СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ПРОБЕГОВ ИОНОВ УГЛЕРОДА В ГОМОГЕННЫХ ФАНТОМАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЛЕКСА RTS&T

DOI: 10.55176/2414-1038-2019-2-5-19

Авторы

Пряничников А.А.^1,3, Симаков А.С.¹, Белихин М.А.^1,3, Дегтярев И.И.², Новоскольцев Ф.Н.², Алтухова Е.В.², Алтухов Ю.В.², Синюков Р.Ю.²

Организация

¹ Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Физико-технический центр, Протвино, Россия
² Федеральное государственное бюджетное учреждение Институт физики высоких энергий им. А.А. Логунова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», Протвино, Россия
³Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова», Москва, Россия

Пряничников А.А.^1,3 – инженер-физик, аспират кафедры Физики ускорителей и радиационной медицины. Контакты: 142281, Протвино, Московская область, Академический проезд 2, 110. Тел.: (916)080-68-51; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в браузере должен быть включен Javascript..
Симаков А.С.¹ – инженер.
Белихин М.А.^1,3 – инженер-физик, аспират кафедры Физики ускорителей и радиационной медицины.
Дегтярев И.И.² – старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук,
Новоскольцев Ф.Н.² – старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук.
Алтухова Е.В.² – младший научный сотрудник.
Алтухов Ю.В.² – младший научный сотрудник.
Синюков Р.Ю.² – младший научный сотрудник.

Аннотация

В последнее время пучки тяжелых заряженных частиц, таких, например, как протоны и ионы углерода, находят все более широкое применение в лучевой терапии онкологических заболеваний, что обусловлено принципиальной возможностью качественного улучшения пространственных дозовых распределений по сравнению с традиционно используемыми в радиационной терапии источниками электронов и γ-квантов, что позволяет радикально снизить дозовую нагрузку на прилегающие к опухоли непораженные участки ткани. В настоящей работе приведены результаты сравнительного анализа теоретических (полученных на основе статистического моделирования в рамках программных комплексов RTS&T, FLUKA и MCNPX) и экспериментальных данных для пробегов ионов углерода в гомогенных фантомах. Показаны расчеты основных микродозиметрических характеристик для клеточных структур, помещенных в гомогенные водные фантомы: усредненных по потоку (траекториям) и дозе линейной передачи энергии (ЛПЭ), относительной биологической эффективности излучения (ОБЭ), биологической дозы на основе Микробиологической Кинетической Модели (МКМ) в рамках программного комплекса RTS&T. Расчеты производились для пучка ионов ¹²C⁶⁺ с энергией 454 МэВ/u. Экспериментальные данные были получены на ВРБС (Временном Радиобиологическом Стенде) У-70 ФГБУ ГНЦ ИФВЭ НИЦ «Курчатовский институт», г. Протвино.

Ключевые слова
перенос излучения, метод Монте-Карло, радиационная терапия, медицинские ускорители, детектирование пика Брэгга, математическое моделирование, планирование облучения

Полная версия статьи (PDF)

Список литературы

1. Blokhin A.I., Degtyarev I.I., Lokhovitskii A.E., Maslov M.A., Yazynin I.A. RTS&T Monte Carlo Code (Facilities and Computation Methods). Proc. of the SARE-3 Workshop. KEK, Tsukuba, Japan, 1997; INDC(CCP)-426.

2. Дегтярев И.И., Ляшенко О.А., Лоховицкий А.Е., Язынин И.А., Беляков-Бодин В.И., Блохин А.И. Описание моделирования процессов переноса и геометрии в программе RTS&T. Вопросы Атомной Науки и Техники. Серия: Ядерные константы, 1999, вып. 2, с. 125.

3. Degtyarev I.I., Liashenko O.A., Yazynin I.A., Blokhin A.I., Belyakov-Bodin V.I. Simulation of Relativistic Hadronic Interactions in the Framework of the RTS&T-2004 Code. Proc. Conf. of RuPAC XIX. Dubna, 2004.

