Монте-Карло симуляції вольфрамових матричних коліматорів для просторово фракціонованої радіаційної терапії

Abstract

Досліджено можливість формування висококолімованих мініпучків на основі гамма-квантів з енергією 25 МеВ та спеціально розробленого вольфрамового коліматора за допомогою моделювання Монте-Карло. Встановлено, що змодельований вольфрамовий коліматор завтовшки 9 см забезпечує ефективне просторове фракціонування первинного пучка гамма-квантів 25 МеВ та формування інтенсивних мініпучків, про що свідчить показник співвідношення дози (PVDR) на рівні ~9 безпосередньо на виході з коліматора. Проте виявлено швидке згасання ефекту фракціонування з глибиною поширення мініпучків у біологічному середовищі фантома. Уже на невеликій глибині 1 см співвідношення пік-долина дози знижується до 5, а на 3 см сягає 2 і залишається на цьому рівні далі. З'ясовано, що вторинні електрони, які генеруються в речовині, відіграють значне значення у формуванні профілю дози, істотно впливаючи на характеристики фракціонування. Для застосування запропонованого підходу на більших глибинах потрібна подальша оптимізація параметрів опромінення, зокрема, геометрії коліматора, розміру та відстані між отворами коліматора. Отримані результати продемонстрували, що такий ефект є корисним, оскільки до пухлини доходить відносно гомогенний профіль дози, проте здорові тканини на шляху до пухлини залишаються менш ушкодженими. Застосування мініпучків гамма-квантів 25 МеВ на невеликих глибинах, де зберігається відносно високий рівень фракціонування, може бути ефективним та підвищити терапевтичний ефект порівняно зі стандартним однорідним опроміненням завдяки просторовій модуляції дози. Загалом, незважаючи на обмежену глибину проникнення, результати комп'ютерного моделювання продемонстрували принципову можливість генерації високофракціонованих мініпучків на основі гамма-випромінювання з використанням спеціального вольфрамового коліматора. На основі результатів моделювання розроблено коліматор модульної конструкції. Така модульна конструкція дає змогу гнучко налаштовувати коліматор під різні енергії та типи пучка, а також корегувати розмір та геометрію поля опромінення. Запропонований прототип коліматора є перспективним рішенням для просторово фракціонованої променевої терапії. Отримані результати є важливою науковою основою для подальших досліджень та розробок у галузі просторово фракціонованої променевої терапії зі застосуванням колімованих пучків гамма-випромінювання.