采用两种计算机建模方法进行宫颈体模剂量分布的质量保证

《Applied Radiation and Isotopes》：Dose distribution in a cervix phantom quality-assurance using two computer modeling approaches

　　**摘要**- 比较了两种用于三维体模计算建模的几何方法。- 一种模型基于网格型表面，另一种使用Macrobodies。- 使用蒙特卡洛方法计算放置在体模内放射致色膜中的吸收剂量。- 表面网格模型显示出更高的剂量测定精度。---**引言**高剂量率（HDR）近距离放疗广泛用于妇科肿瘤，特别是宫颈癌的治疗。HDR涉及将放射性源直接插入肿瘤组织内或其附近。这能够在短时间内交付高剂量辐射，同时周围组织的剂量迅速跌落。基于剂量分布的精确空间表示进行严格的治疗计划对于确保治疗有效性和患者安全至关重要。这些表示通常通过等剂量曲线来表达（Viswanathan et al., 2012; P?tter et al., 2018）。铱-192（1?2Ir）是HDR中常用的放射性核素。精确的源定位和植入体周围剂量分布的详细知识对于最大化靶体积覆盖、同时最小化对邻近器官的照射至关重要（IAEA, 2023）。这些剂量分布的准确性直接取决于模拟系统中使用的剂量计算算法和几何表示的质量。在这种情况下，蒙特卡洛方法已成为一种高度可靠的工具，能够以真实且具有统计鲁棒性的方式模拟粒子与物质的相互作用。特别是，蒙特卡洛方法能够考虑几何和物理非均质性的能力使其在临床和实验环境中的剂量测定应用中具有优势（Geraldo et al., 2021; Santos et al., 2023）。事实上，当采用三维建模时，蒙特卡洛方法在预测复杂几何条件下的剂量分布方面变得更加强大（Geraldo et al., 2021）。物理体模在质量保证和剂量测定验证程序中发挥着重要作用，其范围从均匀水和有机玻璃（PMMA）模型到水等效和人体模型，以及专用体模。为妇科近距离放疗开发的示例包括De Almeida等人（2002）提出的注水PMMA骨盆体模、Silva等人（2015）开发的包含三维膀胱模型的PMMA体模，以及Guiral等人（2016）描述的结合了氮化镓（GaN）剂量计的仪器化PMMA体模。这些及其他用于近距离放疗的物理模型在Wilby等人（2021）的综述研究中均有引用。计算体模的范围同样从简化的解析几何到基于体素和网格的表示，具体取决于预期的剂量测定应用。在此背景下，Angelika体模是一种非人体仿真的三维体模，专为妇科近距离放疗的质量保证应用而开发。与解剖学参考体模不同，其目的不是详细再现人体解剖结构，而是提供一个明确定义且可重复的几何结构，用于性能评估、剂量测定研究和基准测试（Maciel et al., 2025）。选择该体模是因为其几何结构包含一个中心源通道、多个纵向源位置、八个角度膜位置和可拆卸塞子，能够实现对纵向和角度剂量变化的可控评估。这些特征也使其特别适合用于比较Surface Mesh和Macrobodies建模方法。Angelika体模的提出与IAEA TRS-492中描述的质量保证和剂量测定验证原则一致，该文件为近距离放疗剂量测定提供了国际操作规范（IAEA, 2023）。在蒙特卡洛模拟中，物理结构的几何表示会影响粒子输运和能量沉积的估算。简化的几何结构，如Macrobodies，具有较低的计算机复杂度，而Surface Mesh模型能够提供更详细的体模轮廓和内部结构描述。然而，这些建模策略对近距离放疗中所用质量保证体模计算剂量分布的影响仍有待充分探索。尽管基于蒙特卡洛的PHITS和GEANT4模拟工具箱在医学物理中广泛使用，但本研究选择MCNP6.2是因为它能够在同一模拟环境中支持构造实体几何和非结构化四面体网格。这一功能使我们能够在相同的材料、源规格、输运参数和归一化程序下比较Macrobodies和Surface Mesh模型，从而分离几何表示的影响。此外，MCNP6.2是一个成熟的连续能量辐射输运代码，已广泛应用于剂量测定和近距离放疗研究（Werner et al., 2018）。本研究的目的是使用MCNP6.2模拟比较Angelika体模的Surface Mesh和Macrobodies表示。对两种方法获得的吸收剂量分布进行了评估，以研究几何表示对剂量计算的影响，并确定每种建模策略在质量保证和蒙特卡洛基准测试应用中的优势和局限性。本研究并不旨在进行近距离放疗源剂量测定或验证TG-43形式；而是旨在在相同的源、材料和辐照条件下，比较应用于Angelika体模的两种几何建模方法。因此，常用于源表征的TG-43剂量测定参数（如径向剂量函数和各向异性函数）超出了本研究的范围。因此，分析重点在于几何表示对体模内计算所得吸收剂量分布的影响。---**各节摘要****2.1 Angelika体模的计算建模**Angelika体模使用两种不同的几何方法进行了建模，以研究几何表示对蒙特卡洛剂量计算的影响：一种Surface Mesh模型和一种Macrobodies模型。模拟使用MCNP6.2辐射输运代码（Werner et al., 2018）完成。原始Angelika体模几何结构（由Maciel等人于2025年先前描述）被导入Blender（4.4版）并导出为OBJ文件。然后，将几何结构转换为……**结果与讨论**如表1所示，吸收剂量率（单位：Gy/h）是根据放射致色膜的源位置和角度取向计算的，考虑了Angelika体模的两种不同几何模型：Macrobodies和Surface Mesh。**结论**本研究通过比较Angelika体模的两种计算实现——表面网格模型和Macrobodies模型，探讨了几何表示对蒙特卡洛剂量计算的影响。尽管两种方法产生了相同的角度和纵向剂量变化整体模式，但在计算所得的吸收剂量率中观察到了系统性差异。对于两种几何表示，当源位于……时获得最高的吸收剂量率。---**CRediT作者贡献声明****Divanizia N. Souza：** 撰写——初稿、监督、调查研究、概念构思。**Junio O. Maciel：** 撰写——初稿、可视化、方法论、调查研究、形式化分析。**José Rafael S. Ferreira Maciel：** 验证、形式化分析、概念构思。**Rogério M. V. Silva：** 验证、资源、调查研究。**William S. Santos：** 撰写——初稿、方法论、形式化分析、概念构思。---**未引用参考文献**Viswanathan and Thomadsen, 2012。---**生成式AI和AI辅助技术在写作过程中的声明**在本工作准备过程中，作者使用了ChatGPT来改善文本的语言和可读性。使用该工具后，作者仔细审核并编辑了内容，并对最终手稿版本承担全部责任。---**利益冲突声明**? 作者声明以下财务利益/个人关系，这些关系可被视为潜在利益冲突：Divanizia N Souza报告获得了塞阿拉邦联邦大学的财务支持。如有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本论文所述工作的财务利益冲突或个人关系。---**致谢**作者感谢巴西国家科学研究与技术发展委员会（CNPq）对研究项目444561/2024-2、406761/2022-1、444561/2024-2（D.N.S）以及305652/2025-7（W.S.S）提供的财政支持。国家辐射技术健康科学研究所（INTERAS）（巴西国家科学和技术发展委员会）。---Junio O. Maciel | José Rafael S. Ferreira | Rogério M.V. Silva | William S. Santos | Divanizia N. Souza