Xenos 软件：在高能电子束放射治疗建模中的应用

背景

高能质子束在深部肿瘤非侵入性的成功应用，重新激发了人们对 100–250 MeV 范围甚高能电子（VHEE）束流的研究兴趣。与质子束类似，高能电子束在穿透组织时保持一定的相干性，可在 15–30 cm 深度沉积能量。其不足之处在于纵向沉积剖面不如质子束理想，电子缺乏布拉格峰。但 VHEE 仍具有若干潜在优势：

该能量范围的电子加速器通常更紧凑，成本更低。
电子直线加速器适用于脉冲占空比，可实现超高高剂量率（FLASH）放射的短脉冲。
电子束可通过中等强度磁场进行偏转，为快速扫描和避障提供了可能性。

Xenos 软件套件概述

Xenos 软件套件能够对电子器件以及生物结构中的剂量沉积进行建模。本报告将通过若干 VHEE 计算演示，展示 Xenos 生成的数据，并总结其在该应用中的技术优势。

该套件集成了 Penelope 蒙特卡罗物理引擎，覆盖从几百 eV 到 1 GeV 能量范围内的电子-光子-正电子输运。Penelope 不处理核反应，但这对 VHEE 建模是否构成限制？来自论文《甚高能电子束的剂量测定与辐射防护评估》的数据表明，200 MeV 电子束在水模体中产生的沉积能量中，初级和次级电子、正电子和光子的贡献几乎占 100%，核反应贡献仅约 0.009%。因此，对于剂量分布预测，核过程的影响可忽略不计，Xenos 所采用的物理模型具有足够的准确性。

计算设置

我们的计算基于论文《聚焦甚高能电子束用于放射治疗的实验研究》中的参数。入射脉冲电子束动能为 158 MeV，携带 1.0 nC 电荷。

二维计算采用圆柱对称模型：半径 10.0 mm 的束流进入条纹肌组织目标，电子分为平行束和聚焦到入射面后 140.0 mm 处的聚焦束。Trak 程序的 Circular Beam Generator 工具用于创建输入分布，生成 250 个粒子，携带总电流 1.0 A。聚焦角 4.09° 对应 tan⁻¹(10.0/140.0)，负值表示会聚束。

GamBet 计算通过交互式对话框输入，空间单位为毫米。几何结构为长 300.0 mm、半径 150 mm 的圆柱体，三角单元在 z 方向约 2.5 mm，径向宽度在 0–30 mm 范围内为 1.0 mm，更大半径处为 2.5 mm。材料为 Penelope 预定义材料 202（条纹肌），每个初级粒子产生 100 个簇射，束流脉冲长度 1.0 ns，总电荷 1.0 nC。

二维计算结果

平行束：剂量随深度先升后降（由敲出电子和正电子引起）。
聚焦束：轴上剂量极值出现在肌组织深度 86.0 mm 处。
轨迹图展示了 50 个初级电子在聚焦束中的路径。

三维计算与对比

第二个算例模拟 158.0 MeV 电子束穿透水模体，与 Kokurewicz 论文结果进行对比。束流在 x 和 y 方向的半宽分别为 7.2 mm 和 2.2 mm，分别模拟了平行束和聚焦束。聚焦束在 x 方向聚焦于水入射面后 115 mm，y 方向聚焦于 83 mm，对应包络角分别为 -4.13° 和 -1.0°。

几何结构包括 7 mm 厚的 Lucite 片和 150 mm 水层，由六面体网格定义，z 方向单元尺寸 2.0 mm，x/y 方向 0.5 mm。材料为水（Penelope 材料 278）和 Lucite（材料 224）。