《Radiation Physics and Chemistry》：Preparation and physical investigation of CuCo
2O
4 and CuCo
2O
4/graphene nanoparticles for gamma ray shielding
编辑推荐：
蒙特卡洛模拟方法验证了GATE平台在CT成像中的可靠性，通过80keV和110keV能量对比，证实模拟图像质量、剂量分布与HU值均与真实临床数据高度吻合，为优化CT成像协议提供新工具。
阿卜杜拉·W·阿尔达胡克（Abdallah W. ALDAHOUK）| 玛娜·塞兹迪（Mana SEZDI）| 穆斯塔法·德米尔（Mustafa DEMIR）
土耳其伊斯坦布尔大学-杰拉赫帕夏分校（Istanbul University-Cerrahpa?a）生物医学工程研究生院
摘要：
本研究旨在探讨使用GATE平台进行的蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟在多大程度上能够模拟真实的CT扫描结果。研究目的是验证模拟图像和数据是否与实际临床CT成像的结果一致，重点比较了图像质量、辐射剂量分布以及Hounsfield单位（HU）值。实验中使用了Catphan CTP404模体作为参考对象，模拟设置与西门子Biograph Horizon PET/CT系统相匹配。在虚拟环境中使用GATE 9.3版本对100,000个粒子进行了模拟，测试了两种不同的能量水平（80 keV和110 keV）。模拟图像使用Python和ITK软件重建，为提高视觉清晰度采用了直方图均衡化和高斯滤波处理。模拟数据的HU值使用SimpleITK提取，真实CT扫描数据的HU值则使用ImageJ提取。ROOT软件用于分析模体内各组分的能量分布。研究结果表明，模拟结果与实际CT扫描结果非常相似。特氟龙（Teflon）、亚克力（acrylic）和德尔林（delrin）的HU值均接近临床预期值。此外，基于ROOT的分析验证了模拟中的光子检测和能量相互作用符合物理规律。因此，基于GATE的蒙特卡洛模拟被证明是CT成像研究的一种可靠方法。该框架不仅有助于准确建模现实世界场景，还为未来医学成像应用中的成像协议改进和剂量控制提供了巨大潜力。
引言
计算机断层扫描（CT）通过提供解剖结构的高分辨率横截面图像，在现代诊断医学中发挥着关键作用。随着成像技术的发展，对CT系统的精确建模和模拟变得至关重要，以便优化成像协议、减少辐射剂量并提高图像质量。然而，模拟X射线光子与异质生物组织之间的复杂相互作用仍是一个重大挑战。
蒙特卡洛（Monte Carlo, MC）模拟技术为这种相互作用提供了可靠的方法，通过随机采样光子行为实现统计准确性。这些方法在生物医学成像研究中被广泛用于估计剂量分布、理解光子-组织相互作用以及模拟图像采集系统（Sarrut等人，2021；Agostinelli等人，2003；Lux，2018）。在各种基于MC的平台上，基于GEANT4工具包开发的GATE（Geant4 Application for Tomographic Emission）因其灵活性、模块化结构以及适用于模拟发射和传输成像模式而成为领先工具（Adrien等人，2020）。
多项研究证明了MC方法在CT成像模拟中的实用性。例如，Mainegra-Hing等人（2012）开发了一个基于GEANT4的模型，以高精度模拟CT剂量分布；Berger等人则专注于模拟异质模体中的X射线衰减以评估图像对比度（Berger等人，2018）。其他研究者如Omer等人（2021）通过将模拟结果与实验CT数据进行对比，验证了蒙特卡洛方法在剂量估计和束流建模方面的准确性。
基于这些研究基础，本研究利用GATE和Catphan CTP404模体模拟了一个完整的CT成像系统，旨在通过将模拟输出与实际临床数据对比来评估基于MC的CT图像重建的准确性。研究重点关注剂量估计、能量分布和HU值计算，旨在推动生物医学工程领域更可靠且可定制的CT模拟环境的发展。
部分内容摘要
CT测量与配置
MC CT模拟使用GATE来模拟西门子Biograph Horizon PET/CT设备的CT配置。测量工作在伊斯坦布尔大学-杰拉赫帕夏分校的核医学系进行。PET/CT设备的技术规格见表1。实验中使用了CT Catphan模体（见图1）来验证模拟结果。
模拟结果
本研究进行了两次独立模拟，以研究X射线能量水平对CT成像结果的影响。使用XComp5R模拟程序生成了两种不同的能量谱：一种能量为110 keV，过滤层为2.5毫米铝箔，代表成人成像中常用的管电压；另一种能量为80 keV，过滤层也为2.5毫米铝箔，对应于儿科成像中使用的最低管电压（见图4）。
讨论
模拟结果提供了对CT成像的全面分析，有助于理解实验设置和结果。本研究通过使用100,000个粒子的蒙特卡洛模拟，在几分钟内有效模拟了高能和低能辐射。模拟生成的文件包括ROOT文件、MHD文件和原始文件，其中包含了CT图像、材料剂量和数据，显示出低能（80 keV）和高能（110 keV）辐射之间的显著差异。高密度材料（如特氟龙）的衰减特性在模拟中得到了准确反映。
结论
本研究开发了一个基于GATE的CT成像模拟框架，通过模块化宏文件对X射线源、探测器和模体几何结构等组件进行了建模。在80 keV和110 keV两种能量水平下进行了100,000个粒子的模拟，以评估X射线与各种材料的相互作用。结果全面分析了CT图像形成和剂量分布，突显了材料密度（如特氟龙的衰减特性）的影响。
作者贡献声明
玛娜·塞兹迪（Mana SEZDI）：撰写、审稿与编辑、验证、方法论设计、研究实施、概念构思。
穆斯塔法·德米尔（Mustafa DEMIR）：撰写、审稿与编辑、验证、方法论设计、概念构思。
阿卜杜拉·阿尔达胡克（Abdallah ALDAHOUK）：撰写初稿、验证、软件开发、方法论设计、研究实施、概念构思。
未引用的参考文献
FLUKA官网，2025；ITK Insight Toolkit，2025；Jan等人，2011；Mainegra-Hing和Kawrakow，2012；Poludniowski和Evans，2007；ScienceDirect Topics，2025。
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
