Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2019. Том 64. № 3. С. 5–10
DOI: 10.12737/article_5cf23053d04654.51745769
А.В. Белоусов1,2, Р.Б. Бахтиозин2, М.А. Колыванова1, Г.А. Крусанов1,3, Л.И. Шулепова4, В.Н. Морозов1
Вычисление глубинной зависимости ОБЭ клинических пучков протонов
1. Федеральный медицинский биофизический центр им. А.И. Бурназяна ФМБА России, Москва;
2. Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва;
3. НИИЯФ им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. Москва.
E-mail:
This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
;
4. Федеральный высокотехнологический центр медицинской радиологии ФМБА России, Димитровград
А.В. Белоусов – доцент, к.ф.-м.н.;
Р.Б. Бахтиозин – студент;
М.А. Колыванова – и.о. зав. лаб.;
Г.А. Крусанов – н.с.;
Л.И. Шулепова – генеральный директор;
В.Н. Морозов – н.с.
Реферат
Цель: Точное определение значения относительной биологической эффективности (ОБЭ) для высокоэнергетических протонов является одной из ключевых проблем современной лучевой терапии. Цель настоящей работы – вычисление зависимости ОБЭ от глубины проникновения протонных пучков, формирующих модифицированный пик Брэгга.
Материал и методы: Пространственное распределение поглощенной дозы и среднедозового значения линейной передачи энергии (ЛПЭ) для монохроматического пучка протонов с энергией 50–100 МэВ с шагом 0,5 МэВ определяли с помощью компьютерного моделирования в программном коде Geant4, реализующем метод Монте-Карло. При расчетах использовалась линейная зависимость ОБЭ от среднедозового значения ЛПЭ. Дозовые распределения получали в водном фантоме для тонких протонных пучков радиусом 2,5 мм в поперечном сечении. Поглощенная доза и среднедозовое значение линейной передачи энергии вычислены в вокселах размерами 2×2×0,2 мм.
Результаты: Получены глубинные зависимости распределения поглощенной дозы и среднедозовых значений ЛПЭ для монохроматических пучков протонов с кинетической энергией 50–100 МэВ с шагом 0,5 МэВ. Вычислены глубинные распределения ОБЭ. Определены значения весовых коэффициентов, позволяющих направлено сформировать модифицированный пик Брэгга. Для модифицированного пика вычислено соответствующее распределение ОБЭ-взвешенной дозы и значения ОБЭ для полихроматических пучков.
Заключение: Показано, что для формирования однородного распределения дозы в модифицированном пике Брэгга достаточно шага по энергии вплоть до 1,5 МэВ. ОБЭ полихроматических пучков сложным образом зависит от глубины, резко изменяясь на дистальном конце модифицированного пика Брэгга. Изменения в ОБЭ по сравнению с используемым в клинической практике значением 1,1 могут достигать 10–30 %. Продемонстрированная в настоящей работе линейная модель зависимости ОБЭ от ЛПЭ может быть легко использована в системах дозиметрического планирования, что позволит в итоге существенно повысить качество протонной лучевой терапии.
Ключевые слова: протонная лучевая терапия, относительная биологическая эффективность, линейная передача энергии, модифицированный пик Брэгга, метод Монте-Карло, Geant4
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Amaldi U. Future trends in cancer therapy with particle accelerators. Med Phys. 2004;14(1):7-16. DOI: 10.1078/0939-3889-00193.
2. Klimanov VA, Galjautdinova JJ, Zabelin MV. Proton radiotherapy: current status and future prospects. Med Fizika. 2017;2(74):89-121. (Russian).
3. Scholz M. Heavy ion tumour therapy. Nucl Instrum Methods Phys Res B. 2000;161-163:76-82. DOI: 10.1016/S0168-583X(99)00669-2.
4. Paganetti H, Niemierko A, Ancukiewicz M, Gerweck LE, Goitein M, Loeffler JS, Suit HD. Relative biological effectiveness (RBE) values for proton beam therapy. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2002;53(2):407-21. DOI: 10.1016/S0360-3016(02)02754-2.
5. Goodhead DT. Energy deposition stochastics and track structure: what about the target? Radiat Prot Dosimetry. 2006;122(1-4):3-15. DOI: 10.1093/rpd/ncl498.
6. Krämer M, Weyrather WK, Scholz M. The increased biological effectiveness of heavy charged particles: from radiobiology to treatment planning. Technol Cancer Res Treat. 2003;2(5):427-36. DOI: 10.1177/153303460300200507.
