Монте-Карло симуляції вольфрамових матричних коліматорів для просторово фракціонованої радіаційної терапії
Анотація
Досліджено можливість формування висококолімованих мініпучків на основі гамма-квантів з енергією 25 МеВ та спеціально розробленого вольфрамового коліматора за допомогою моделювання Монте-Карло. Встановлено, що змодельований вольфрамовий коліматор завтовшки 9 см забезпечує ефективне просторове фракціонування первинного пучка гамма-квантів 25 МеВ та формування інтенсивних мініпучків, про що свідчить показник співвідношення дози (PVDR) на рівні ~9 безпосередньо на виході з коліматора. Проте виявлено швидке згасання ефекту фракціонування з глибиною поширення мініпучків у біологічному середовищі фантома. Уже на невеликій глибині 1 см співвідношення пік-долина дози знижується до 5, а на 3 см сягає 2 і залишається на цьому рівні далі. З'ясовано, що вторинні електрони, які генеруються в речовині, відіграють значне значення у формуванні профілю дози, істотно впливаючи на характеристики фракціонування. Для застосування запропонованого підходу на більших глибинах потрібна подальша оптимізація параметрів опромінення, зокрема, геометрії коліматора, розміру та відстані між отворами коліматора. Отримані результати продемонстрували, що такий ефект є корисним, оскільки до пухлини доходить відносно гомогенний профіль дози, проте здорові тканини на шляху до пухлини залишаються менш ушкодженими. Застосування мініпучків гамма-квантів 25 МеВ на невеликих глибинах, де зберігається відносно високий рівень фракціонування, може бути ефективним та підвищити терапевтичний ефект порівняно зі стандартним однорідним опроміненням завдяки просторовій модуляції дози. Загалом, незважаючи на обмежену глибину проникнення, результати комп'ютерного моделювання продемонстрували принципову можливість генерації високофракціонованих мініпучків на основі гамма-випромінювання з використанням спеціального вольфрамового коліматора. На основі результатів моделювання розроблено коліматор модульної конструкції. Така модульна конструкція дає змогу гнучко налаштовувати коліматор під різні енергії та типи пучка, а також корегувати розмір та геометрію поля опромінення. Запропонований прототип коліматора є перспективним рішенням для просторово фракціонованої променевої терапії. Отримані результати є важливою науковою основою для подальших досліджень та розробок у галузі просторово фракціонованої променевої терапії зі застосуванням колімованих пучків гамма-випромінювання.
Завантаження
Посилання
Ahdida, C., Bozzato, D., Calzolari, D., Cerutti, F., Charitonidis, N., Cimmino, A., Coronetti, A., DAlessandro, G. L., Donadon Servelle, A., Esposito, L. S., Froeschl, R., García Alía, R., Gerbershagen, A., Gilardoni, S., Horváth, D., Hugo, G., Infantino, A., Kouskoura, V., Lechner, A., Widorski, M., et al. (2022). New Capabilities of the FLUKA Multi-Purpose Code. Frontiers in Physics, 9. https://doi.org/10.3389/fphy.2021.788253
Baker, C. P., Curtis, H. J., Zeman, W., & Woodley, R. G. (1961). The Design and Calibration of a Deuteron Microbeam for Biological Studies. Radiation Research, 15(4), 489. https://doi.org/10.2307/3571292
Dipuglia, A., Cameron, M., Davis, J. A., Cornelius, I. M., Stevenson, A. W., Rosenfeld, A. B., Petasecca, M., Corde, S., Guatelli, S., & F. Lerch, M. L. (2019). Validation of a Monte Carlo simulation for Microbeam Radiation Therapy on the Imaging and Medical Beamline at the Australian Synchrotron – Scientific Reports. Nature. https://doi.org/10.1038/s41598-019-53991-9
Famulari, G., Pater, P., & Enger, S. A. (2018). Microdosimetric Evaluation of Current and Alternative Brachytherapy Sources –A Geant4-DNA Simulation Study. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics, 100(1), 270–277. https://doi.org/10.1016/j.ijrobp.2017.09.040
Ferrell, R. A. (1956). Theory of Positron Annihilation in Solids. Reviews of Modern Physics, 28(3), 308–337. https://doi.org/10.1103/revmodphys.28.308
Gholami, S., Nedaie, H. A., Longo, F., Ay, M. R., Wright, S., & Meigooni, A. S. (2016). Is grid therapy useful for all tumors and every grid block design? Journal of Applied Clinical Medical Physics, 17(2), 206–219. https://doi.org/10.1120/jacmp.v17i2.6015
Huhn, J. L., Regine, W. F., Valentino, J. P., Meigooni, A. S., Kudrimoti, M., & Mohiuddin, M. (2006). Spatially Fractionated GRID Radiation Treatment of Advanced Neck Disease Associated with Head and Neck Cancer. Technology in Cancer Research & Treatment, 5(6), 607–612. https://doi.org/10.1177/153303460600500608
Mohiuddin M., Danny Lee Curtis, William T. Grizos, & Lydia Komarnicky (1990). Palliative treatment of advanced cancer using multiple nonconfluent pencil beam radiation. Cancer, 66(1), 114–118. https://doi.org/10.1002/1097-0142(19900701)66:1<114::aid-cncr2820660121>3.0.co;2-l
Mohiuddin, M., Fujita, M., Regine, W. F., Megooni, A. S., Ibbott, G. S., & Ahmed, M. M. (1999). High-dose spatially-fractionated radiation (GRID): a new paradigm in the management of advanced cancers. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics, 45(3), 721–727. https://doi.org/10.1016/s0360-3016(99)00170-4
Mohiuddin, M., Stevens, J. H., Reiff, J. E., Huq, M., & Suntharalingam, N. (1996). Spatially fractionated (GRID) radiation for palliative treatment of advanced cancer. Radiat Oncol Invest, 4(1), 41–47. https://doi.org/10.1002/(SICI)1520-6823(1996)4:1<41::AID-ROI7>3.0.CO;2-M
Pan, S. H., Yao, G. C., Cui, Y. N., Meng, F. S., Luo, C., Zheng, T. Q., & Singh, G. (2022). Additive manufacturing of tungsten, tungsten-based alloys, and tungsten matrix composites. Tungsten, 5(1), 1–31. https://doi.org/10.1007/s42864-022-00153-6
Peñagarícano, J. A., Moros, E. G., Ratanatharathorn, V., Yan, Y., & Corry, P. (2010). Evaluation of Spatially Fractionated Radiotherapy (GRID) and Definitive Chemoradiotherapy With Curative Intent for Locally Advanced Squamous Cell Carcinoma of the Head and Neck: Initial Response Rates and Toxicity. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics, 76(5), 1369–1375. https://doi.org/10.1016/j.ijrobp.2009.03.030
Trigila, C., Verdier, M. A., Pinot, L., Bouvet, F., Beaumont, T., Broggio, D., Desbrée, A., & Ménard, L. (2022). A mobile high-resolution gamma camera for therapeutic dose control during radionuclide therapy – IOPscience. A Mobile High-resolution Gamma Camera for Therapeutic Dose Control During Radionuclide Therapy – IOPscience. https://doi.org/10.1088/1361-6560/ac4c31
Zhang, H., Grams, M. P., Foy, J. J., & Mayr, N. A. (2022). A Dosimetric Parameter Reference Look-Up Table for GRID Collimator-Based Spatially Fractionated Radiation Therapy. Cancers, 14(4). https://doi.org/10.3390/cancers14041037
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
