شبیه‌سازی مونت‌کارلو دز جذبی بافت‌های نشاندار شده با نانو ذرات در پرتو درمانی ریز باریکه‌ای با پرتوهای ایکس

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی هسته‌ای و فیزیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، صندوق پستی: 4413-15875، تهران-ایران 2- پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 836-14395، تهران - ایران

2 دانشکده مهندسی هسته‌ای و فیزیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، صندوق پستی: 4413-15875، تهران-ایران

3 پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 836-14395، تهران - ایران

چکیده

یکی از مهم‌ترین شاخصه‌های کیفیت درمان در روش پرتودرمانی ریز باریکه‌ای (MRT)، نسبت دز قله به دره (PVDR) است. این پارامتر، معیاری برای سنجش میزان نابودی سلول‌های سرطانی و حفظ سلول‌های سالم موجود در ناحیه‌ی تومور و اطراف آن می‌باشد. هدف از این تحقیق، مطالعه‌ی تأثیر استفاده از نانو ذرات طلا و گادولینیم به عنوان عامل فعال‌ساز در توزیع دز و پارامتر PVDR می‌باشد که در آن، پرتودهی بافت موردنظر با ریزباریکه‌های صفحه‌ای ایکس گسیلیده از سینکروترون مرکز تأسیسات تابش سینکروترون اروپایی (ESRF)، در نظر گرفته شده است. با استفاده از کد کامپیوتری Geant4، مدلی طراحی شد تا دز عمقی در فانتومی از جنس پلی‌متیل‌متاآکریلات (پرسپکس) (PMMA) خالص و توزیع دز در روش‌های پرتودرمانی ریز باریکه‌ای چند جهته‌ی درهم بافته (MIMRT) و پرتودرمانی ریز باریکه‌ای دوجهته‌ی درهم بافته (BIMRT) در فانتوم حاوی تومورهای فرضی، شبیه‌سازی شود. مقایسه نتایج شبیه‌سازی دز عمقی در فانتوم خالص با نتایج اندازه‌گیری، بیان‌گر صحت شبیه‌سازی با استفاده از مدل طراحی شده می‌باشد. به منظور بهینه‌سازی روش پرتودرمانی ریز باریکه‌ای، افزایش دز بافت‌های سرطانی و حفاظت از بافت‌های سالم در حضور عوامل فعال‌ساز، مطالعه شده است. نتایج به دست آمده نشان می‌دهد که افزایش دز در ناحیه‌ی قله با ذرات طلا و در ناحیه‌ی دره با ذرات گادولینیم، قابل‌ملاحظه‌تر می‌باشد. این نگرش، به کارگیری عوامل فعال‌ساز در پرتودرمانی ریز باریکه‌ای، ارایه‌ی تدابیر جدید درمان و افزایش بازدهی درمان تومور را میسر می‌سازد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Monte Carlo Simulation of Dose Absorption of Nano-Particles-Labeled Tissues Used in X-Ray Microbeam Radiation Therapy

نویسندگان [English]

  • M.R Ghasemi 1
  • M Shamsai Zafarghandi 2
  • G Raisali 3
  • M Ghannadi Maragheh 3
  • A Shahvar 3
  • S.M Mahati 3
چکیده [English]

One of the most important measures of therapeutic quality in Microbeam Radiation Therapy (MRT) is the Peak to Valley Dose Ratio (PVDR). This parameter is a criterion to evaluate ablation of cancerous cells and sparing of normal cells in tumor and in its surrounding region. The aim of this work is to study the influence of using gold and gadolinium nano-particles as contrast agents on dose distribution and PVDR when a phantom is irradiated by a typical micro-planar X-ray beam of European Synchrotron Radiation Facility (ESRF3). Using Geant4 computer code, a model has been designed to simulate depth dose in an intact phantom made of PMMA4 and dose distribution in a phantom containing assumed tumors in therapeutic techniques of MIMRT5 and BIMRT6. Comparison of simulated results in the intact phantom with the measured values of depth dose reveals the validity of our simulation with the designed model. To improve the efficiency of MRT, enhancement of absorbed dose in tumor tissues and sparing of normal tissues due to presence of contrast agents have been studied. The obtained results show that the enhancement is more noticeable for Au at the peak region and for Gd in the valley region. This approach of introducing contrast agents in MRT could hopefully prepare new treatment planning and improves the efficiency of tumor therapy.

کلیدواژه‌ها [English]

  • X-Ray Micro-Beam
  • Dose Distribution
  • Tumor
  • Gold
  • Geant4 code
  • Gadolinium
  • Nano-Particles

 

 

  1. 1.    J. Spiga, E.A. Siegbahn, E. Bräuer-Krisch, P. Randaccio, A. Bravin, “The GEANT4 toolkit for microdosimetry calculations: Application to microbeam radiation therapy "MRT",” Medical Physics 34 (11): 4322-4330 (2007).

 

  1. 2.    D.N. Slatkin, P.O. Spanne, F.A. Dilmanian, M. Sandborg, Microbeam Radiation Therapy. Med. Phys. 19: 1395-1400 (1992).

 

  1. 3.    F.A. Dilmanian, G.M. Moris, N. Zhong, T. Bacarian, J.F. Hainfeld, J. Kalef-Ezra, L.J. Brewington, J. Tammam, “Murine EMT-6 carcinoma: high therapeutic efficacy of microbeam radiation therapy,” Radiation Research 159(5): 632-641 (2003).

