成人人体不同器官中中子释能因子计算方法的研究

《Radiation Physics and Chemistry》：Investigation of Neutron Kerma Factor Calculations in Different Organs of Adult Human Body

中子能量1.05-10.5 MeV下人体器官Neutron Kerma Factor（NKF）的蒙特卡洛计算与ICRU-46数据对比分析，采用GAMOS代码模拟验证其可靠性，结果显示相对误差小于8%，为辐射防护和剂量计算提供新方法。

　　

Hassan Al Kanti|Abdu Hamoud Al-Khawlany

也门阿姆兰大学教育、科学与艺术学院物理系

摘要

本文旨在利用蒙特卡洛（MC）模拟方法研究1.05至10.5 MeV单能中子在成人人体器官中的相互作用参数。使用GAMOS代码计算了甲状腺、脾脏、肺、血液、大脑、肾脏、肝脏、心脏、眼睛和皮肤的中子能量沉积系数（NKF）。我们的结果与国际辐射单位和测量委员会（ICRU）第ICRU-46号报告中的数据进行了比较，两者之间的相对差异小于8%。我们成功验证了GAMOS代码用于计算中子束的NKF的准确性。总体而言，这些计算工具在确定所有评估器官组织和能量水平的NKF方面表现出有效性。蒙特卡洛技术已被证明是一种可靠且灵活的方法，可用于评估中子能量沉积系数，并能适应复杂的几何形状和屏蔽条件。

引言

中子作为不带电粒子，主要通过核反应而非直接电离与物质相互作用。对于带电粒子和不带电粒子，确定任何材料的辐射屏蔽参数在许多研究和应用领域都至关重要，例如核成像和治疗、辐射和核设施以及辐射剂量学（Aygun 2024）。单位质量释放的动能（KERMA）是中子剂量学和辐射防护中的一个基本量（Chiti等人2024；Vishwanath P Singh, Badiger和Vega-carrillo 2015）。准确测定中子能量沉积系数对于评估暴露于中子场中的材料所吸收的剂量是必不可少的（Matysiak, Prestwich和Byun 2012）。

国际放射防护委员会（ICRP）和国际辐射单位和测量委员会（ICRU）制定了一套防护量标准。为了在实际的放射防护中实施限制和优化的基本原则，需要剂量量（Al Kanti等人2022）。ICRU-57和ICRU-74报告总结了用于光子、电子和中子束的辐射防护的转换系数（ICRP 74 1996；ICRU 57 1997）。ICRU-46报告总结了不同人体器官中的中子能量沉积系数（ICRU 46报告1992）。

GAMOS（基于GEANT4的医学导向模拟架构）是一个多功能框架，建立在GEANT4基础上，提供了用户友好的界面和一系列功能（Collaboration 2020）。该软件允许详细建模实验设置的各种组成部分，包括几何形状、材料属性、粒子类型以及发生的物理相互作用。此外，GAMOS包含了一个全面的物理过程列表，确保了模拟的准确性。用户可以使用简单的命令轻松选择不同模型，如标准模型、低能模型或Penelope模型来处理每种粒子类型。对于低能建模，它使用了劳伦斯利弗莫尔国家实验室提供的数据库，特别是EPDL97来处理中子相互作用（Al Kanti等人2022）。

人体各器官的吸收剂量无法直接从辐射中测量（Elmaghraby, Saleh和Ghazaly 2026；Xie等人2026）。因此，应使用可测量的物理量（如能量沉积系数或通量）以及剂量系数来确定器官的吸收剂量（Al Kanti, El Hajjaji和El Bardouni 2020）。目前，为了确定剂量系数，符合人体解剖结构的数学人体模型被适配到蒙特卡洛计算机代码中（Khabaz和Al-azri 2025）。防护量的主要特点是它们只能通过计算获得。因此，操作量旨在提供防护量值的合理估计（Al Kanti, El Hajjaji和El Bardouni 2021）。产品（μ_tr/ρ）E_n定义为具有单位Gy.cm²的中子能量沉积系数（Ervin B；Podgorsak 2010；V P Singh, Badiger和Vega-carrillo 2015）。先前的蒙特卡洛研究增强了我们对中子相互作用及其相关危害的理解。然而，一个主要缺点是缺乏计算人体器官中子能量沉积系数的详细信息（Ridge 1982；Saha和Devan 2020；V P Singh等人2015）。本研究旨在使用GAMOS代码模拟计算ICRU-46中定义的成人人体器官（甲状腺、脾脏、肺、血液、大脑、肾脏、肝脏、心脏、眼睛和皮肤）在1.05至10.5 MeV能量范围内的中子能量沉积系数。我们的结果与ICRU-46报告的数据进行了比较，发现相对差异小于8%。这项研究评估了蒙特卡洛方法在中子剂量学应用中的可靠性，并有助于计算其他与辐射相关的参数。

材料与方法

使用GAMOS 6.2.0版本在Ubuntu 19.04.0上运行，计算1.05至10.5 MeV单能中子的NKF。GAMOS代码提供了一个包含所有电磁过程的物理过程列表。可以通过用户命令为每种粒子类型选择不同的模型（标准模型、低能模型或Penelope模型）（Collaboration 2020）。在本研究中，使用了G4QGSP_BIC_HP物理过程列表。

在本研究中，我们使用了一个简单的立方体几何形状来分离NKF作为材料的固有属性。

结果与讨论

使用GAMOS代码，针对1.05至10.5 MeV的10种不同成人人体器官（甲状腺、脾脏、肺、血液、大脑、肾脏、肝脏、心脏、眼睛和皮肤）的入射单能中子，确定了中子能量沉积系数。为了验证我们的结果，我们将获得的值与ICRU-46报告中的数据进行了比较。

使用GAMOS代码计算了成人人体器官（甲状腺、脾脏、肺、血液、大脑、肾脏、肝脏、心脏、眼睛和皮肤）的中子能量沉积系数（NKF）

结论

中子能量沉积系数的计算有助于估计辐射吸收累积因子和吸收剂量，因此在辐射剂量学领域具有重要意义。本研究旨在调查和验证人体器官（甲状腺、脾脏、肺、血液、大脑、肾脏、肝脏、心脏、眼睛和皮肤）对单能中子（1.05 -10.5 MeV）的中子能量沉积系数。模拟结果

作者贡献声明

Hassan Al Kanti：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，验证，监督，方法论，调查，形式分析，概念化。Abdu Hamoud Al-Khawlany：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿

未引用的参考文献

Ervin和Podgorsak, 2010; ICRP 116和Clement, 2010; ICRP 74, 1996; ICRU 46报告, 1992; ICRU 57, 1997; Al等人, 2026; Al等人, 2020; Al等人, 2021; Al等人, 2022; Khabaz和Harith, 2025; Singh等人, 2015.

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：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所述的工作。