Аннотация результатов, полученных в 2024 году
С помощью приложения на основе библиотеки Geant4 версии 10.3 было выполнено моделирование прохождения одиночных минипучков (0.3-0.5 мм FWHM) протонов и ядер 4He, 12C и 16O в водном фантоме. Радиальные распределения дозы от каждого из четырех типов пучков были отфитированы с помощью функции, являющейся суммой двух распределений Гаусса и функции Резерфорда (DGR). Такая функция была впервые применена к минипучкам в настоящем научном проекте. После этого распределения дозы от массивов из 16 параллельных минипучков, с их центрами, размещёнными на прямоугольной или гексагональной сетке c шагом 2 мм, были получены из параметризованных профилей отдельных минипучков, с учетом уширения распределения дозы в поперечном направлении, происходящего благодаря множественному кулоновскому рассеянию частиц минипучков и рождению вторичных частиц в ядерных реакциях. Такое перекрытие минипучков с увеличением глубины проникновения частиц в фантом обеспечивает однородное дозовое поле при приближении к пику Брэга - в объеме глубокорасположенной опухоли-мишени. Напротив, на входе в фантом создается сильно неоднородное пространственное распределение дозы в области дозового плато, соответствующего расположению здоровых тканей. Благодаря этому, повреждения клеток здоровых тканей в целом становятся значительно меньше, существенно снижая вероятность побочных эффектов радиационной терапии минипучками в сравнении с традиционной терапией с использованием однородных дозовых полей. На основе параметризованных распределений дозы были рассчитаны средние отношения пиковой дозы к дозе в долине (peak-to-valley dose ratio, PVDR) в зависимости от глубины. Кроме этого, были вычислены кумулятивные гистограммы «доза-объем» (dose-volume histograms, DVH) на входе в фантом и в объеме мишени. Все эти распределения сравнивались с аналогичными характеристиками, но полученными непосредственно при Монте-Карло моделировании всей решетки из 16 минипучков, также с помощью Geant4. Такое моделирование методом Монте-Карло требует больших вычислительных затрат, и даже при параллельных многопроцессорных вычислениях для получения результатов требуется несколько дней. Более того, для каждого нового размещения минипучков в массиве требуется новый расчет. В качестве одного из важнейших результатов проекта показано, что благодаря схожести PVDR и DVH, полученных двумя методами, можно практически мгновенно проводить расчеты дозовых профилей массивов минипучков на основе параметризации DGR, разработанной в данном проекте, при условии, что заранее получен набор таких аппроксимаций для отдельных минипучков. Разработанный подход может быть применен к широкому диапазону энергий и диаметров минипучков в будущих доклинических исследованиях, а также при разработке систем планирования терапии минипучками. Он может заменить трудоемкие прямые расчеты Монте-Карло дозовых распределений массивов минилучевых пучков быстрыми алгоритмами, основанными на DGR-аппроксимациях. Выполнено моделирование прохождения минипучков протонов и 12C в водном фантоме с помощью Geant4, а вероятности выживания клеток слюнной железы человека (HSG), представляющих здоровые и опухолевые ткани с нормальной радиочувствительностью, были рассчитаны с помощью модифицированной микродозиметрической кинетической модели. Было показано преимущество минипучков в сравнении с облучением однородным полем в плане сохранения здоровых тканей, расположенных на пути к опухоли. Для количественной оценки различий в вероятности выживания клеток внутри и вне минипучков предложено использовать гистограммы «выживание-объем».