プロトン用量の迅速かつ正確な計算のための大角度散乱を考慮した単純化されたモンテカルロアルゴリズム

目的：この研究の目的は、低用量領域の単純化されたモンテカルロ（SMC）アルゴリズムの用量計算精度を改善することです。従来のSMCアルゴリズムは、複数のクーロン散乱（MCS）のみを考慮して粒子散乱を計算するため、単一のガウス関数によって横方向の用量プロファイルを近似します。ただし、低用量領域がビーム軸から離れて広がることはよく知られており、低用量領域のモデリングが正確に計算されるためには重要であることが指摘されています。 方法：修正されたSMCと名付けられ、MCSだけでなく、ハドロンの弾性散乱に似た大きな角度散乱も考慮したSMCアルゴリズムが開発されました。修正されたSMCアルゴリズムでは、粒子散乱が散乱角度と大きな散乱角の粒子の追跡に従って粒子の残留範囲を減少させるため、粒子フルエンスは縦方向に変化します。したがって、フルエンス損失を考慮して測定されたIDDから変換される修正された統合深度線量（M-IDD）テーブルは、用量の計算に使用されます。 結果：1リットルの立方ターゲットの場合、従来のアルゴリズムと比較して計算精度が改善され、修正されたアルゴリズムの結果はGEANT4ベースのシミュレーション結果とよく一致しました。つまり、ポイントの98.8％が2％の用量/2 mmの距離距離（DTA）基準を満たしました。修正されたSMCアルゴリズムの計算時間は、4.4×108粒子とIntel Xeon E5-2643（3.3-GHzクロック）の16回転操作の場合、1972年でした。 結論：横方向に広範囲にわたる低用量領域を再現できるSMCアルゴリズムが開発されました。GEANT4ベースのシミュレーションとの比較によれば、修正されたSMCアルゴリズムはプロトン放射線療法の用量の計算に役立つと結論付けられました。

PURPOSE: The purpose of this study is to improve dose calculation accuracy of the simplified Monte Carlo (SMC) algorithm in the low-dose region. Because conventional SMC algorithms calculate particle scattering in consideration of multiple Coulomb scattering (MCS) only, they approximate lateral dose profiles by a single Gaussian function. However, it is well known that the low-dose region spreads away from the beam axis, and it has been pointed out that modeling of the low-dose region is important to calculated dose accurately. METHODS: A SMC algorithm, which is named modified SMC and considers not only MCS but also large angle scattering resembling hadron elastic scattering, was developed. In the modified SMC algorithm, the particle fluence varies in the longitudinal direction because the large-angle scattering decreases residual range of particles in accordance with their scattering angle and tracking of the particles with large scattering angle is terminated at a short distance downstream from the scattering. Therefore, modified integrated depth dose (m-IDD) tables, which are converted from measured IDD in consideration of the fluence loss, are used to calculate dose. RESULTS: In the case of a 1-liter cubic target, the calculation accuracy was improved in comparison with that of a conventional algorithm, and the modified algorithm results agreed well with Geant4-based simulation results; namely, 98.8% of the points satisfied the 2% dose/2 mm distance-to-agreement (DTA) criterion. The calculation time of the modified SMC algorithm was 1972 s in the case of 4.4 × 108 particles and 16-threading operation of an Intel Xeon E5-2643 (3.3-GHz clock). CONCLUSIONS: An SMC algorithm that can reproduce a laterally widespread low-dose region was developed. According to the comparison with a Geant4-based simulation, it was concluded that the modified SMC algorithm is useful for calculating dose of proton radiotherapy.