使用MCNP方法评估解剖异质性对X射线乳腺剂量学的影响

《Applied Radiation and Isotopes》：Assessment of anatomical heterogeneity effects on X-ray breast dosimetry using MCNP

乳腺剂量估算的异质模型研究：整合VICTRE与MCNP 6.3的 novel computational workflow通过模拟临床压缩的解剖学真实异质乳腺模型，发现传统同质化模型（Dance/AAPM）显著低估MGD，最低达58.2%（6.5cm厚度，0.60mmAl HVL），差异约42%，验证了异质性对剂量分布的关键影响。

　　

亚历山大·C·F·席尔瓦（Alexander C.F. Silva）|洛雷娜·C·费尔南德斯（Lorena C. Fernandes）|莱昂纳多·S·洛雷斯（Leonardo S. Loures）|娜塔莎·B·席尔瓦（Natasha B. Silva）|乔纳森·O·桑托斯（Jonathan O. Santos）|乔西莱娜·C·桑托斯（Josilene C. Santos）|阿德米尔·X·达席尔瓦（Ademir X. da Silva）

核工程专业，里约热内卢联邦大学，里约热内卢，21941-914，巴西

摘要

乳腺X光摄影是乳腺癌筛查的重要工具，然而，平均腺体剂量（Mean Glandular Dose，MGD）的估算精度常常受到依赖均匀模体的传统剂量学模型的限制。这些模型过于简化了复杂的乳腺解剖结构，正如本研究所示，可能会显著低估腺体所受的辐射剂量。本研究通过建立一种新的计算工作流程来克服这一局限，该流程将FDA的开源VICTRE软件与MCNP 6.3代码的高级传输功能相结合。使用VICTRE Breast Phantom和VICTRE Breast Compress工具生成了具有解剖学真实性的异质乳腺模型，以模拟临床准确的生物力学压缩效果。计算出标准化腺体剂量系数（DgN），并与标准均匀模型（Dance；AAPM TG-195）及自定义的均匀模型进行了比较。模拟涵盖了乳腺厚度从3.5到6.5厘米、腺体密度从10%到80%的不同情况，以及半值层（HVL）在0.30到0.60毫米铝之间的不同射线质量。对于均匀模型的验证结果显示，其与已发表数据的一致性非常好，平均偏差低于2%。关键的是，异质模型得到的DgN值始终高于均匀模型：在6.5厘米厚的乳腺、半值层为0.60毫米铝的情况下，均匀模型的DgN比值低至0.582，表明存在约42%的差异。这些发现强调了解剖学真实性对于提高MGD估算精度的重要性，表明当前的评估协议可能需要改进，以更好地考虑组织异质性对辐射风险评估的影响。

引言

乳腺癌仍然是全球女性中最常被诊断出的恶性肿瘤，也是癌症相关死亡的主要原因。根据世界卫生组织的数据，仅2020年就估计有230万新病例和68.5万例死亡（Lauby-Secretan等人，2015年）。这些数字凸显了该疾病带来的重大公共卫生挑战，迫切需要有效的筛查计划以实现早期发现并提高生存率。在这方面，许多国家已经制定了严格的国家癌症控制策略。例如，在巴西，2023-2025年的官方估计显示每年约有73,610例新病例（Santos等人，2023年），这进一步凸显了乳腺X光摄影筛查在公共卫生政策中的重要地位。

在乳腺X光剂量学中，平均腺体剂量（MGD）是用于量化腺体组织吸收辐射剂量的标准指标，是评估辐射风险的主要依据。由于无法直接测量腺体剂量，因此使用乳房表面的入射空气 kerma（$K_i）和基于蒙特卡洛模拟的转换因子（即DgN系数）来估算MGD。Dance（1990年）提出的经典方法基于X射线与均匀乳腺模体的蒙特卡洛模拟来计算转换因子。随后，Dance等人（2000年、2009年）改进了该方法，纳入了对乳腺厚度和成像系统特性的修正，以符合英国和欧洲的指南。同样，Boone（1999年、2002年）也开发了适用于各种现代乳腺X光光谱的标准化剂量系数，这些系数使用了钨靶。然而，这两种方法的一个关键局限性在于它们都依赖于均匀假设，即将乳腺视为脂肪组织和腺体组织的均匀混合物。$

