Assessment of the Possibility of Verification of Proton Dose Distributions by the Method of Induced Positron Activity in Human Tissue

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

A computational assessment was made of the possibility of verifying dose distributions during proton radiation therapy using PET imaging of positron activity in human tissues, which was formed as a result of proton irradiation. To compare the dose distribution of a particle energy-modulated proton beam with a diameter of 10 mm with an initial particle energy of 100 MeV, ensuring uniform irradiation of the target in a 13 mm zone (at the level of 90 % of the radiation dose) at the end of the particle path, with a map of induced activity from the radionuclides 11C, 13N and 15O, numerical calculations were performed in a Monte–Carlo code using the Geant4 simulation program. In the modeling process, a volume with dimensions of 50 × 50 × 100 mm was used, simulating soft tissues of the human body with a density of 1 g/cm3, consisting of hydrogen atoms (62 %), carbon (12 %), oxygen (24 %) and nitrogen (1.1 %). The cross sections for the formation of radionuclides 11C, 13N and 15O in the reactions 12C(p, pn)11C, 14N(p, α)11C, 16O(p, αpn)11C, 14N(p, pn)13N, 16O(p, α)13N, 16O(p, pn)15O have been calculated, which were used to calculate the distributions of positron activity in the irradiated volume. Taking into account the short half-lives of the radionuclides under consideration (primarily oxygen-15), calculations of isoactivities and depth distributions of accumulated radioactivities were performed for various time intervals after irradiation.

The performed computational modeling of the distributions of activities of radionuclides 11C, 13N and 15O during the passage of a modulated proton beam, taking into account the decay of produced radionuclides after irradiation, shows that by recording for 15 minutes the induced activity of PET radionuclides 2 minutes after irradiation, it is possible to obtain data on the compliance of the planned and irradiation of tumors performed during proton therapy. However, small levels of generated activity (at a level of 2 Gy for finely fractionated irradiations) require a device with high efficiency in recording annihilation radiation and high spatial resolution at the level of 1.5–2.0 mm.

Key words: proton irradiation, radionuclides, induced activity, PET, dose fields, verification

Авторлар туралы

G. Shimchuk

National Research Center "Kurchatov Institute"

Email: Gennady.Shimchuk@itep.ru

A. Skobliakov

National Research Center "Kurchatov Institute"

Email: Gennady.Shimchuk@itep.ru

A. Golubev

National Research Center "Kurchatov Institute"

Email: Gennady.Shimchuk@itep.ru

A. Kantsyrev

National Research Center "Kurchatov Institute"

Email: Gennady.Shimchuk@itep.ru

Gr. Shimchuk

National Research Center "Kurchatov Institute"

Email: Gennady.Shimchuk@itep.ru

Әдебиет тізімі

  1. Goitein M. Radiation Oncology –A Physicist’s Eye View. New York, Springer, 2008.
  2. Koehler AM, Schneider RJ, Sisterson JM. Flattening of Proton Dose Distributions for Large-Field Radiotherapy. Med. Phys. 1977;4:297–301.
  3. Grusell E, et al. A general Solution to Charged Particle Beam Flattening Using an Optimized Dual-Scattering-Foil Technique, with Application to Proton Therapy Beams. Phys. Med. Biol. 1994;39:2201–16.
  4. Kanai T, et al. Spot Scanning System for Proton Radiotherapy. Med. Phys. 1980;7:365–9.
  5. Pedroni E, et al. The 200-MeV Proton Therapy Project at the Paul Scherrer Institute: Conceptual Design and Practical Realization. Med. Phys. 1995;22:37–53
  6. Kraft G. Tumortherapy with Ion Beams. Nucl. Instrum. and Methods Phys. Res. A. 2000;454:1–10.
  7. Zenklusen S, Pedroni E, Meer D. A Study on Repainting Strategies for Treating Moderately Moving Targets with Proton Pencil Beam Scanning for the New Gantry 2 at PSI. Phys. Med. Biol. 2010;55:5103–21.
  8. Geant 4: User’s Guide for Application Developers. URL: https://geant4-userdoc.web.cern.ch/UsersGuides/ForApplicationDeveloper/fo/BookForApplicationDevelopers.pdf
  9. Wen Luo, Hao-yang Lan, Yi Xu, Dimiter L. Balabanski. Implementation of the n-Body Monte-Carlo Event Generator into the Geant4 toolkit for Photonuclear Studies. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2017;849:49-54. doi: 10.1016/j.nima.2017.01.010
  10. Jae Won Shin. A Data-Based Photonuclear Reaction Model for GEANT4. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 2015;358:194-200.
  11. TALYS. URL: https://www-nds.iaea.org/talys/
  12. Geant 4: Physics List Guide. URL: https://geant4- userdoc.web.cern.ch/UsersGuides/PhysicsListGuide/fo/ PhysicsListGuide.pdf
  13. Geant 4: User’s Guide for Toolkit Developers. URL: https://geant4userdoc.web.cern.ch/UsersGuides/ForToolkitDeveloper/fo/BookForToolkitDeveloper.pdf
  14. Geant 4 Physics: Physics Reference Manual. URL: https://geant4- userdoc.web.cern.ch/UsersGuides/PhysicsReferenceManual/fo/ PhysicsReferenceManual.pdf
  15. LibInterpolate. URL: https://github.com/CD3/libInterpolate.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».