基于 GPU 并使用相空间源的蒙特卡洛放射治疗剂量计算

我们为基于 GPU 的蒙特卡洛剂量计算引擎设计了一种新颖的相空间源实现方案。鉴于 GPU 硬件的并行特性，必须同时输运类型相同、能量相近但在空间上分离的粒子，以实现高效率。我们提出了三种相空间实现方法，并已将其集成到最新版的基于 GPU 的蒙特卡洛放射治疗剂量计算软件包 gDPM v3.0 中。第一种方法是从依赖患者的相空间中顺序读取粒子，并根据粒子类型和能量进行即时排序。第二种方法在此基础上补充了一个简单的次级准直器模型和注量图实现，从而可以使用不依赖患者的相空间源。最后，作为第三种方法（称为相空间束元法，或 PSL 法），我们引入了一种新颖策略，对不依赖患者的相空间进行预处理，并按类型、能量和位置对粒子进行分箱；位于包围治疗野的矩形感兴趣区域之外的位置分箱将被忽略，从而大幅减少模拟时间。这三种方法在绝对剂量方面针对 BEAMnrc/DOSXYZnrc 进行了验证，并使用 gamma 指数测试（10% 等剂量线以上 2%/2mm）进行了比较。研究发现，PSL 方法在精度和效率之间达到了最佳平衡，因此被用作 gDPM v3.0 的默认方法。使用 PSL 方法，水中 4x4、10x10 和 30x30 cm2 的开放野的 gamma 通过率分别为 99.96%、99.92% 和 98.66%。相对输出因子的一致性在 1% 以内。使用 PSL 方法计算的一个 IMRT 患者计划的通过率为 97%，单块 GPU 的计算时间为 50 秒，而 BEAMnrc/DOSXYZnrc 则需要 8.4 小时（每 CPU）。