使用测量数据和蒙特卡洛模拟方法对暴露于镅-241源的非层压放射变色薄膜进行剂量评估

《MEDICAL PHYSICS》：Dosimetric evaluation of unlaminated radiochromic films exposed to an Americium-241 source using measurements and Monte Carlo simulations

本研究通过实验与蒙特卡洛模拟，评估了EBT3、EBT-XD和HD-V2三种未封装GafChromic薄膜在α粒子辐照下的剂量响应，发现EBT3与水的等效性最佳，HD-V2需进一步优化，并建立了不同薄膜的推荐剂量范围。

　　近年来，随着放射性粒子在癌症治疗中的广泛应用，对特定类型的辐射剂量测量技术提出了更高的要求。特别是α粒子，因其独特的物理和生物学特性，如高线性能量传递（LET）和较短的射程，在肿瘤治疗中展现出显著的治疗潜力。然而，传统用于光子剂量测量的GafChromic放射成像胶片在α粒子测量方面仍存在一定的局限性，这使得开发专门针对α粒子的剂量测量协议变得尤为重要。本研究通过实验与蒙特卡洛（Monte Carlo, MC）模拟相结合的方法，对三种未涂覆的GafChromic胶片模型——EBT3、EBT-XD和HD-V2——在α粒子照射下的剂量响应进行了系统分析，旨在建立更准确的α粒子剂量测量标准。

GafChromic胶片是一种具有高空间分辨率和灵敏度的辐射剂量测量工具，其核心结构包含一种对辐射敏感的单体，嵌入在水溶性聚合物基质中，并夹在两个聚酯基板之间。当胶片受到辐射照射时，活性层中的二醋酸分子会发生聚合反应，形成聚二醋酸染料聚合物，从而产生蓝色的光吸收效应。这种颜色变化与吸收剂量之间存在非线性关系，并在24小时内趋于稳定。胶片的使用广泛，尤其在临床剂量验证和治疗计划中。然而，对于α粒子的测量，由于其高LET和短射程的特性，使得传统胶片的测量性能受到挑战。α粒子的能量沉积主要集中在单个聚合点，限制了聚合反应的传播，导致胶片对α粒子的响应不同于光子辐射。因此，针对α粒子的剂量测量方法需要专门设计，以确保其在实际应用中的准确性和可靠性。

本研究采用了一种创新的实验设计，利用241Am α粒子源对三种未涂覆的GafChromic胶片进行照射，并通过MC模拟对剂量率进行了精确计算。241Am是一种常见的α粒子发射体，其平均能量为5.46 MeV，射程在水中约为40-60微米。研究中使用了3D打印的支撑结构，确保胶片在照射过程中保持稳定，同时防止外界光线对测量造成干扰。胶片被切割成特定尺寸（5.08 × 6.35 cm），并以固定方向放置，以便在照射后能够准确地提取数据。所有实验均在暗箱中进行，以减少环境光对结果的影响。

在数据处理方面，研究团队开发了一套定制的Python脚本，用于分析扫描后的胶片图像。该脚本提取了绿色通道的像素值，并通过归一化处理，将这些像素值与剂量响应建立联系。为了提高测量的准确性，研究还使用了MC模拟来计算胶片活性层和水中的剂量率，并通过这些数据构建了剂量校准曲线。MC模拟基于Geant4工具包，采用多线程技术以提高计算效率，并对241Am的衰变过程进行了精确建模。此外，研究还排除了237Np等衰变产物的影响，因为这些物质在实验中不会被直接观测到。

研究结果显示，三种胶片在1毫米直径的感兴趣区域（ROI）内的平均剂量率分别为：EBT3为3.77 ± 0.002 Gy/min，EBT-XD为4.04 ± 0.0022 Gy/min，HD-V2为4.25 ± 0.0017 Gy/min。当胶片材料被替换为水时，其剂量率分别提高了14.3%、19.2%和15.0%。其中，EBT3胶片的水等效性最佳，其剂量响应与水最为接近，而EBT-XD则表现出最大的偏差，表明其在α粒子测量中的水等效性较差。HD-V2胶片虽然在高剂量区域表现良好，但在低剂量区域显示出较高的不确定性和相对剂量误差，这可能是由于其活性层的元素组成（如较高的碳含量）和聚合结构差异所导致的。

在剂量校准曲线的拟合过程中，研究团队采用了幂函数模型，并对数据范围进行了调整以确保不确定性低于5%的阈值。然而，HD-V2胶片在拟合过程中表现出最高的不确定性，表明其在α粒子测量中的性能仍有待提升。相比之下，EBT3和EBT-XD胶片的不确定性均在可接受范围内，其中EBT3在最优剂量范围内（22.6 ± 0.09至188.6 ± 0.75 Gy）的相对剂量误差显著降低，从初始的21%和15%分别降至8%和0.9%。EBT-XD的最优剂量范围为17.08 ± 0.08至128.6 ± 0.57 Gy，尽管其不确定性在优化后有所改善，但仍存在一定的波动，尤其是在低剂量区域。

研究还发现，α粒子对GafChromic胶片的剂量响应受到多种因素的影响。首先，胶片的材料特性，如碳含量和密度，直接影响其对α粒子的吸收能力。其次，胶片的晶体结构也起到关键作用，不同模型的活性层晶体大小不同，这会影响其对α粒子的响应灵敏度。例如，EBT3和EBT-XD的晶体结构较细小，导致其在低剂量区域的测量误差较大，而HD-V2的晶体结构较大，可能在高剂量区域表现出更高的灵敏度。此外，α粒子的高LET特性可能导致“淬灭效应”，即在高LET粒子照射下，胶片的响应可能被抑制，从而影响剂量测量的准确性。

在实际应用中，这些发现对GafChromic胶片在α粒子治疗中的使用具有重要意义。研究指出，尽管EBT3和EBT-XD在α粒子剂量测量中表现出较强的潜力，但HD-V2胶片仍需进一步研究和优化，才能满足临床剂量验证的需求。此外，研究还强调了在低剂量测量中使用胶片的局限性，尤其是由于扫描仪的分辨率和背景噪声的影响，使得低剂量区域的测量误差较大。因此，对于α粒子的剂量测量，需要特别关注低剂量区域的优化，以确保测量结果的准确性。

总体而言，本研究为GafChromic胶片在α粒子测量中的应用提供了重要的参考。通过实验与MC模拟的结合，研究人员不仅验证了胶片的剂量响应特性，还识别了不同模型之间的差异，并提出了改进方案。未来，随着α粒子在癌症治疗中的进一步推广，开发更精确、更可靠的剂量测量方法将成为研究的重点。此外，研究结果也表明，胶片的性能不仅与其材料有关，还受到实验条件和测量方法的影响，因此在实际应用中需要综合考虑这些因素，以提高剂量测量的准确性。