实际上，乳腺组织表现出显著的异质性，其特征是腺体和脂肪结构的复杂、非均匀分布。这种结构差异与乳腺密度密切相关，并在辐射传输中起着关键作用。

最近的进展引入了高分辨率的体素化乳腺模型，这些模型结合了来自实际成像数据的异质腺体组织分布。Dance等人（2005年）开发了三维体素化乳腺模型，能够对不同深度的乳腺进行剂量估算。Hernandez等人（2015年）利用这一技术表明，在考虑真实的（非均匀）腺体组织分布时，使用经典均匀模型得到的MGD估算值可能低大约30%，尤其是在高密度乳腺中。Sarno等人（2018年）也使用解剖学精确的模型进行了蒙特卡洛模拟，发现均匀模型中的剂量估算值更高，进一步强调了组织异质性对剂量分布的影响。尽管结果存在差异，一些研究显示均匀模型中的差异更大，但共识是剂量估算可能会被高估或低估，具体取决于异质模型的构建方式。尽管如此，体素化模型被认为提供了更准确的剂量评估，并在改进剂量学协议中发挥着重要作用。

尽管有先进的体素化模型可用，但将FDA的VICTRE（Graff，2016年）软件中的高保真解剖模型与广泛使用的蒙特卡洛代码无缝连接的流程一直缺失。为了解决这一缺口，本研究提出了一种新的方法，将这两种强大的工具结合起来。与以往的研究不同，我们提出了一种特定的分割和导入流程，将VICTRE生成的仿生模型整合到粒子模拟环境中。这种方法的特点在于它结合了VICTRE的详细、开源的解剖学真实性与粒子模拟软件的强大传输能力和广泛的计数功能。通过使用这种新流程，本研究旨在进行真实的剂量评估，并量化这种异质方法与国际指南中使用的均匀模型之间的剂量差异。

本研究旨在生成仿生乳腺模型，并通过与国际指南中常用的均匀模型进行比较来进行更真实的剂量评估。计算建模将使用VICTRE Breast Phantom和VICTRE Breast Compress软件来生成解剖学上异质的乳腺模型。

部分摘录

蒙特卡洛方法和曝光参数

蒙特卡洛方法被用来计算MGD和$K_i，使用的是MCNP\; 6.3版本（Kulesza等人，2022年）。模拟是在一个高性能计算（HPC）集群上进行的，该集群包含四个处理器，每个处理器有12个核心，总内存为176\; GB。每次模拟使用了48个核心，每个输入文件模拟了$$10^8$个粒子历史记录。计算运行时间根据乳腺模型和体素数量而有所不同。

MCNP 6.3的验证

图8展示了本研究结果与Dance（1990年）报告的结果之间的比较，其中实线表示两者相等。使用本研究开发的模型计算出的DgN值与Dance的数据相比，平均百分比差异为1.87%。

图9显示了将本研究的结果与AAPM第195工作组推荐的参考值（Sechopoulos等人，2015年）进行比较后的验证结果。

结论

本研究成功展示了一种新的计算工作流程的有效性，该流程将VICTRE软件与MCNP代码相结合，为模拟乳腺解剖异质性提供了更优的方法。通过将这种方法与标准参考文献（Dance，1990年；Sechopoulos等人，2015年）进行验证，我们确认了将真实的体素化模型与先进的蒙特卡洛模拟相结合能够比传统方法更准确地表示辐射传输。

CRediT作者贡献声明

亚历山大·C·F·席尔瓦（Alexander C.F. Silva）：撰写——原始草稿、验证、软件开发、项目管理、方法论设计、数据整理、概念构思。洛雷娜·C·费尔南德斯（Lorena C. Fernandes）：撰写——审阅与编辑。莱昂纳多·S·洛雷斯（Leonardo S. Loures）：撰写——审阅与编辑。娜塔莎·B·席尔瓦（Natasha B. Silva）：撰写——审阅与编辑。乔纳森·O·桑托斯（Jonathan O. Santos）：撰写——审阅与编辑、方法论设计。乔西莱娜·C·桑托斯（Josilene C. Santos）：撰写——审阅与编辑。阿德米尔·X·达席尔瓦（Ademir X. da Silva）：撰写——审阅与编辑、软件开发。

资助

本研究得到了里约热内卢州卡洛斯·查加斯·菲略研究支持基金会（资助编号：168813/2023-8）的支持。

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财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢环境分析与计算模拟实验室（LAASC）允许在他们的设施中进行部分模拟工作。