Geant4在肿瘤样本中辐射能量沉积指标的应用验证：为缺乏实验数据的情况提供预测能力！

《Radiation Physics and Chemistry》：Validation of Geant4 for Radiation Energy Deposition Metrics in Tumor Specimens: Enabling Predictions Where Experimental Data is Lacking!

放射治疗剂量优化中肿瘤组织特异性能量沉积参数的蒙特卡洛模拟研究。采用Geant4模拟计算5种人类肿瘤组织的μen/ρ和Scol/ρ，揭示光子能量依赖性规律，填补实验数据空白，提升放射治疗计划精确度。

　　

Omar Medhat Mostafa|M.E. Medhat|赵文全|Jie Liu

浙江大学医学院第一附属医院口腔颌面外科，中国杭州市青春路79号

摘要

精确的放射治疗计划制定至关重要地依赖于基本的能量沉积指标：光子的质量能量吸收系数（μ_en/ρ）和电子的质量碰撞阻止本领（S_col/ρ）。这些参数分别决定了基于光子的治疗中的剂量传递和电子治疗中的能量沉积模式。虽然现有的数据库（如XMUDAT（NIST X射线质量衰减系数）和ESTAR（NIST电子阻止本领和射程）提供了表格化的数值，但像蒙特卡洛（MC）模拟这样的直接计算方法在模拟复杂的肿瘤异质性和辐射几何结构方面具有更大的灵活性，尤其是在缺乏实验数据的情况下。尽管有这一优势，针对特定肿瘤的MC研究仍然很少。本研究通过使用基于Geant4的MC模拟来计算特定肿瘤的光子衰减系数和电子阻止本领，以填补这一空白。目的是生成精确的、具有临床相关性的数据，这对于优化人体癌症的吸收剂量计算和改善放射治疗剂量学至关重要，特别是在缺乏特定组织实验数据的情况下。

章节摘录

引言

辐射能量沉积指标是控制辐射如何向物质传递能量的基本物理量，对于准确的放射治疗计划制定至关重要。质量能量吸收系数（μ_en/ρ）具体量化了光子（X射线/伽马射线）通过吸收过程在单位质量上沉积的能量，从而直接决定了基于光子的治疗中的剂量传递。相反，电子的质量碰撞阻止本领（S_Col/ρ）则衡量了

质量能量吸收系数的确定

质量能量吸收系数（μ_en/ρ）量化了入射辐射能量在单位质量材料上被吸收的比例。其计算涉及将光子相互作用数据（例如光电效应、康普顿散射、对产生）与能量沉积模型结合起来。这些系数在医学物理、辐射屏蔽和剂量学中至关重要，用于评估吸收剂量和辐射安全性。它是由质量衰减系数（μ/ρ）推导出来的，但考虑了

肿瘤样本

国际辐射单位与测量委员会（ICRU）在其ICRU-46报告中发布了几种肿瘤样本的数据。这些样本来自人体的不同部位，包括肺鳞状细胞癌、肉瘤、腺样囊性癌、黑色素瘤和直肠鳞状细胞癌，由于它们含有较高的氢含量，因此对中子治疗反应良好。这些肿瘤的元素组成通过燃烧分析进行了测量，并与

质量能量吸收系数（μ_en/ρ）

表3和图2展示了五种肿瘤样本和水的计算质量能量吸收系数（μ_en/ρ），显示出由基本光子相互作用过程决定的特征能量依赖性。所有材料在光子能量从10 keV增加到大约0.1 MeV的过程中都表现出明显的初始下降。这种急剧下降主要归因于在这个低能量范围内光电效应的主导作用。

结论

蒙特卡洛（MC）模拟是研究光子-物质相互作用的强大工具。该方法的可靠性在很大程度上取决于模拟材料的几何模型、元素组成和密度分布的准确性。在本研究中，使用了Geant4模拟工具包来计算几种人体肿瘤组织在一系列光子能量下的质量能量吸收系数μ_en/ρ和质量碰撞阻止本领（S_col/ρ）。

CRediT作者贡献声明

M.E. Medhat：验证、监督、软件开发。Jie Lie：数据整理、概念构思。Zhao Wen Quan：资金获取、正式分析、概念构思。Omar Medhat Mostafa：可视化、验证、方法论、正式分析

未引用的参考文献

Büyüky?ld?z和Kurudirek，2017；[10]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

本文描述的研究没有使用任何数据。

利益冲突

作者声明与本工作无关的财务或非财务利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢浙江大学国际学院的工作人员为Omar Medhat Mostafa提供的硕士奖学金。这项工作得到了浙江大学的支持。