4. Belyakov-Bodin V.I., Degtyarev I.I., Niita K. et al. Calonmetric-time-of-flight technique for determination of energy spectra of particles from a high intensity pulsed proton target. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, vol. 465, no. 2-3, pp. 346—353.

5. Degtyarev I.I., Novoskoltsev F.N., Liashenko O.A., Gulina E.V., Morozova L.V. The RTS&T-2014 code status. Nuclear Energy and Technology, 2015, vol. 1, no. 3, pp. 222—225.

6. Пряничников А.А., Симаков А.С., Дегтярев И.И., Новоскольцев Ф.Н., Алтухова Е.В., Алту-хов Ю.В., Синюков Р.Ю., Блохин А.И. Верификация мировых библиотек оцененных ядерных данных на основе базовых интегральных экспериментов в рамках программного комплекса RTS&T. Вопросы Атомной Науки и Техники. Серия: Ядерно-реакторные константы, 2018, вып. 1, pp. 127—136.

7. Degtyarev I.I., Altukhov Y.V., Altukhova E.V., Novoskoltsev F.N., Sinyukov R.Yu., Blokhin A.I., Pryanichnikov A.A., Belikhin M.A., Simakov A.S., Smetanin M.Yu. Verification of Modern Evaluated Nuclear Data Libraries on the Basis of Integral Experiments Using the RTS&T Code System. Proc. Conf. of RuPAC-2018. Protvino, 2018.

8. Cullen D.E. The 1996 ENDF/B Pre-Processing Codes. Vienna, Austria, IAEA, IAEA-NDS-39, Rev. 9, 1996.

9. Niita K. et al. Analysis of the (N,xN′) reactions by quantum molecular dynamics plus statistical decay model. Physical Review C: covering nuclear physics, 1995, vol. 52, no. 5, pp. 2620.

10. Barashenkov V.S., Zheregy F.G., Musulmanbekov Zh.Zh. Intranuclear cascade studies of inelastic nucleus-nucleus interactions. Preprint JINR P2-83-117. Dubna, 1983.

11. Musulmanbekov G., Al–Haidary A. Fragmentation of Nuclei at Intermediate and High Energies in Modifed Cascade Model. Physics of Atomic Nuclei (Yadernaya fizika), 2003, vol. 66, pp. 1671—1679.

12. Salvat F., Fernández-Varea J.M., Sempau J. PENELOPE-2008: A Code System for Monte Carlo Simulation of Electron and Photon Transport. Proc. Workshop. Barcelona, Spain, 2008, no. 6416.

13. Barashenkov V.S. Cross sections for interactions of particles and nuclei with nuclei. Dubna, JINR, 1999.

14. Barashenkov V.S., Kumawat H. Integral nucleus-nucleus cross sections. JINR E2-2003-128.

15. Tripathi R.K., Cucinotta F.A., Wilson J.W. Extraction of In-Medium Nucleon-Nucleon Amplitude From Experiment. NASA/TP-1998-208438. Hampton, VA United States, 1998.

16. Ziegler J.F., Ziegler M.D., Biersack J.P. SRIM The stopping and range of ions in matter. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B, 2010, vol. 268, no. 11-12, pp. 1818—1823.

17. Paul H. Stopping Power for Light Ions. Available at: http://www.exphys.unilinz.ac.at/stopping/ (accessed 21.08.2018).

18. Armstrong T.V., Chandler K.C. A FORTRAN program for computing stopping powers and ranges for muons, charged pions, protons, and heavy ions, 1973. Available at: https://www.osti.gov/servlets/purl/4477546 (accessed 21.08.2018).

19. Geissel H., Scheidenberger C. Slowing down of relativistic heavy ions and new applications. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 1998, vol. 136-138, pp. 114—124.

20. Scheidenberger C., Geissel H. Penetration of relativistic heavy ions through matter. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 1998, vol. 135, no. 1-4, pp. 25—34.

