CC BY
50
ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА ДЛЯ МЕДИЦИНЫ: МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОТОННОЙ И ТЯЖЕЛОИОННОЙ ТЕРАПИИ С
ПОМОЩЬЮ GEANT4
И.А. Пшеничное 1,2
1 Институт ядерных исследований Российской академии наук, 117312 Москва 2 Франкфуртский институт перспективных исследований FIAS, Универститет Гёте 60438 Франкфурт на Майне, Германия E-mail: pshenich@inr.ru
Пучки протонов и тяжелых ионов являются высокоэффективными терапевтическими инструментами применяемыми в онкологии [1]. Их избирательное воздействие на глубокорасположенную опухоль связано с максимумом энерговыделения в конце пробега (пик Брэгга). Это позволяет сохранять окружающие опухоль здоровые ткани. Такая терапия реализуется путем тщательного планирования сеансов облучения и детального моделирования транспорта частиц в тканях. В нашей работе [2] демонстрируются возможности пакета GEANT4 [3,4] для расчета методом Монте-Карло доз облучения от протонов
и легких ядер с учетом фрагментации ядер и транспорта всех вторичных частиц.
10
Распределения доз по глубине для протонов и ядер Си О при энергиях 80-400 МэВ на нуклон успешно описываются моделью. Рассчитываются распределения вторичных частиц, включая ядерные фрагменты и нейтроны. Учет процессов фрагментации ядер первичного пучка позволяет описать дозы получаемые тканями за пределами пика Брэгга главным образом за счет вторичных протонов и ядер гелия. Проведено сравнение доз от вторичных нейтронов для пучков протонов и ядер углерода. Показано, что несмотря на то, что количество вторичных нейтронов на частицу пучка больше для ядер углерода, относительный вклад нейтронной дозы по сравнению с дозой от первичных ядер сравним с относительным вкладом нейтронов для протонных пучков (~ 1%).
Пакет GEANT4 создан международной коллаборацией в области фундаментальной физики. GEANT4 является открытым проектом, построен с помощью современных методов программирования и визуализации. Он способен моделировать широкий круг физических процессов, что позволяет применять его также и в медицинской физике.
[1] D. Schulz-Ertner, A. Nikoghosyan, С. Thilmann, et al., Results of carbon ion radiotherapy in 152 patients, Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 58 (2004) 631
[2] I.A. Pshenichnov, I.N. Mishustin, W. Greiner, Neutrons from fragmentation of light nuclei in tissue-like media: a study with the GEANT4 toolkit, Phys. Med. Biol. 50 (2005) 5493, http://arxiv.org/pdf/physics/0507091
[3] S. Agostinelli et al., (GEANT4 Collaboration) GEANT4: A simulation toolkit, Nucl. Instrum. Meth. A506 (2003) 250
[4] GEANT4 Webpage, http://geant4.web.cem.ch/geant4/
BASIC NUCLEAR PHYSICS MEETS MEDICINE: SIMULATIONS OF PROTON AND HEAVY-ION THERAPY WITH GEANT4
I.A. Pshenichnov 1,2 1 Institute for Nuclear Research, Russian Academy of Sciences
2 Frankfurt Institute for Advanced Studies FIAS,
Johann Wolfgang Goethe University 60438 Frankfurt am Main, Germany3 E-mail: pshenich@inr.ru
Proton and heavy-ion beams serve as very effective cancer therapy tools [1]. Their selective impact on a deep-seated tumor is explained by a maximum of energy deposition at the end of their range in matter (the Bragg peak). This shape of the depth-dose curve is exploited to keep alive surrounding healthy tissues. Therapy procedures have to be based on thorough treatment planning and detailed calculations of particle transport in tissues. We demonstrate^] the possibilities of the GEANT4 [3,4] toolkit for Monte Carlo dose calculations from protons and light nuclei taking into account nuclear fragmentation and secondary particle transport. The depth-dose distributions for protons, 12C and l80 nuclei at 80-400 AMeV are well described by the model. Secondary particle distributions, including nuclear fragments and neutrons are calculated. The dose in tissue beyond the Bragg peak is delivered mostly by secondary protons and helium nuclei. It is described by proper accounting for fragmentation of beam nuclei. The doses from secondary neutrons produced by proton and carbon beams are compared. The number of secondary neutrons per beam particle is greater for carbon beams in comparison with proton beams. However, their dose divided by the dose from primary nuclei does not essentially exceed a similar value in proton irradiation (~1%).
Originally the GEANT4 toolkit was created by an international collaboration for basic physics research. It is an open-source project based on modem techniques of programming and visualization. It is capable of simulating of a wide range of physics phenomena, which makes it useful for applications in medical physics.
[1] D. Schulz-Ertner, A. Nikoghosyan, C. Thilmann, et al., Results of carbon ion radiotherapy in 152 patients, Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 58 (2004) 631
[2] I.A. Pshenichnov, I.N. Mishustin, W. Greiner, Neutrons from fragmentation of light nuclei in tissue-like media: a study with the GEANT4 toolkit, Phys. Med. Biol. 50 (2005) 5493, http://arxiv.org/pdf/phvsics/0507091
[3] S. Agostinelli et al., (GEANT4 Collaboration) GEANT4: A simulation toolkit, Nucl. Instrum. Meth. A506 (2003) 250
[4] GEANT4 Webpage, http://geant4.web.cem.ch/geant4/
