CC BY
20
Степанова У. А., Соловьёв А.Н. ©
Отдел радиационной биофизики, МРНЦ Минздрава РФ
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ТКАНЕЙ С БЛИЗКИМИ ПЛОТНОСТЯМИ НА ОЦЕНКИ ПОГЛОЩЁННЫХ ДОЗ ПРИ ПЛАНИРОВАНИИ НЕЙТРОННОЙ ТЕРАПИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ GEANT4
Аннотация
В работе проведена серия модельных экспериментов с помощью программного комплекса моделирования методом Монте-Карло GEANT4 для выявления влияния элементного состава тканей с близкими плотностями на оценки поглощённых доз при планировании нейтронной терапии.
Ключевые слова: нейтронная терапия, метод Монте-Карло, GEANT4, воксельный фантом. Keywords: neutron therapy, Monte Carlo method, Geant4, voxel phantom.
Введение. В настоящее время в экспериментальной и теоретической биофизике достигнут достаточно большой прогресс [1-12]. Планирование лучевой терапии в настоящее время обычно осуществляется с использованием воксельных фантомов в качестве модели тела пациента. При этом учитываются свойства разных тканей, влияющие на формирование дозовых полей от определённого вида излучений. При взаимодействии нейтронов с веществом важен элементный состав облучаемого вещества, от него будет зависеть вклад того или иного процесса взаимодействия в общую дозу облучения.
Организм человека представлен разнообразными тканями, при этом содержание разных химических элементов может существенно различаться в тканях с одинаковой плотностью. От того, насколько значимое влияние оказывают различия в составе на дозовые распределения в тканях, будет зависеть количество тканей, необходимых для адекватной дозиметрической оценки, сложность воксельного фантома при планировании нейтронной терапии и, как следствие, время планирования.
Материалы и методы. Для сравнения объёмных распределений поглощённых доз и энергий в кубических воксельных фантомах, заполненных различными видами тканей человеческого тела, использовалось средство моделирования GEANT4. Плотности тканей и их элементные составы были взяты в соответствии с рекомендациями МКРЗ [13, 14]. Для каждого фантома моделировалось облучение нейтронами с энергией 14 МэВ дисковым мононаправленным источником. Пучок нейтронов направлен в центр стороны фантома под прямым углом к её поверхности. Схема эксперимента показана на рис 1.
Рис. 1 - Схема модельного эксперимента
В модельных экспериментах
оценивались три группы тканеэквивалентых материалов, в каждой из которых содержится по три-четыре вида с одинаковой плотностью, и обобщённая мягкая ткань, элементный состав которой взят из [13] (рис. 2). Ткани по возможности выбирали таким образом, чтобы в одной группе при одинаковой плотности различия в элементном составе были наиболее существенными.
Для того чтобы сравнить результаты, полученные в каждом фантоме и выявить различия в распределениях поглощённых доз и энергий в исследуемых материалах, каждый фантом был разбит на области, ограниченные изодозами 15 %, 30 %, 45 %, 60 %, 75 %, 90 %
Вокеель — D.5 см
© Степанова У. А., Соловьёв А.Н., 2013 г.
и 100 % от максимума. Затем был проведён расчёт средних значений доз и энергий в вокселе в каждой из таких областей. По полученным средним значениям были построены графики, показывающие различия между распределениями поглощённых доз и энергий в каждом из фантомов. Сначала оценивали распределения исследуемых величин в каждой группе между собой, затем распределения в тканях из разных групп сравнивали с распределением в обобщённой мягкой ткани.
Ткани с плотностью 1,03 г/с# (надпочечники, желчный пузырь, лимфа)
Ткани с плотностью
1.04 г/см3
(желудок, селезёнка,
щитовидная железа)
¡>-
Ткани с плотностью
1.05 г/си ' (головной мозг, сердце, глаза, скелетные мышцы
к го Q
SsS I_ <£ я и о
5 о
К 32
03 I DC t— О с; со
■ю с 2
¡Г ю о л о
о
'.О га о
О ii 1- т-"
Рис. 2 - Группы тканей, использовавшиеся в модельном эксперименте
Результаты и обсуждение. Результаты расчётов показали, что при одинаковой плотности объёмные распределения дозы и энергии в большинстве мягких тканей в зависимости от их элементного состава изменяются мало и практически совпадают с распределениями в обобщённой мягкой ткани. Однако есть ткани, отличия распределений в которых заметны. Например, средняя поглощённая доза в вокселе внутри объёма, ограниченного 90 %-ной изодозой (90-100 %), в ткани мозга отличается от той же величины для обобщённой мягкой ткани на 2,5 %, а вычисленное аналогичным образом отличие по поглощённым энергиям составляет 3,5 %, в то время как отличия большинства рассмотренных мягких тканей от обобщённой мягкой ткани по распределениям поглощённой дозы и энергии не превышают 1,5 %.
