《Zeitschrift für Medizinische Physik》：Initial validation and commissioning experience of Phoenix Plan treatment planning system for scanned carbon ion beams delivered by Heavy Ion Medical Machine
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本研究介绍了为HIMM（重离子医疗机）扫描碳离子治疗而开发的GPU加速治疗计划系统（TPS）——Phoenix Plan的调试和初步验证。为解决高精度、高效率的物理和生物学剂量计算需求，研究人员采用五重高斯笔形束模型和亚点分裂算法进行建模，并基于混合束方法通过线性-二次模型计算RBE加权剂量。结果在SOBP（扩展布拉格峰）靶区内剂量偏差<2.4%，远端剂量跌落处位置偏差<1 mm，患者计划伽马通过率>95%，表明Phoenix Plan在物理和生物学剂量计算上均达到了临床要求的准确性，并显著提升了调试和工作流程的效率。
在癌症治疗的战场上，放射治疗是主力军之一。传统的光子治疗虽广泛应用，但对于某些抗拒性或位置刁钻的肿瘤，其疗效和精准度面临挑战。此时，碳离子放疗作为一种新兴的“精准打击”武器，凭借其独特的物理和生物学优势进入了人们的视野。与质子相比，碳离子质量更大、电荷更高，能在组织中形成更尖锐的布拉格峰，从而将剂量更精准地集中在肿瘤部位，更好地保护周围的健康组织。更重要的是，碳离子具有更高的线性能量转移，这意味着它具有更强的相对生物有效性，尤其擅长对付那些对常规放射抵抗的、甚至缺氧的肿瘤。
然而，强大的武器需要精密的“瞄准系统”。碳离子治疗的临床成功，极度依赖于治疗计划系统的准确性。这个系统不仅要精确计算物理剂量如何沉积，还要模拟碳离子在体内复杂的生物学效应。现有的一些商业系统虽已成熟，但其架构往往针对通用工作流优化，灵活性有限，难以快速适配到新兴的、具有特定硬件和束流特性的治疗设备上。与此同时，随着治疗需求的增长，临床上对治疗速度提出了更高要求，这促使了更高束流强度和主动扫描技术的应用，例如中国首个自主研制的碳离子治疗加速器——重离子医疗机。高强度的扫描在提升效率的同时，也给剂量计算带来了新难题，比如扫描点之间的瞬态剂量效应如何处理。为了应对这些挑战，并专门为HIMM系统量身打造一套精准、高效且易于调试的治疗计划工具，来自CAS离子医学技术有限公司的研究团队开发了Phoenix Plan治疗计划系统，并对其进行了全面的初始验证和调试。
为开展此项研究，作者团队主要应用了以下几项关键技术方法：首先，构建了基于五重高斯模型的笔形束物理剂量计算引擎，并采用亚点分裂算法处理横向不均匀性；其次，基于混合束方法和线性-二次模型，开发了RBE加权剂量计算框架；接着，利用GPU加速技术，通过预计算的水等效深度纹理框架实现快速可扩展的剂量计算；最后，提出了一种物理信息引导的积分深度剂量曲线插值方法，显著减少了束流建模所需的测量工作量。研究使用的患者计划样本来源于兰州重离子中心临床试验中既往治疗过的10例病例。
研究结果如下：
3.1. CT值到相对阻止本领曲线的验证
通过化学计量法对24种组织等效插件进行校准，得到的HU（亨氏单位）到SPR（阻止本领比）转换曲线与测量值吻合良好，证实了用于剂量计算的CT校准准确无误。
3.2. 亚点分裂算法的验证
通过一个单点束穿过PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）-空气界面的实验，测量结果显示存在两个清晰的布拉格峰，其深度差与PMMA块的水等效厚度相符。而未使用亚点分裂算法的计算仅显示单峰。该结果证实了亚点分裂算法能有效处理横向不均匀性。
3.3. 最小点监测单位(MU)的确定
