《Radiation Physics and Chemistry》：Monte Carlo-Based Assessment of Solid Phantom Equivalence to Water in Radiation Therapy Quality Assurance
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辐射剂量学领域，本研究通过蒙特卡洛模拟（GATE平台）系统评估了RW3、尼龙、PMMA、聚酯等8种固体材料在6MV光子束下的剂量等效性，发现RW3的PDD偏差仅-0.65%、横向剂量偏差-4.68%、均方根误差5.62%，显著优于尼龙（偏差>10%）和聚酯，但聚乙烯存在+3.98%的PDD偏差。
A. Khallouqi|H. Sekkat|O. Elmouden|N. Ghosne|I. Lagrini|A. Halimi|O. El Rhazouani
摩洛哥塞塔特哈桑第一大学健康科学高等研究院生物医学科学与工程、生物物理学与健康实验室
摘要
精确的剂量测量对于优化放射治疗效果至关重要，需要在控制肿瘤的同时尽量减少对健康组织的损伤。水模因其与人体组织的等效性而被视为黄金标准，但实际应用中的限制（如设置复杂性和便携性）促使人们寻找替代材料。本研究利用GATE平台进行蒙特卡洛模拟，全面评估了常见固体模（RW3、尼龙、PMMA、聚酯、聚乙烯、聚苯乙烯、原始塑料水和虚拟水）与水在6 MV平坦光子束下的剂量等效性。评估指标包括百分比深度剂量（PDD）曲线、10厘米深度处的横向剂量分布以及三维体积剂量分布，所有测试均在相同的束流配置下进行（10 × 10厘米2照射野，100厘米焦距）。通过使用PTW Semiflex电离室（0.125立方厘米）在电动水模中获得的实验数据进行验证，模拟结果的准确性得到确认，伽马通量率超过99%（2%/2毫米标准）。结果显示RW3是最佳的水替代品（平均PDD偏差：-0.65%；横向偏差：-4.68%；均方根误差：5.62%），其次是塑料水和虚拟水模；而尼龙和聚酯的偏差较大（超过10%）。聚乙烯则表现出异常的正偏差（PDD为+3.98%）。这些发现根据IAEA和AAPM的公差标准进行了评估（参考剂量测量的公差为±2%，常规质量保证的公差为±3%），突显了材料特定的辐射特性对光子相互作用的影响，表明RW3在临床质量保证中的实用性，并指出了需要校正因子的材料（聚苯乙烯和聚乙烯）或不适合临床使用的材料（尼龙和聚酯的偏差超过10%）。
引言
放射治疗中的精确剂量测量对于确保患者安全和治疗效果至关重要。准确测量施加给患者的剂量分布使临床医生能够最大化肿瘤控制的同时，最小化对周围健康组织的损伤（Apipunyasopon等人，2013年；Thankachan T等人，2026年）。任何偏离预定剂量的情况都可能影响治疗效果或增加放射诱导并发症的风险（Yu，2022年）。因此，高保真度的剂量测量工具和协议是临床放射治疗质量保证和治疗计划验证不可或缺的组成部分（Awad等人，2025年）。
水模因其与人体软组织的特性高度相似而被广泛认为是剂量测量的黄金标准（ICRU，1989年）。水的电子密度及其与光子和电子束的相互作用特性与组织非常相似，从而能够准确模拟临床环境中的剂量沉积（Musolino，2001年）。这种组织等效性有助于生成用于校准和比较的参考剂量测量数据（Matuszak等人，2022年）。然而，使用水模也存在一些限制，包括设置过程复杂且耗时、缺乏便携性，以及由于蒸发和环境因素需要频繁重新校准。这些挑战促使人们探索和采用替代模材料（Khallouqi等人，2025b）。在这里，水等效性是指固体模材料在三个互补指标上复制水剂量行为的程度：百分比深度剂量（PDD）分布（表征束流衰减和积累特性）、横向剂量分布（评估散射特性和束流平坦度）以及三维体积剂量分布（捕捉整体空间剂量响应）。
固体模材料具有实际优势，可以弥补水模的许多缺点（Gargett等人，2020a）。它们的耐用性、易处理性和机械稳定性提高了常规临床工作流程的可重复性和便利性。固体模被广泛用于加速器束流调试、常规质量保证和研究目的，这些场合需要一致且可重复的条件（Ade等人，2020a）。尽管有这些优点，各种固体模与水的相对剂量等效性仍是一个持续研究的课题，需要严格的比较分析来确定它们在特定放射治疗应用中的适用性。