7. Paganetti H. Relative biological effectiveness (RBE) values for proton beam therapy. Variations as a function of biological endpoint, dose, and linear energy transfer. Phys Med Biol. 2014;59(22):R419-72. DOI: 10.1088/0031-9155/59/22/R419.
8. Paganetti H, Giantsoudi D. Relative biological effectiveness uncertainties and implications for beam arrangements and dose constraints in proton therapy. Semin Radiat Oncol. 2018;28(3):256-63. DOI: 10.1016/j.semradonc.2018.02.010.
9. Lühr A, von Neubeck C, Krause M, Troost EGC. Relative biological effectiveness in proton beam therapy – Current knowledge and future challenges. Clin Transl Radiat Oncol. 2018;9:35-41. DOI: 10.1016/j.ctro.2018.01.006.
10. Wouters BG, Skarsgard LD, Gerweck LE, Carabe-Fernandez A, Wong M, Durand RE, et al. Radiobiological intercomparison of the 160 MeV and 230 MeV proton therapy beams at the Harvard Cyclotron Laboratory and at Massachusetts General Hospital. Radiat Res. 2015;183(2):174-87. DOI: 10.1667/RR13795.1.
11. Wedenberg M, Toma-Dasu I. Disregarding RBE variation in treatment plan comparison may lead to bias in favor of proton plans. Med Phys. 2014;41(9):091706. DOI: 10.1118/1.4892930.
12. Paganetti H. Relating proton treatments to photon treatments via the relative biological effectiveness should we revise current clinical practice? Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2015;91(5):892-4. DOI: 10.1016/j.ijrobp.2014.11.021.
13. Cortes-Giraldo MA, Carabe AA. Critical study of different Monte Carlo scoring methods of dose average linear-energy-transfer maps calculated in voxelized geometries irradiated with clinical proton beams. Phys Med Biol. 2015;60(7):2645-69. DOI: 10.1088/0031-9155/60/7/2645.
14. Granville DA, Sawakuchi GO. Comparison of linear energy transfer scoring techniques in Monte Carlo simulations of proton beams. Phys Med Biol. 2015;60(14):N283-91. DOI: 10.1088/0031-9155/60/14/N283.
15. Hawkins RB. A microdosimetric-kinetic theory of the dependence of the RBE for cell death on LET. Med Phys. 1998;25(7. Pt 1):1157-70. DOI: 10.1118/1.598307.
16. Wilkens JJ, Oelfke U. A phenomenological model for the relative biological effectiveness in therapeutic proton beams. Phys Med Biol. 2004;49(13):2811-25. DOI: 10.1088/0031-9155/49/13/004.
17. Grassberger C, Trofimov A, Lomax A, Paganetti H. Variations in linear energy transfer within clinical proton therapy fields and the potential for biological treatment planning. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2011;80(5):1559-66. DOI: 10.1016/j.ijrobp.2010.10.027.
18. Wedenberg M, Lind BK, Hårdemark B. A model for the relative biological effectiveness of protons: the tissue specific parameter α/β of photons is a predictor for the sensitivity to LET changes. Acta Oncol. 2013 Apr;52(3):580-8. DOI: 10.3109/0284186X.2012.705892.
19. Belousov AV, Krusanov GA, Chernyaev AP. Calculation of the proton biological efficiency in thin layer of biological tissues. Med Fizika. 2018;2(78):5-11. (Russian).
20. Allison J, Amako K, Apostolakis J, Arce P, Asai M, Aso T, et al. Recent developments in Geant4. Nucl Instrum Methods Phys Res A. 2016;835:186-225. DOI: 10.1016/j.nima.2016.06.125.
21. Sadovnichy VA, Tikhonravov AV, Voevodin VV, Opanasenko VY. “Lomonosov”: supercomputing at Moscow State University. In contemporary high-performance computing: from petascale toward exascale. Boca Raton: CRC Press; 2013.
22. Jette D, Chen W. Creating a spread-out Bragg peak in proton beams. Phys Med Biol. 2011;56(11):N131-8. DOI: 10.1088/0031-9155/56/11/N01.
Для цитирования: Белоусов А.В., Бахтиозин Р.Б., Колыванова М.А., Крусанов Г.А., Шулепова Л.И., Морозов В.Н. Вычисление глубинной зависимости ОБЭ клинических пучков протонов // Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2019. Т. 64. № 3. С. 5–10.
DOI: 10.12737/article_5cf23053d04654.51745769
PDF (RUS) Полная версия статьи