Моделирование пространственного распределения поглощенной дозы фотонного и электронного излучений в мишенях, находящихся в сильном магнитном поле
Диссертация
Предложен метод, который позволяет при облучении пучками фотонов и электронов мишеней, помещенных в магнитное поле, увеличить размер области с высоким значением дозы, сохранив высокий градиент дозы на границах указанной области. В случае электронов метод включает в себя: облучение мишени, помещенной в магнитное поле переменного знакаиспользование электронов с разных орбит ускорителя, причем число… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1. Ионизирующие излучения в лучевой терапии
- 1. 1. Виды ионизирующих излучений в терапии
- 1. 2. Влияние вторичных процессов на биологический эффект от ионизирующих излучений
- Глава 2. Обзор методов облучения мишени пучками электронов и фотонов в магнитном поле
- Глава 3. Компьютерное моделирование воздействия ионизирующего излучения на вещество
- Глава 4. Метод управления распределением поглощенной дозы с помощью магнитного поля
- Глава 5. Распределение дозы от фотонов и электронов в мишенях, помещенных в магнитное поле
- 5. 1. Распределение дозы от электронов в мишенях, помещенных в поперечное магнитное поле
- 5. 1. 1. Глубинное распределение поглощенной дозы от бесконечно широкого пучка электронов
- 5. 1. 2. Пространственное распределение дозы от пучка электронов в магнитном поле
- 5. 1. 3. Метод облучения электронами в магнитном поле переменного направления
- 5. 2. Распределение дозы от фотонов в мишенях, помещенных в поперечное магнитное поле
- 5. 3. Общие замечания и
- 5. 1. Распределение дозы от электронов в мишенях, помещенных в поперечное магнитное поле
- выводы
- Заключение
- Список литературы
Список литературы
- Костылев В.А. Медицинская физика. Краткая история (прошлое, настоящее, будущее). АМФР ПРЕСС, Серия «Высокие медицинские технологии», М., 1999. 21 с.
- Хорошков B.C. Введение в технику протонной лучевой терапии. М.: Издательский отдел УНЦ ДО, 2001.
- Khan F.M. The physics of radiation therapy, second edition, 542 pages, Wil-liams&Wilkins, USA, 1994.
- Голдобенко Г. В., Костылев B.A. Актуальные проблемы радиационной онкологии и пути их решения. Москва, 1994.
- Линденбратен Л.Д., Лясс Ф. М. Медицинская радиология. М.: «Медицина», 1979
- Костылев В.А., Черняев А. П., Антипина Н. А., Ионизирующие излучения в терапии. М., Изд-во МГУ, 2000
- Кудряшов Ю.Б., Беренфельд Б. С. Основы радиационной биофизики. М.: Изд-во МГУ. 1982. 304 с.
- J.A. Prudy. Advances in radiation oncology physics. Dosimetry, treatment planning and brachytherapy. AAPM. Medical physics monograph № 19. 1992. 1099 p.
- Варзарь C.M., Алексеева Л. В., Черняев А. П., Красавин Е. А. Проведение учебных практик по медицинской физике. Материалы I Евразийскогоконгресса по медицинской физике и инженерии. Медицинская физика № 11. т.1. с. 98. 2001.
- Варзарь С.М., Черняев А. П. Учебные практики по медицинской физике для студентов университетов. Тезисы докладов IV съезда по радиационным исследованиям (радиобиология, радиоэкология, радиационная безопасность). Москва 20−24 ноября 2001, т. З, с. 851.
- Адо Ю.М., Варзарь С. М., Костылев В. А. и др. Развитие специальности медицинская физика в классических университетах. Медицинская физика. № 8. 2000. с. 72−76.
- Кондратьева А.П. Лучевая терапия злокачественных опухолей. Русский Медицинский Журнал, Т.6, № 10, 1998.
- Трапезников Н.Н., Аксель Е. М., Бармина Н. М. Заболеваемость и смертность от злокачественных новообразований в России в 1996 г. Русский Медицинский Журнал, Т.6, № 10, 1998.
- Варзарь С.М., Тултаев А. В., Черняев А. П. Роль вторичных частиц при прохождении ионизирующих излучений через биологические среды. Медицинская физика, 2001, № 9. с. 58−67.
- Варзарь С.М., Тултаев А. В., Черняев А. П. Вторичные процессы от ионизирующих излучений в биологических средах. Сборник статей «Применение физических методов в медицине», Изд-во физического ф-та МГУ, 2001.