 

  1. 4.    E. Brauer-Krisch, H. Requardt, P. Regnard, S. Corde, E. Siegbahn, G. LeDuc, T. Brochard, H. Blattmann, J. Laissue, A. Bravin, “New irradiation geometry for microbeam radiation therapy,” Phys. Med. Biol. 50: 3103-3111 (2005).

 

  1. 5.    E. Brauer-Krisch, H. Requardt, P. Regnard, S. Corde, E.A. Siegbahn, G. LeDuc, H. Blattmann, J. Laissue, A. Bravin, “Exploiting geometrical irradiation possibilities in MRT application,” Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A 548: 69-71 (2005).

 

  1. 6.    J. Stepanek, H. Blattmann, J.A. Laissue, N. Lyubimova, M.Di. Michiel, D.N. Slatkin, “Physics study of microbeam radiation therapy with PSI-version of Monte Carlo code GEANT as a new computational tool,” Med. Phys. 27(7): 1664-1675 (2000).

 

  1. 7.    F.A. Dilmanian, Y. Qu, S. Liu, C.D. Cool, J. Gilbert, J.F. Hanifeld, C.A. Kruse, J. Laterra, D. Lenihan, M.M. Nawrocky, G. Pappas, C.-I. Sze, T. Yuasa, Z. Zhong, Z. Zhong, J.W. Mcdonald, “X-ray microbeam: Tumor therapy and central nervous system research,” Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Res. A 548(1-2): 30-37 (2005).

 

  1. 8.    F.A. Dilmanian, Z. Zhong, T. Bacarian, H. Benveniste, P. Romanelli, R. Wang, J. Welwart, T. Yuasa, E.M. Rosen, D.J. Ancchel, “Interlaced X-ray microplanar beams: A radiosurgery approach with clinical potential,” PNAS 103(25): 9709-9714 (2006).
  2. 9.    I. Orion, A.B. Rosenfeld, F.A. Dilmanian, F. Telang, B. Ren, Y. Namito, “Monte Carlo simulation of dose distributions from a synchrotron-produced microplanar beam array using the EGS4 code system,” Phys. Med. Biol. 45: 2497-2508 (2000).

 

  1. 10.              E.A. Siegbahn, E. Brauer-Krisch, J. Stepanek, H. Blattmann, J.A. Laissue, A. Bravin, “Dosimetric studies of microbeam radiation therapy(MRT) with Monte Carlo simulations,” Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A 548: 54-58 (2005).

 

  1. 11.              J. Spiga, E.A. Siegbahn, E. Brauer-Krisch, P. Randaccio, A. Bravin, “Microdosimetry for Microbeam Radiation Therapy(MRT): theoretical calculations using the Monte Carlo toolkit,” IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record: 1363-1367 (2006).

 

  1. 12.              E. Brauer-Krisch, A. Bravin, M. Lerch, A.B. Rosenfeld, J. Stepanek, M.Di. Michiel, J.A. Laissue, “MOSFET dosimetry for microbeam radiation therapy at the Euorpean Synchrotron Radiation Facility,” Med. Phys. 30(4): 583-589 (2003).

 

  1. 13.              A.B. Rosenfeld, L.F. Lerch Michael, T. Korn, E. Brauer-Krisch, A. Bravin, A. Holmes-Siedle, B.J. Allen, “Feasibility study of online high-spatial-resolution MOSFET dosimetry in static and pulsed X-ray radiation fields,” IEEE Transaction on nuclear science 48(6): 2061-2068 (2001).

 

  1. 14.              A.B. Rosenfeld, G.I. Kaplan, T. Kron, B.J. Allen, F.A. Dilmanian, I. Orion, B. Ren, M.L.F. Lerch, A. Holmes-Siedle, “MOSFET dosimetry of an X-ray microbeam,” IEEE Transaction on nuclear science 46(6): 1774-1780 (1999).

 

  1. 15.              G.I. Kaplan, A.B. Rosenfeld, B.J. Allen, J.T. Booth, M.G. Carolan, A. Holmes-Siedle, “Improved spatial resolution by MOSFET dosimetry of an X-ray microbeam,” Med. Phys. 27(1): 239-244 (2000).

 

  1. 16.              F.A. Dilmanian, G.M. Moris, F. Hainfeld James, “Methods for implementing Microbeam Radiation Therapy,” U.S. Patent No. 7194063 (2007).
  2. 17.              M.C. Biston, A. Joubert, J.F. Adam, H. Elleaume, S. Bohic, A.M. Charvet, F. Esteve, N. Foray, J. Balosso, “Cure of fisher rats bearing radioresistant F98 glioma treated with cis-Platinum and irradiated with monochromatic synchrotron X-rays,” Cancer Research 64: 2317-2323 (2004).

 

  1. 18.              J.F. Hainfeld, D.N. Slatkin, H.M. Smilowitz, “The use of gold nanoparticles to enhance radiotherapy in mice,” Phys. Med. Biol. 49(18): 309-315 (2004).

 

  1. 19.              V. Honkimaki, P. Suortti, “Whole-pattern fitting in energy-dispersive powder diffraction,” J. Appl. Crystallogr. 25: 97-104 (1992).

 

  1. 20.              W. Archer David, “Collimator for producing an array of microbeams,” US patent, No. 5, 771, 270 (1998).

 

  1. 21.              E. Brauer-krisch, A. Bravin, L. Zhang, E. Siegbahn, “Characterization of a tungsten/gas multislit collimator for microbeam radiation therapy at the European Synchrotron Radiation Facility,” REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS (76): 064303 (2005).

 

  1. 22.              “Geant4 Collaboration  Physics Reference Manual,” Version: geant4 9.0, Online available at http: //geant4.wen.cern.ch (2007).