通过测量不同能量和点MU下的扫描场均匀性，发现当点MU低于5时，剂量均匀性显著恶化。当点MU高于20时，所有能量的均匀性改善趋于稳定。因此，在剂量优化中选择了20 MU作为通用的最小MU阈值，以确保剂量均匀性。
3.4. 束流建模准确性
比较了测量与计算的积分深度剂量曲线和空气中点束全高半宽。结果显示，仅使用14个稀疏测量能量点进行插值得到的IDD曲线，与全部123个能量点的测量值吻合良好。空气中点束大小的计算值与测量值偏差在0.8毫米以内，验证了IDD插值方法和空气中点建模的准确性。
3.5. 不同探测器的比较
比较了PTW 34089和PTW 34070探测器测量的IDD，发现对于高能束，前者在碎裂尾区测得的剂量高出约10%，凸显了探测器尺寸对束流建模准确性的影响。对于空气中点束尺寸测量，多种探测器结果具有一致性。
3.6. SOBP（扩展布拉格峰）计划的验证
对于水中SOBP计划，计算与测量剂量在靶区、平台区和尾区的相对误差在2%以内，跌落区的距离一致性在1毫米以内。对于通过半头部模体后的SOBP计划，误差在3%以内，伽马通过率在3毫米/3%和2毫米/3%标准下均高于95%，满足了临床要求。
3.7. 生物学剂量计算的验证
比较了Phoenix Plan计算的SOBP中心RBE值与文献中报道的VQA和Xio-N系统的计算结果，在使用1.38临床因子的情况下，最大偏差在2%以内。
3.8. 患者特定质量保证的验证
对10例涵盖头颈、胸、脊髓、肢体和盆腔等部位的回顾性患者计划进行验证，伽马通过率在3毫米/3%和2毫米/3%标准下的平均值均超过95%，表明系统在复杂临床场景下具有良好的计算准确性。
3.9. 时间性能
剂量计算时间与点数量呈线性关系。对于包含少于40,000个点（对应于约1000 cm3靶体积的单野计划），计算通常在1分钟内完成，显示了GPU加速带来的高效率。
研究结论与讨论部分强调了本项工作的重要意义。本研究成功展示了为HIMM扫描碳离子束开发的Phoenix Plan治疗计划系统的调试和验证过程。该系统采用五重高斯笔形束模型计算物理剂量，并利用混合束模型框架计算RBE加权剂量。所提出的IDD插值方法将测量时间从41小时大幅减少至4.6小时，而不影响精度。验证结果表明，该系统在物理剂量计算（SOBP靶区内偏差<2.4%，远端跌落位置偏差<1毫米）和生物学剂量计算（与文献值偏差<2%）上均达到了高准确性。对10例不同部位患者计划的回顾性分析显示，伽马通过率在严格标准下仍超过95%。此外，基于GPU的预计算水等效深度纹理框架确保了临床可接受的快速计算速度。
讨论部分进一步剖析了细节与未来方向。与三重高斯模型相比，五重高斯模型能更准确地描述蒙特卡洛模拟中的宽低剂量晕，这对精准的物理束流建模有贡献。对于扫描中的瞬态剂量问题，研究通过强制最小点MU为20的策略予以缓解，确保了剂量均匀性，但这在优化中需要强制移除低MU点。研究也承认了一些近似带来的微小偏差，例如使用单一虚拟源位置进行水等效深度计算引入的空间偏差极小（<0.15毫米），对剂量学无显著影响；使用范围调制器时，计算的点束尺寸比测量值平均大1.9毫米，但对剂量分布的影响在临床可接受范围内。在RBE模型中使用的1.38临床因子与常见的1.46存在差异，这被归因于底层数据集和束流建模的不同，但鉴于其RBE随SOBP宽度的预期变化趋势，认为算法的整体准确性是可靠的。展望未来，研究指出了三个互补的改进方向：一是超越平均LET，纳入束点能谱信息以更准确地描述辐射品质；二是通过微剂量探测器（如SOI微剂量计、TEPC、金刚石探测器）对LET估算进行严格的实验验证；三是通过费米-艾吉斯传输方程或经验标度因子，将材料依赖性散射纳入模型，以提升不均匀组织中的剂量计算精度，并进一步研究从水剂量到介质剂量的转换。
总之，这项研究证实了Phoenix Plan治疗计划系统能够为HIMM提供的扫描碳离子束实现准确、高效的物理和生物学剂量计算，支持简化的调试工作流程，并已准备好投入临床使用。该系统的成功开发与验证，为中国自主碳离子治疗设施的高精度、个体化治疗计划提供了关键的技术支撑，推动了先进粒子治疗技术的本土化应用与发展。