现有研究通常在有限条件下单独测试个别材料。Ade等人研究了尼龙-12在光子束下的表现（Ade等人，2020b），而Gargett等人评估了特定的商用模（Gargett等人，2020b），但采用多种剂量测量指标的综合多材料比较仍然较少。大多数研究仅关注深度剂量分布，未能全面评估横向分布和体积剂量分布所捕捉的散射依赖现象。值得注意的是，像尼龙-6和聚酯树脂这样的常见工业聚合物在兆伏级光子束下的研究相对较少，而市场上销售的等效水模则得到了更多研究。
本研究的目的是全面评估并排名八种固体模材料（RW3、尼龙-6、PMMA、聚酯树脂、聚乙烯、聚苯乙烯、原始塑料水和虚拟水）与水作为参考标准的等效性。通过使用Varian TrueBeam直线加速器产生的6 MV光子束（10×10厘米2照射野，100厘米焦距）进行验证的蒙特卡洛模拟，我们评估了三个互补的剂量测量指标：PDD曲线、横向剂量分布和体积剂量分布。实际目标是建立一种适用于临床质量保证应用的模材料排名体系；特别关注尼龙-6和聚酯树脂——这些材料在兆伏级研究中的关注度较低，但常被视为低成本替代品；本研究旨在填补这些常见工业材料的知识空白。通过系统的多维度评估提供基于证据的指导，从而提高放射治疗质量保证、束流调试和治疗计划验证的剂量测量精度。
材料描述
本研究调查的材料包括水（作为光子和剂量计算的标准参考材料）以及几种常用于放射剂量测量和质量保证程序的固体组织等效模。具体来说，所评估的固体模包括RW3（基于聚苯乙烯的等效水模）、尼龙、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，也称为亚克力或有机玻璃）和聚乙烯。选择这些材料是因为它们
相空间文件特征
PhS文件是在Varian TrueBeam 6 MV光子束的GATE模拟中，位于次级准直器正下方的评分平面上生成的（见图3）。该文件采用ROOT格式，便于存储和分析，记录了包括类型（主要是光子，少量电子和正电子杂质）、位置、方向、能量和动量等关键粒子属性。PhS文件包含了大约5.3 × 10^6个粒子，这些粒子来自10次独立的模拟运行
局限性与未来方向
本研究使用的是6 MV的束流和10×10厘米2的照射野。为了推广研究结果，未来的工作应涵盖不同的能量范围（例如4–18 MV）和较小的照射野（<3×3厘米2），在这些条件下电子非平衡现象可能会凸显材料之间的差异。研究还应扩展到电子束和无平坦滤波器（FFF）模式，因为光谱变化可能影响等效性。此外，还需要评估模的长期稳定性，并通过多次测试验证结果
结论
这项基于蒙特卡洛的比较分析表明，在参考条件（10×10厘米2照射野，100厘米焦距）下，RW3在6 MV光子束剂量测量方面最接近水的表现，PDD的平均偏差最小（-0.65%），横向分布的平均偏差最小（-4.68%），三维剂量分布的均方根误差为5.62%。虚拟水和塑料模也表现出很强的等效性，适合常规应用；而聚苯乙烯
CRediT作者贡献声明
Oussama Elmouden：可视化、方法论、研究。Nadia Ghosne：可视化、方法论。Ismail Lagrini：可视化、方法论。Abdellah Halimi：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证。El Rhazouani Omar：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证。KHALLOUQI ABDELLAH：撰写 – 原稿撰写、软件开发、资源获取、方法论、研究设计、资金申请、数据分析、概念化。Hamza Sekkat：可视化
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
利益冲突声明
我在此声明，在任何可能引发利益冲突的事务中，我没有任何金钱或其他个人利益。
致谢
作为作者，我们要感谢Varian Medical Systems提供Varian TrueBeam的相空间数据，并允许我们研究Varian直线加速器技术并参与其未来发展。我们还要非常感谢Marwan HPC中心在复杂模拟计算方面的支持，他们的贡献对完成这项研究至关重要。
