Расчет доз излучения в биологической ткани при фотон

УДК 615.9(06)+577.3(06) Медицинская физика
К.Н. ЗАЙЦЕВ, Н.М. БОРИСОВ1, В.Ф. ХОХЛОВ1,
В.Н. КУЛАКОВ1, И.Н. ШЕЙНО1
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
1ГНЦ «Институт биофизики», ФМБА России, Москва
РАСЧЕТ ДОЗ ИЗЛУЧЕНИЯ В БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ
ПРИ ФОТОН-ЗАХВАТНОЙ ТЕРАПИИ
На основании энергий электронных орбиталей в атомах оценены спектры
вторичного электронного и фотонного излучения при фотон-захватной терапии. С
помощью программы MCNP 4c2 исследовано распределение доз излучения при
фотон-захватной терапии для различных препаратов, а также геометрий
облучения.
При фотон-захватной терапии в опухоль предварительно вводят
препарат, содержащий тяжелые элементы (в клинической практике
получили распространение препараты на основе гадолиния, платины,
золота, висмута и др. [1, 2]). Затем пациента облучают
низкоэнергетическим (20÷120 кэВ) фотонным изучением. Вследствие
присутствия тяжелого элемента в опухоли происходит интенсивное
фотоэлектрическое
поглощение
первичного
фотонного
пучка,
сопровождающееся выходом вторичного излучения (фотоэлектронов,
характеристических флуоресцентных фотонов, а также электронов Оже),
что обусловливает повышение дозы излучения в опухоли по сравнению со
здоровыми тканями.
Энергии электронов Оже и характеристического KX- и LX-излучения
оценены с помощью расчетов методом Хартри-Фока энергий электронных
орбиталей и суборбиталей атомов от водорода до урана включительно [3].
Оценка вероятности испускания электронов Оже и характеристического
KX-излучения на один акт фотоэффекта, проведена с использованием
данных работы [4] (расчет в этой работе также проводился методом
Хартри-Фока с учетом релятивистских поправок). Для KLM, KLL и LMMпереходов оцененные нами энергии Оже-электронов, а также вероятности
их испускания совпадают с данными работ [1, 2, 5] c точностью до 1520 %. Оцененные энергии и вероятности испускания KX-излучения
совпадают с данными работы [5] с точностью до 10 %.
С помощью программы MCNP4c2 [6], которая использует метод
Монте-Карло для расчета переноса ионизирующего излучения,
исследовали распределение полей вторичного излучения, а также полных
доз облучения в опухолях и окружающих опухоль здоровых (не
32
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 3
УДК 615.9(06)+577.3(06) Медицинская физика
содержащих препаратов с тяжелыми ядрами) биологических тканях для
препаратов, содержащих такие тяжелые элементы, как йод, гадолиний,
вольфрам, платину, золото и висмут. Зависимость отношения доз
облучения опухоли (Dt) и здоровой ткани (Ds) для разных концентраций
гадолиния в опухоли, энергий первичного источника фотонов, а также
геометрий облучения приведена на рис. 1.
2,0
10000
15,0
1000
1,0
0,5
10,0
Dt/Ds
Dt/Ds
1,5
Dt/Ds
В
Б
А
100
5,0
10
0,0
0,0
20
70
E0, кэВ
120
1
20
70
120
E0, кэВ
0
50
100
150
E0, кэВ
Рис. 1. Отношение доз в опухоли и здоровой ткани для концентраций гадолиния в
опухоли, равной 3 % (ромбы), 1 % (квадраты) и 0,3 % (треугольники), а также для
геометрии облучения стационарного внешнего тонкого луча (панель А),
вращающегося по отношению к пациенту тонкого луча (панель Б), а также
внутриполостного источника фотонов (панель В)
Работа выполнена при финансовой поддержке Международного
научно-технического центра, проекты № 3341 и 3591 и государственного
контракта № 02.512.11.2022 от 27 февраля 2007 г.
Список литературы
1. Goorley T., Nikjoo H. Electron and Photon Spectra for Three Gadolinium-Based Cancer
Therapy Approaches. – Radiation Research. – 2000. – V. 154. – P. 556-563.
2. Stepanek J., Larsson B., Weinreich R.. Auger-electron spectra of radionuclides for therapy
and diagnostics. – Acta Oncologica. – 1996. – V. 35. – P. 863-868.
3. Atomic
Reference
Data
for
Electronic
Structure
Calculations,
http://physics.nist.gov/PhysRefData/DFTdata/Tables/ptable.html.
4. Miloshevsky G.V., Tolkach V.I., Shani G., Rozin S. Calculated gadolinium atomic electron
Auger electron emission probability atomic number Z. – Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. – 2002. – V. 192. – P. 360-364.
5. D. E. Cullen and S. T. Perkins, The 1991 Livermore Evaluated Atomic Data Library
(EADL). UCRL-50400, Vol. 30, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA, 1991.
6. Briesmeister J. MCNP – A general Monte Carlo N-particle Transport Code, version 4c.
Radiation Transport Group – Applied Theoretical Physics Division – Los Alamos National Laboratory. – LA-13709-M, Los Alamos, NM. – 2000.
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 3
33
УДК 615.9(06)+577.3(06) Медицинская физика
34
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 3