基于 GPU 的质子输运蒙特卡罗模拟及其非弹性相互作用的详细建模

目的：最近已在 GPU 上实现了非常快速的质子输运蒙特卡罗 (MC) 模拟。然而，这些模拟通常对非弹性 (NE) 质子 - 核相互作用使用简化模型。我们的主要目标是构建一个基于 GPU 的质子输运 MC，对弹性和 NE 碰撞进行详细建模。方法：利用 CUDA，我们实现了用于以下任务的 GPU 内核：(1) 模拟扫描喷嘴配置的斑点，(2) 考虑核弹性散射、多重散射和能量损失涨落的质子穿过 CT 几何结构的传播，(3) NE 相互作用的核内级联阶段建模，(4) 核蒸发模拟，以及 (5) 剂量的统计误差估计。为了验证我们的 MC，我们执行了：(1) NE 碰撞中的次级粒子产额计算，(2) 均匀模体中的剂量计算，(3) 对商业治疗计划系统 (TPS) 的头颈部计划进行重新计算，并与 Geant4.9.6p2/TOPAS 进行了比较。结果：各种原子核上 NE 碰撞产生的次级粒子的产额、能量和角分布与 Geant4 Bertini 和 Binary 级联模型吻合良好。治疗计划模拟的 3D-gamma 通过率在 2\%-2 mm 条件下通常为 98\%。在 NVIDIA GTX680 卡上的净计算时间（包括所有数据传输）对于 $1\times10^7$ 个质子历史约为 20 秒。结论：我们的基于 GPU 的 MC 是首个包含详细核模型以处理质子与任何原子核 NE 相互作用的同类系统。剂量学计算与 Geant4/TOPAS 非常吻合。我们的 MC 正被用于执行基于铅笔束治疗计划的快速常规临床 QA，并已被采纳为临床适用的基于 MC 的 IMPT TPS 中的剂量引擎。详细的核建模将使我们能够在 GPU 上执行非常快速的线性能量转移和中子剂量估计。