CosmicDNA：一种针对电子、质子和任意高能重离子（HZE）的Geant4-DNA物理模型的高能扩展与验证方法

《Radiation Physics and Chemistry》：CosmicDNA: A high energy extension and validation of Geant4-DNA physics models for electrons, protons and arbitrary HZE ions

本研究扩展了Geant4-DNA的物理模型，使其能模拟100 keV/u至1 TeV/u的高能质子、离子及电子，并验证其在水中的 stopping power、剂量分布与ICRU推荐值吻合度提升超18%，为空间辐射生物学提供基础工具，后续将整合至Geant4版本更新中。

　　

J.W. Archer|黄玉贞|塞巴斯蒂安·因塞蒂|弗洛朗娜·波安特|伊阿尼克·普兰特|佐佐塔·道萨图|弗拉基米尔·伊万琴科|康斯坦丁诺斯·P·查齐帕帕斯|阿纳托利·B·罗森菲尔德|杰里米·M.C. 布朗|苏珊娜·瓜泰利

伍伦贡大学医学辐射物理中心，北菲尔兹大道，伍伦贡，新南威尔士州 2522，澳大利亚

摘要

轨迹结构粒子物理模型和辐射物理模型已被越来越多地用于理解辐射对DNA的损伤，并进行计算机模拟微剂量学和纳剂量学计算。开源蒙特卡罗工具包Geant4-DNA允许在纳米和微观尺度上模拟真实的细胞几何结构中的物理和化学相互作用。为了提高Geant4-DNA在空间辐射生物学中的应用能力，通过在其内部实现新的物理模型集，扩展了可用于模拟的能量范围和粒子类型。已经为质子和离子开发了100 keV/u到1 TeV/u能量的电离和激发模型。此外，还实现了电子的电离、激发和轫致辐射模型，使其能够模拟7 eV到100 MeV的能量范围。这些模型被整合到一个名为“CosmicDNA”的物理列表中，并针对液态水中的阻止能力、射程和剂量径向分布进行了基准测试。由于实施了这些模型，质子和离子在分子水中的模拟阻止能力与ICRU的建议值相比提高了超过18%。这套新的物理模型集将在Geant4的后续版本中实现，并随着改进模型的出现进行更新。

引言

辐射生物学权重和质量因子用于评估放射治疗中的辐射健康影响以及空间辐射环境等辐射防护应用。这些因子通常基于粒子类型、能量和组织类型（ICRP, 2007, Cucinotta等, 2011）、线性能量传递（LET）（ICRP, 1991）或随机线性能量（ICRU, 1986, ICRU, 2023）用于微剂量学。

虽然这些经验性的辐射质量描述非常有用，但这些粒子及其次级产物的轨迹结构有助于更好地理解不同类型辐射的有效机制（Nikjoo等, 1999）。通过结合辐射的物理轨迹结构建模、生物介质中的辐射分解、原子级DNA模型和细胞的详细几何模型，可以评估早期DNA损伤并模拟照射后的细胞修复动态（Sakata等, 2020, Sakata等, 2023）。Geant4-DNA（Incerti等, 2010b, Incerti等, 2018, Incerti等, 2010a, Bernal等, 2015）是开源蒙特卡罗工具包Geant4（Allison等, 2006, Agostinelli等, 2003, Allison等, 2016）的扩展，其中包含了质子、离子和电子的轨迹结构物理模型，以及分子水中诱导放射性物质的跟踪模型（Tran等, 2024）。

随着对长期太空任务和空间辐射生物学的兴趣增加，越来越需要了解不同太空环境中辐射对健康的影晌以及对细胞的影响。作为其中一部分目标，最近在月球表面研究了由银河宇宙射线（GCR）质子和α粒子引起的早期DNA损伤（Archer等, 2025）。然而，Geant4-DNA中的质子在分子水中的电离和激发模型仅在300 MeV以下使用Born模型，在300 MeV以上使用相对论性平面波Born近似（RPWBA）进行验证（Domínguez-Mu?oz等, 2022）。

