Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2020. Том 65. № 2. С. 57–61

В.В. Фёдоров, В.И. Потетня, А.С. Моисеев, А.Е. Чернуха, С.Е. Ульяненко, А.Н. Соловьев

Математическое моделирование доз в теле пациента при облучении простаты ионами углерода

Медицинский радиологический научный центр им. А.Ф. Цыба — филиал федерального государственного бюджетного учреждения «Национальный медицинский исследовательский центр радиологии» Минздрава России, Калужская обл., Обнинск
Контактное лицо: А.Н. Соловьев, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Реферат

Цель: Методы лучевой терапии с использованием тяжёлых заряженных частиц приобретают всё большую популярность как эффективное средство лечения онкологических больных. В то же время, использование таких частиц неизменно связано с вкладом вторичного излучения, образующегося в результате ядерных взаимодействий, которое может оказывать существенное влияние на ткани и органы пациентов, лежащие вне поля мишени облучения. Дозы в органах вне поля облучения должны рассматриваться с точки зрения радиационной безопасности. В настоящей работе проводилось математическое моделирование поглощённых доз в различных органах пациента при облучении предстательной железы ионами углерода и последующее сравнение полученных значений доз с существующими референсными значениями от КТ‑процедур при использовании известных рекомендаций по радиологической защите применительно к принятой практике углеродной лучевой терапии.

Материал и методы: В качестве среды моделирования использовали FLUKA — комплекс программ для моделирования процесса переноса ионизирующего излучения в веществе с использованием метода Монте-Карло, а в качестве модели тела пациента — один из наиболее детализированных воксельных антропоморфных фантомов Vishum. В модели оценивались дозы, поглощённые отдалёнными от мишени сегментированными органами в результате воздействия ионов углерода, энергетический спектр которых был подобран таким образом, чтобы модифицированный пик Брэгга позволял равномерно распределить дозу по всему объему простаты. После проведения вычислений дозы в органах нормировались на общую дозу в простате. Это является качественной оценкой терапевтического воздействия, которое позволяет проанализировать дозы в отдаленных органах, лежащих вне пучка, с точки зрения радиологической защиты для ионной лучевой терапии в соответствии с рекомендациями МКРЗ 127.

Результаты: Показано, что при проведении углеродной терапии с одного выбранного направления дозы в удалённых от простаты органах весьма низкие — на два порядка ниже доз, в среднем получаемых при рентгеновской КТ всего тела, и сравнимы по величине с дозами, получаемыми экипажами коммерческих авиалиний.

Заключение: Таким образом, полученные результаты моделирования могут представлять интерес для дальнейшего изучения отдалённых эффектов углеродной терапии с точки зрения анализа рисков, в том числе возникновения вторичных радиационно-индуцированных раков или иных последствий лечения.

Ключевые слова: метод Монте-Карло, ионная терапия, распределение доз, антропоморфный фантом, воксельный фантом, простата, вторичное излучение, модифицированный пик Брэгга

Для цитирования: Фёдоров В.В., Потетня В.И., Моисеев А.С., Чернуха А.Е., Ульяненко С.Е., Соловьев А.Н. Математическое моделирование доз в теле пациента при облучении простаты ионами углерода. Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2020;65(2):57-61.