Таким образом, при составлении таблицы тканей для системы планирования нейтронной терапии с целью упрощения расчёта многие мягкие ткани с близкими плотностями могут быть объединены в общую группу и условно заменены обобщённой мягкой тканью, однако некоторые ткани должны моделироваться отдельно в силу заметных отличий распределения поглощённой дозы в них. Так, из рассмотренных в экспериментах тканей в отдельные группы были выделены ткани мозга и глаза. Не следует включать в общую группу с мягкими и жидкие ткани, в частности лимфу.
Литература
1. Chernikov A.V., Bruskov V.I., Gudkov S.V.- Heat-induced formation of nitrogen oxides in water // J. Biol. Phys. - 2013. - V.39. - P.687-699
2. Gudkov S.V., Chernikov A.V., Bruskov V.I., Gudkova O.Y. - Protection of mice against X-ray injuries by the post-irradiation administration of guanosine and inosine // Int. J. Radiat. Biol. - 2009. - V.85. -№2. - С. 116-125.
3. Gudkov S.V., Bruskov V.I., Chernikov A.V. et al. - Oxygen-dependent auto-oscillations of water luminescence triggered by the 1264 nm radiation // Journal of Physical Chemistry B. - 2011. - V.115. -№23. - С. 7693-7698.
4. Белоcлудцев К.Н., Гармаш C.A., Белостудцева Н.В., Белова C.H, Бережнов А.В., Гудков C.B. -Исследование механизмов цитотоксического действия уранилнитрата // Биофизика. - 2012. -Т.57. - №5. - С. 789-795.
5. А.Б. Гапеев, Л.И. Фахранурова, С.И. Паскевич, А.А. Манохин и др. -Уменьшение уровня химически индуцированных повреждений ДНК в лейкоцитах крови крыс за счет использования стратегии «Полезное солнце» // Технологии живых систем. - 2012. - Т. 9. - №6. - С. 16-25.
6. Брусков В.И., Черников А.В., Гудков С.В., Масалимов Ж.К. - Активация восстановительных свойств анионов морской воды под действием тепла // Биофизика. - 2003. - Т.48. - №6. - С.1022-1029
7. Andrievsky G.V., Bruskov V.I., Gudkov S.V., Tykhomyrov A.A. - Peculiarities of the antioxidant and radioprotective effects of hydrated C60 fullerene nanostuctures in vitro and in vivo // Free Radic.Biol. Med. - 2009. - V.47. - P.786-793.
8. Гудкова О.Ю., Гудков СВ., Гапеев А.Б., Брусков В.И., Рубаник А.В., Чемерис Н.К. -Исследование механизмов образования активных форм кислорода в водных растворах под
действием импульсного электромагнитного излучения крайне высоких частот с большой пиковой мощностью // Биофизика. - 2005. - Т.50. - №5. - С.773-779.
9. Bruskov V.I., Gudkov S.V., Chalkin S.F., Smirnova E.G., Yaguzhinskii L.S. - Self-oscillating water luminescence induced by laser irradiation // Doklady Biochemistry and Biophysics. - 2009. - Т.425. -№1. - С.114-116.
10. Мирошников А.И., Гудков С.В., Брусков В.И. - Образование перекиси водорода в электрохимически активированных растворах и ее биологическая роль // Вода: химия и экология. - 2008. - № 3. - С.31-35.
11. Gudkov S.V. et al. - Long-lived radicals of amino acids induced by x-ray radiation are the source of hydrogen peroxide in aqueous medium // Biophysics. - 2010. - Т.55. - №4. - С.530-534.
12. Gudkov S.V. et al. - Generation of reactive oxygen species in water under exposure to visible or infrared irradiation at absorption bands of molecular oxygen // Biophysics. - 2012. - V.57. - №1. - P.1-8.
13. ICRP, 2002. Basic anatomical and physiological data for use in radiological protection reference values. ICRP Publication 89, Ann. ICRP 32 (3-4)
14. ICRP, 2010. Adult reference computational phantoms. ICRP Publication 110, Ann. ICRP 39 (2)