21. Пряничников А.А., Симаков А.С., Дегтярев И.И., Новоскольцев Ф.Н., Алтухова Е.В., Алту-хов Ю.В., Синюков Р.Ю. Численное моделирование детектирования положения пика Брэгга в режиме реального времени на основе регистрации мгновенного гамма-излучения в ортогональном направлении для применения в адронной терапии. Вопросы Атомной Науки и Техники. Серия: Ядерно-реакторные константы, 2018, вып. 1, c. 114—126.

22. Pryanichnikov A.A., Belikhin M.A., Simakov A.S., Altukhov Y.V., Altukhova E.V., Degtyarev I.I., Novoskoltsev F.N., Sinyukov R.Yu. Numerical Modeling and Development of the Prototype of the Bragg Peak Position Detector Working in Real Time Mode for Hadron Therapy Facilities. Proc. Conf. RuPAC-2018. Protvino, 2018.

23. Guan F. et al. Analysis of the track- and dose-averaged LET and LET spectra in proton therapy uing the Geant4 Monte Carlo code. Medical Physics, 2015, vol. 42, no. 11, pp. 6234—6247.

24. Hawkins R.B. A microdosimetric-kinetic theory of the dependence of the RBE for cell death on LET. Medical Physics, 1998, vol. 25, no. 7, pp. 1157—1170.

25. Hawkins R.B. A microdosimetric-kinetic model of cell death from exposure to ionizing radiation of any LET, with experimental and clinical applications. International Journal of Radiation Biology, 1996, vol. 69, pp. 739—755.

26. Hawkins R.B. A Microdosimetric-Kinetic Model for the Effect of Non-Poisson Distribution of Lethal Lesions on the Variation of RBE with LET. Radiation Research, 2003, vol. 160, no. 1, pp. 61—69.

27. Kase Y., Kanai T., Matsumoto Y., Furusawa Y., Okamoto H., Asaba T., Sakama M., Shinoda H. Microdosimetric Measurements and Estimation of Human Cell Survival for Heavy-Ion Beams. Radiation Research, 2006, vol. 166, no. 1, pp. 629—638.

28. Scholz M., Kraft G. Track structure and the calculation of biological effects of heavy charged particles. Advances in Space Research, 1996, vol. 18, no. 1-2, pp. 5—14.

29. Scholz M., Kellerer A.M., Kraft-Weyrather W., Kraft G. Computation of cell survival in heavy ion beams for therapy the model and its approximation. Radiation and Environmental Biophysics, 1997, vol. 36, pp. 59—66.

30. Dabli D., Montarou G., Beuve M., Rodriguez-Lafrasse C. RBE modelization: Present Status and Future Prospects, (2011). Available at: http://hal.in2p3.fr/in2p3-00659263 (accessed 21.08.2018).

31. Inaniwa T., Kanematsu N., Matsufuji N., Kanai T., Shirai T., Noda K., Tsuji H., Kamada T., Tsujii H. Reformulation of a clinical-dose system for carbon-ion radiotherapy treatment planning at the National Institute of Radiological Sciences. Physics in Medicine & Biology, vol. 60, no. 8, pp. 3271—86.

32. Ilsung Cho, Seung Hoon Yoo, Sungho Cho, Eun Ho Kim, Yongkeun Song, Jaeik Shin, Won-Gyun Jung. Modeling the Biophysical Effects in a Carbon Beam Delivery Line using Monte Carlo Simulation. Journal of the Korean Physical Society, 2016, vol. 69, no. 5, pp 868—874.

33. Claesson K., Magnander K., Kahu H., Lindgren S., Hulborn R., Elmroth K. RBE of &aipha;-particles from ²¹¹At for complex DNA damage and cell survival in relation to cell cycle position. International Journal of Radiation Biology, 2011, vol. 87, no. 4, pp. 372—384.

34. Amaldi U., Kraft G. Radiotherapy with beams of carbon ions. Reports on Progress in Physics, 2005, vol. 68, pp. 1861—1882.

УДК 621.039

Вопросы атомной науки и техники. Cерия: Ядерно-реакторные константы, 2019, выпуск 2, 2:1

БРОНД-3.1

Архив

2019, Выпуск 2