- Wilson R.R. Radiological use of fast protons. Radiology. 1946, V.47, pp. 128−137.
- Гольдин Л.Л., Джелепов В. П., Ломанов М. Ф., Савченко О. П. Применение тяжелых заряженных частиц высокой энергии в медицине. УФН, 1973, Т. 110, вып. 1, с. 77−99.
- Lawrence J.H. The biological action of neutron rays. Proc. Nat. Acad. Sci. 1936, V.22.
- Бесшейко O.A., Гавриленко М. Ф., Каденко И. Н. и др. Бор-нейтронно-захватная терапия с применением ускорителя. Медицинская физика, 2001, № 12, с.70−74.
- Kraft G., Maul F.D. Nuclear impact on medicine. Nuclear physics news. 1998, V.8, № 2.
- Лебедев A.H., Шальнов A.B. Основы физики и техники ускорителей. М.: Энергоатомиздат, 1991.
- W.H. Bostick «Possible techniques in direct electron beam tumor therapy», PhysRev. № 77, 564−565, 1950.
- Weinhous M.S., Nath R., Schulzm R.J. Enhancement of electron beam dose distributions by longitudinal magnetic fields: Monte Carlo simulations and magnet system optimization. Med. Phys., № 12, 598−603, 1985.
- Nagvi S.A., Li X.A., Ramahi S.W., Chu J.C., Ye V.SJ. «Reducing Loss in Lateral Charged-particle Equilibrium Due to Air Cavities Present in X-ray Irridiated Media by Using Longitudinal Magnetic Fields,» Med. Phys. № 28, 2001,603−611.
- Shih C.C., «High Energy Electron Radiotherapy in a Magnetic Field,» Med. Phys. № 2, 1975, 9−13.
- Whitmire D.P., Bernard D.L., Peterson M.D., Purdy J.A., Med. Phys. № 4, 127, 1977.
- Whitmire D.P., Bernard D.L., Peterson M.D., «Magnetic Modification of the Electron-dose Distribution in Tissue and Lung Phantoms,» Med. Phys. № 5, 1978, 409−417.
- Paliwal B.H., Thomadsen B.R., Wiley A.L. «Magnetic modification of electron beam dose distributions», Acta Radiol Oncol № 18, 57−64, 1979.
- Nath R, Schulz R.J., Med. Phys. № 5, 226, 1978.
- Bielajew A.F. «The effect of strong longitudinal magnetic fields on dose deposition from electron and photon beams», Med. Phys. № 20, 1171−1179, 1993.
- Тултаев A.B., Черняев А. П. Метод формирования пространственного распределения дозы пучков фотонного и электронного излучения в биологических средах. Препринт НИИЯФ МГУ-2001−4/644. 15 с.
- Li Х.А., Reiffel L., Chu J., Naqvi S., «Conformal photon-beam therapy with transverse magnetic fields: Monte Carlo study,» Med. Phys., № 27, 1447, 2000.
- Chu J.C.H., Reiffel L., Naqvi S., Li X.A., Ye S.-J., Saxena A., 'The use of magnetic fields to improve photon dose distributions for radiation therapy-a possible approach to 'poor man’s proton' beam properties," Med. Phys., № 27, 1434, 2000.
- Jette D. «Magnetic fields with photons beams: Monte Carlo calculations for a model magnetic field», Med. Phys., № 27, 2726−2738, 2000.
- Jette D. «Magnetic fields with photons beams: Dose calculation using electron multiple-scattering theory», Med. Phys., № 27, 1705−1716, 2000.
- Комптон А., Алисон С. Рентгеновы лучи, теория и эксперитмент. ОН-ТИ. 1941.
- Allen P.D., Chaudhri М.А. The dose contribution due to photonuclear reaction during radioterapy. Med. Phys. 1982, № 9, pp. 904.
- Spurny F., Johansson L., Satherberg A. et al. The contribution of secondary heavy particles to the absorbed dose from high energy photon beam. Phys. Med. Biol. 1996, № 41, pp. 2643−2655.
- Sathenberg A., Johansson L. Photonuclear production in tissue for different 50 MV bremsstrahlung beams. Med. Phys. 1998, V.25, № 5, pp. 683−687.
- Allen P.D., Chaudhri M.A. Photoneutron production in tissue during high energy bremsstrahlung radiotherapy. Phys. Med. Biol. 1988, V.33, 10 171 036.