Geant4-DNA中的离子电离仅针对少数几种离子物种进行了验证（${}^4$${}^7$${}^9$${}^{11}$${}^{12}$${}^{14}$${}^{16}$${}^{28}$${}^{29}$${}^{56}$），能量范围从500 keV/u到1 TeV/u。虽然这些物种构成了GCR谱中由于离子积累的剂量和剂量当量的重要部分（Simonsen等, 2020, Slaba等, 2016），但需要能够模拟不同原子质量和原子数的离子，以考虑完整的GCR谱及其后续核碎片。当前的低能量限制也导致1 MeV/u以下的粒子能量不准确（Francis等, 2012）。

除了适用于太空辐射场景外，还需要更高能量的模型来理解放射治疗中的生物学效应，例如超高剂量率放射治疗、非常高能电子（VHEE）放射治疗以及来自粒子治疗的场外剂量。这些应用可以包括高能离子束（$300\; MeV/u$）（Stock等, 2018）或电子束（$1\; MeV$）（Schüler等, 2022, Bazalova-Carter等, 2015），这些超出了Geant4-DNA当前可建模的范围。

Plante和Cucinotta在2008年、2009年将质子、重离子和电子的物理轨迹结构模型实现了到RITRACKS代码中，用于分子水。在这项研究中，扩展并验证了Geant4-DNA的适用能量范围，以便对分子水中的完整GCR谱进行更好的轨迹结构模拟。这是通过实现基于Plante和Cucinotta在2008年、2009年描述的新物理模型来实现的。最后，对这些模型在计算速度和准确性方面进行了基准测试。这些模型将作为Geant4-DNA中的基础物理列表“CosmicDNA”使用，旨在模拟适用于太空辐射研究的大多数粒子类型的整个能量范围。随着改进模型的出现，这个物理列表将随着时间进行更新。

部分摘录

方法

在Geant4-DNA中开发了轨迹结构物理模型，并将其整合到一个名为“CosmicDNA”的物理列表中，可通过物理构造器G4EmDNAPhysics_option7访问。这些模型适用于广泛的能量范围和分子水环境。特别是，Plante和Cucinotta在2008年、2009年描述的物理模型被集成到CosmicDNA中，完整的物理模型集在表1中进行了总结。

在本节中，计算

离子电离

可以通过拒绝方法或LUT来采样Rudd的电离模型和Kutcher与Green的激发模型的能量损失。为了测试这些方法的计算速度和准确性，将拒绝方法与包含100 eV到10^12 eV之间100个质子能量以及10^-3 eV到给定质子动能下允许的最大电子能量的100个次级能量的LUT方法进行了比较，如图8a所示。

讨论与结论

在这项研究中，将新的物理模型实现了到Geant4-DNA中，用于分子水，以扩展现有轨迹结构模型的高能量适用范围，并提高物理模型对更一般离子物种的适用性。这些模型基于Plante和Cucinotta在2008年、2009年描述的模型。改进了分子水中质子（高于300 MeV）和离子的电离和激发模型，从而与ICRU的建议值更为吻合。

CRediT作者贡献声明

J.W. Archer：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，验证，软件，方法论，调查，数据分析，概念化。黄玉贞：监督，软件。塞巴斯蒂安·因塞蒂：监督，软件。弗洛朗娜·波安特：软件，方法论。伊阿尼克·普兰特：软件，方法论。佐佐塔·道萨图：监督，软件，方法论。弗拉基米尔·伊万琴科：监督，软件。康斯坦丁诺斯·P·查齐帕帕斯：验证，软件，方法论。阿纳托利

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Jay Archer报告称获得了澳大利亚联邦政府的财务支持。Jay Archer报告称获得了AINSE有限公司的财务支持。Jay Archer报告称设备、药物或用品由国家计算基础设施提供。如果有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人

致谢

J. Archer得到了澳大利亚政府研究培训计划（AGRTP）的支持。作者们还要感谢国家计算成就分配计划（NCMAS）2022年、2023年、2024年提供的访问澳大利亚国家计算基础设施（NCI）资源的支持。他们还要感谢欧洲航天局通过BioRad3项目（合同4000132935/21/NL/CRS,2021–2023）提供的支持。这项工作得到了NASA兰利研究中心合同的支持