[论文解读] A comparison of proton ranges in complex media using GATE/Geant4, MCNP6 and FLUKA

Jarle Rambo Sølie, Helge Egil Seime Pettersen+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2017

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 13被引用 4

一句话总结

本研究对比了三种蒙特卡罗辐射传输代码——GATE/Geant4、MCNP6 和 FLUKA——在复杂介质中质子射程预测的表现，结果与半经验数据进行比较。这些代码在平均射程、侧向展宽和核相互作用损失方面表现出高度一致性，仅在侧向束流展宽（GATE/Geant4）和 MCNP6 对水中射程的轻微低估方面存在微小差异，验证了其在质子治疗和 CT 探测器设计中的适用性。

ABSTRACT

The Monte Carlo (MC) simulation method is a powerful tool for radiation physicists, and several general-purpose software packages are commonly applied in a myriad of different radiation physics fields today. In medical physics, charged particle detectors for proton Computed Tomography are under development, a modality introduced in order to increase the accuracy of proton radiation therapy. MC simulations are helpful during the development and optimization phase of such detector systems. In order to justify the usage of MC for such purposes, the simulation output must be validated against experimental or theoretical data, or even cross-checked between different MC software packages. In this study, we compare three general-purpose MC software packages (GATE/Geant4, MCNP6 and FLUKA) with respect to how they predict the spatial distribution of the stopping position of protons. They are compared to each other and to semi-empirical data, using the mean proton range, the longitudinal and lateral variation of individual proton ranges, and the fraction of primary protons lost to nuclear interactions. This comparison is performed in two homogeneous materials and in a detector geometry designed for proton Computed Tomography. The three MC software packages agree well, and sufficiently reproduce the semi-empirical data. Some discrepancies are observed, such as less lateral beam spreading in GATE/Geant4, and a small deficiency in the MCNP6 proton range in water: This is consistent with previously published data. Due to the general agreement, the choice of simulation framework may be made on personal preferences. It is important to note that the choice of physics packages, simulation parameter settings and material definitions are important aspects when performing MC simulations, both during the preparation, execution and interpretation of the simulation results.

研究动机与目标

• 评估三种主要蒙特卡罗代码（GATE/Geant4、MCNP6 和 FLUKA）在质子射程预测上的一致性。
• 将模拟结果与复杂介质中质子停止能的半经验数据进行验证。
• 评估特定代码的物理模型和模拟参数对质子射程和束流展宽预测的影响。
• 支持蒙特卡罗模拟在质子计算机断层扫描探测器设计与优化中的可靠性。
• 基于性能、准确性及用户偏好，为医学物理应用中的代码选择提供建议。

提出的方法

• 使用 GATE/Geant4、MCNP6 和 FLUKA 对质子在均匀材料（水和 PMMA）以及质子 CT 探测器几何结构中的输运进行模拟。
• 为每种代码采用标准物理列表和默认模拟参数，以确保公平比较。
• 追踪单个质子的射程，以计算平均射程、纵向和侧向展宽，以及因核相互作用而损失的质子比例。
• 将模拟输出与基于既定质子停止能关系的半经验数据直接对比。
• 分析三种软件包在束流展宽和射程预测方面的差异。
• 在所有模拟中采用一致的材料定义和粒子源配置，以隔离代码相关的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 GATE/Geant4、MCNP6 和 FLUKA 在预测水中和 PMMA 中平均质子射程方面表现如何？
• RQ2 这三种代码在复杂介质中对质子射程的纵向和侧向展宽的再现程度如何？
• RQ3 每种模拟框架中，初级质子因核相互作用而损失的比例是多少？
• RQ4 模拟结果与半经验质子停止能数据在定量上相比如何？
• RQ5 是否存在系统性差异，影响质子 CT 中探测器设计的束流展宽或射程预测？

主要发现

• 三种蒙特卡罗代码——GATE/Geant4、MCNP6 和 FLUKA——在水和 PMMA 中预测平均质子射程方面表现出高度一致性。
• GATE/Geant4 的侧向束流展宽小于 MCNP6 和 FLUKA，表明其多重散射建模存在差异。
• MCNP6 在水中表现出轻微但一致的射程低估，与先前报道的差异一致。
• 所有三种代码均在可接受范围内再现了半经验数据中的质子射程，验证了其在质子治疗和 CT 探测器模拟中的适用性。
• 所有代码中因核相互作用而损失的质子比例相近，表明核相互作用的处理具有一致性。
• 尽管存在微小差异，总体一致性支持三种代码在质子 CT 探测器开发中的可靠性，代码选择应基于用户偏好和配置设置。