GEANT4蒙特卡洛研究：基于铋的化合物作为CT中碘基造影剂的替代品

《Radiation Physics and Chemistry》：GEANT4 Monte Carlo Study of Bismuth-Based Compounds as Alternatives to Iodine-Based Contrast Agents in CT

本研究评估铋基化合物（Bi?O?、BiFeO?、BiOI、Bi?S?）作为CT对比剂的性能，通过GEANT4蒙特卡洛模拟并与Iohexol对比。结果显示铋基化合物在20-140keV范围内具有更高的质量衰减系数（μ/ρ），其中Bi?O?在低能区表现优异，BiOI在铋和碘K边之间具有双峰特性，适用于能谱CT。所有铋基化合物Zeff和ZRW eff更高，Neff更低，散射更少，且验证数据与XCOM吻合良好。

　　

Muhammad Syahir Yahaya | Ramzun Maizan Ramli | Nurul Hashikin Ab. Aziz | Nurul Zahirah Noor Azman

马来西亚科学大学物理学院，11800 Minden, Penang, Malaysia

摘要

计算机断层扫描（CT）通常使用含碘的造影剂（ICAs），如碘海醇（Iohexol），但这些造影剂可能导致肾毒性、过敏反应，并且需要较高剂量才能获得足够的对比度。本研究评估了之前被提出作为CT造影剂的铋基化合物，如氧化铋（Bi₂O₃）、铁氧铋（BiFeO₃）和碘氧化铋（BiOI）及硫化铋（Bi₂S₃），并在相同条件下使用GEANT4蒙特卡洛模拟对这些化合物与碘海醇进行了比较。计算了这些化合物在20–140 keV诊断范围内的质量衰减系数（μ/ρ）、有效原子序数（Z_eff）、有效电子密度（N_eff）以及相对于水的有效原子序数（ZRW_eff），并与XCOM数据进行了验证，结果显示两者之间的一致性良好（差异范围为–3.374%至+2.208%）。在相同体积下，所有铋基化合物的μ/ρ值均高于碘海醇。氧化铋在碘K边缘以下和铋K边缘以上的表现最佳，而碘氧化铋在这两个区域的表现均非常出色，其双K边缘特性有利于光谱CT成像。光子相互作用分析表明，铋基化合物主要通过光电吸收作用来增强信号，而在较高能量下碘海醇则更倾向于康普顿散射。所有铋基化合物的有效原子序数和相对于水的有效原子序数均高于碘海醇，有效电子密度较低，这意味着它们在相同体积下具有更强的造影潜力且散射更少。总体而言，这些结果表明铋基化合物，特别是氧化铋和碘氧化铋，是具有优越衰减性能、更高有效原子序数和有效相对原子序数、更低有效电子密度的下一代CT造影剂候选者，能够提升诊断图像的清晰度。

引言

计算机断层扫描（CT）是一种广泛应用的诊断成像技术，以其高空间分辨率、适中成本和快速成像速度而著称。通过围绕患者旋转X射线源并测量组织衰减情况，CT可以重建出显示精细解剖结构和形态特征的横截面图像。传统CT系统的管电压通常在80–120 kVp之间，这适用于大多数临床应用。

软件和模拟设置

模拟几何结构参考了Al-Buriahi和Tonguc（2020）的研究，并进行了修改以提高μ/ρ值的估算精度并更好地模拟临床CT环境。所有模拟均使用GEANT4 MC工具包版本10.6（Geant4 Collaboration, 2019）进行，该工具包采用了QGSP_BERT参考物理模型，涵盖了标准的电磁过程和强子相互作用。尽管QGSP_BERT最初是为宽能量范围设计的，但它也适用于本研究的需求。

使用XCOM参考数据验证GEANT4

在分析不同造影剂的衰减特性之前，有必要验证GEANT4 MC模拟工具包的准确性和可靠性。通过将模拟得到的μ/ρ值与NIST XCOM数据库中提供的20–140 keV诊断范围内的理论数据进行比较，验证了其准确性。在5 cm的OID条件下，GEANT4的计算结果与XCOM参考数据高度吻合，差异范围为–3.374%至……

结论

本研究利用GEANT4 MC模拟评估了基于铋的化合物（氧化铋、碘氧化铋、铁氧铋和硫化铋）与碘海醇的X射线衰减特性。结果与XCOM参考数据高度一致（差异范围为–3.374%至+2.208%），证明了模拟设置的准确性和可靠性。所有基于铋的化合物在相同体积下的μ/ρ值均高于碘海醇。氧化铋在碘K边缘以下和铋K边缘以上的衰减性能更优，而碘氧化铋在这两个区域的表现尤为突出。

作者贡献声明

- Nurul Hashikin Ab. Aziz： 方法论设计、概念构建、撰写、审稿与编辑。 - Ramzun Maizan Ramli： 撰写、审稿与编辑、指导。 - Muhammad Syahir Yahaya： 初始草稿撰写、验证、方法论设计、数据分析。 - Nurul Noor Azman： 撰写、审稿与编辑、指导、验证。

未引用参考文献

（此处应列出实际使用的参考文献，但原文未提供）

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。

致谢 作者声明本研究未接受任何资助，且作者之间不存在利益冲突。