayStation MC表现出了很好的一致性 (3D马通过率97.79 ± 2.21%/97.78 ± 1.97%与3%/2 mm/10%).
- 显著减少计算时间从112.45 ± 114.08秒 (MCsquare) 到8.20 ± 6.42秒 (VPMC),具有可比的统计不确定性 (~0.5%).
- 在强大的优化计划中,成功满足了针对位和有风险的器官的所有剂量量限制.
- 影响矩阵的平均计算时间为41.6s,在强大的规划中优化为71.4s.
结论:
- 已经成功增强了VPMC,以准确地模拟基于PBSPT的SRS的剂量计算中的光圈块.
- 增强的VPMC可实现高效准确的强大优化,满足临床要求.
- 这一进步为复杂的质子疗法治疗计划提供了计算高效的解决方案.