DOI: 10.12737/1024-6177-2020-65-2-57-61

Список литературы / References

1. Каприн АД, Ульяненко СЕ. Адронная терапия — точки развития. Медицина: целевые проекты. 2016;23:56-59. [Kaprin AD, Ulyanenko SE. Hadron therapy — development points. Medicine: Target Projects. 2016;23:56-59. (in Russ.)].
2. Соловьев АН, Гулидов ИА, Мардынский ЮС, Ульяненко СЕ и др. Современные тенденции в мире частиц. Краткие итоги конференции PTCOG56. Радиационная биология. Радиоэкология. 2017;57(5):548-50. [Soloviev AN, Gulidov IA, Mardynsky YuS, Ulyanenko SE, Galkin VN, Kaprin AD. Modern Trends in the World of Particles. Summary results of the PTCOG56 Conference. Radiation Biology. Radioecology. 2017;57(5):548-50. (in Russ.)].
3. Durante M, Paganetti H. Nuclear physics in particle therapy: a review. Reports on Progress in Physics. 2016;79:096702 DOI: 10.1088/0034-4885/79/9/096702.
4. Grassberger C, Paganetti H. Elevated LET components in clinical proton beams. Phys Med Biol. 2011;56:6677-91. DOI: 10.1088/0031-9155/56/20/011.
5. Ульяненко СЕ, Лычагин АА, Корякин СН, Чернуха АЕ, и др. Распределение дозы и ЛПЭ в биообъектах при облучении протонами. Медицинская физика. 2018;1(77):68-74. [Ulyanenko SE, Lychagin AA, Koryakin SN, Chernukha AE, Troshina MV, Goulidov IN, et al. Simulation of dose and LET distributions within biological objects in proton fields. Medical Physics. 2018;1(77):68-74. (in Russ.)].
6. Polf JC, Newhauser WD, Titt U. Patient neutron dose equivalent exposures outside of the proton therapy treatment field. Radiat Protect Dosimetry. 2005;115:154-8.
7. Zacharatou J, Lee C, Bolch C, Xu W, Paganetti H. Assessment of organ specific neutron doses in proton therapy using whole-body age-dependent voxel phantoms. Phys Med Biol. 2008;53:693-714. DOI: 10.1088/0031-9155/53/3/012.
8. Корякина ЕВ, Потетня ВИ. Цитогенетические эффекты низких доз нейтронов в клетках млекопитающих. Альманах клинической медицины. 2015;41:72-8. [Koryakina EV, Potetnya VI. Cytogenetic effects of low neutron doses in mammalian cells. Almanac of Clinical Medicine. 2015;41:72-8. (in Russ.)].
9. Gunzert-Marx K, Iwase H, Schardt D, Simon RS. Secondary beam fragments produced by 200 MeV 12C ions in water and their dose contributions in carbon ion radiotherapy. New J Phys. 2008;10:075003. DOI: 10.1088/1367-2630/10/7/075003.
10. Iwase H, Gunzert-Marx K, Haettner E, Schardt D, Gutermuth F, Kraemer M, et al. Experimental and theoretical study of the neutron dose produced by carbon ion therapy beams. Radiat Protect Dosimetry. 2007;126(1-4):615-8.
11. Hultqvist M, Gudowska I. Secondary doses delivered to an anthropomorphic male phantom under prostate irradiation with proton and carbon ion beams Radiat Measurements. 2010;45:1410-3. DOI: 10.1016/j.radmeas.2010.05.020.
12. Hultqvist M, Gudowska I. Secondary absorbed doses from light ion irradiation in anthropomorphic phantoms representing an adult male and a 10 year old child. Phys Med Biol. 2010;55:6633-53. DOI: 10.1088/0031-9155/55/22/004.
13. Xu XG, Bednarz B, Paganetti H. A review of dosimetry studies on external beam radiation treatment with respect to second cancer induction. Phys Med Biol. 2008;53(13):193-241. DOI: 10.1088/0031-9155/53/13/R01.
14. ICRP. Radiological Protection in Ion Beam Radiotherapy. ICRP Publication 127. Annals of the ICRP. 2014;43(4)
15. Zankl M, Fill U, Petoussi-Henss N, Regulla D. Organ dose conversion coefficients for external photon irradiation of male and female voxel models. Phys Med Biol. 2002;47:2367-85.
16. Ballarini F, Battistoni G, Campanella M, Carboni M, Cerutti F, Empl A, et al. The FLUKA code: an overview. J Phys: Conference Series. 2006;41:151-60.
17. Schlattl H, Zankl M, Becker J, Hoeschen C. Dose conversion coefficients for CT examinations of adults with automatic tube current modulation. Phys Med Biol. 2010;55(20):6243-61. DOI: 10.1088/0031-9155/55/20/013.
18. ICRU. Reference Data for the Validation of Doses from Cosmic-Radiation Exposure of Aircraft Crew. ICRU Report 84 (prepared jointly with ICRP). ICRU. 2010;10(2).
19. Osama M, Sishc BJ, Saha J, Pompos A, Rahimi A, Story M, et al. Carbon Ion Radiotherapy: A Review of Clinical Experiences and Preclinical Research, with an Emphasis on DNA Damage/Repair. Cancers. 2017;9(66) DOI: 10.3390/cancers9060066.
20. Антипов ЮМ, Бритвич ГИ, Иванов СВ, Костин МЮ, и др. Формирование поперечно-плоского дозового поля и первые радиобиологические эксперименты на углеродном пучке, выведенном из У-70. Приборы и техника эксперимента. 2015;58(4):107-16. DOI: 10.7868/S0032816215040011 [Antipov YM, Britvich GI, Ivanov SV, Kostin MY, Lebedev OP, Lyudmirskii EA, et al. Transversally-flat dose field formation and primary radiobiological exercises with the carbon beam extracted from the U-70 synchrotron. Instruments and Experimental Techniques. 2015;58(4):552-61. DOI: 10.1134/S0020441215040016. (in Russ.)].
21. Бекетов ЕЕ, Исаева ЕВ, Трошина МВ, Лычагин АА, и др. Результаты предварительных исследований биологической эффективности пучка ионов углерода ускорителя У-70. Радиационная биология. Радиоэкология. 2017;57(5):462-70 [Beketov EE, Isaeva EV, Troshina MV, Lychagin AA, Solovev AN, Koryakin SN, et al. Results of the Preliminary Study on the Evaluation of the Biological Effectiveness of Carbon Ion Beam from U-70 Accelerator. Radiation Biology. Radioecology. 2017;57(5):462-70. DOI: 10.7868/S0869803117050022. (in Russ.)].
22. Каприн АД, Галкин ВН, Жаворонков ЛП, Иванов ВК и др. Синтез фундаментальных и прикладных исследований — основа обеспечения высокого уровня научных результатов и внедрения их в медицинскую практику. Радиация и риск. 2017;26(2):26-40. DOI: 10.21870/0131-3878-2017-26-2-26-40 [Kaprin AD, Galkin VN, Zhavoronkov LP, Ivanov VK, Ivanov SA, Romanko YuS. Synthesis of basic and applied research is the basis of obtaining high-quality findings and translating them into clinical practice. Radiation and Risk. 2017;26(2):26-40. DOI: 10.21870/0131-3878-2017-26-2-26-40. (in Russ.)].

PDF (RUS) Полная версия статьи

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Участие авторов. Cтатья подготовлена с равным участием авторов.

Поступила: 04.02.2019.

Принята к публикации: 12.03.2020.