- Bethe H.A. Moliere’s theory of multiple scattering. Phys. Rev. 1953, V.89., p.p. 1256−1266.
- Бочарова И.А. Электронная лучевая терапия и области ее применения. Медицинская физика, 2000, № 7.
- Chu W.T., Ludewigt В.А., Ranner T.R. Instrumentation for treatment of cancer using proton and light-ion beams. Rev. Sci. Instrum. 1993, V.64, № 8, p. 2055−2084.
- Хорошков B.C., Оносовский K.K. Современный этап развития техники протонной лучевой терапии (обзор). ПТЭ, 1995, № 2, с. 16−31.
- Bortfeld Т. An analytical approximation of the Bragg curve for therapeutic proton beams. Med. Phys. V.24, № 12, 1997.
- Ворогушин М.Ф., Финкельштейн И. И. Лучевая ионная терапия онкологических опухолей. М.: 1995.
- Pedroni Е., Bacher R., Blattmann Н. et al. The 200 MeV proton therapy project at the Paul Scherrer Institute: conceptual design and practical realisation. Med. Phys. 1995, V.22,№ 1.
- Wisser L. et al. Pual Scherrer Instit. Scientific report 1999, VII, pp. 8−9.
- Хорошков B.C., Оносовский K.K. Современный этап развития техники протонной лучевой терапии (обзор). ПТЭ, 1995, № 2, с.16−31.
- Almadi U. Cancer therapy with particle accelerators, Nucl. Phys. A654, 1999.
- Материалы I Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии. Москва, 2001. Медицинская физика, 2001, № И, часть 1.
- Дж. Хайн, Г. Браунелл Радиационная дозиметрия. М.: Изд-во ин. лит. 1958.
- Satherberg A., Johansson L. Photonuclear production in tissue for different 50MV bremstrahlung beams. Med. Phys. 1998, V. 25, p. 683.
- Allen P.D., Chaudhri M.A. The dose contribution due to photonuclear reaction during radioterapy. Med.Phys. 1982, V.9, p. 904.
- Spurny F., Johansson L., Satherberg A. et. al. The contribution of secondary heavy particles to the absorbed dose from high energy photon beam. Phys.Med.Biol. 1996, V.41, p.2643.
- Ahnesjo A., Weber L., Nilsson P. Modeling transmission and scatter or photon beam attenuator. Med.Phys. 1995, V.22, p. 1711.
- Gottschalk В., Platais R., Paganetti H. Nuclear interaction of 160 MeV protons stopping in copper: a test of Monte Carlo nuclear models. Med.Phys. 1999, Y.26, p.2597.
- Carlsson C.A., Carlsson G.A. Proton dosimetry with 185 MeV protons: dose buildup from secondary protons recoil electrons. Health.Phys. 1977, V.33, p. 481.
- Seltzer S.M. An assessment of the role of charged seconderies from nonelas-tic nuclear interaction by therapy proton beam in water. National Institute of Standards and Tehnology Technical Reports 1993, № NISTIR 5221.
- Chu W.T., Ludewigt B.A., Renner T.R. Instrumentation for treatment of cancer using proton and light-ion beams. Rev.Sci.Instrum. 1993, V.64, p.2055.
- Schimmerling W., Rapkin M., Wong M., Howard J. The propagation of rela-tivistic heavy ions in multielement beam lines. Med. Phys. 1986, V.13,p.217.
- Deasy J.O. A proton dose calculation algorithm for conformal therapy simulations based on Molieres theory of lateral deflections. Phys. Med. 1998, V.25, p. 476.
- Горлачев Г. Е. Дозные распределения в лучевой терапии в условиях отсутствия электронного равновесия. Медицинская физика № 4, 31, 1997.
- Allen P.D., Chaudhri М.А. Energy spectra of secondary neutrons produced by high-energy bremsstrahlung in carbon, nitrogen, oxygen and tissue. Phys.Med.Biol. 1982, V.27, p.553.
- Allen P.D., Chaudhri M.A. Neutron yields from selected materials irradiated with high energy photons. Phys.Med.Biol. 1991, V.36, p.1653.
- Allen P.D., Chaudhri M.A. Production of neutrons from water, polyethylene, tissue equivalent material and CR-39 irradiated with 2.5−30 MeV photons. Australas.Phys.Sci.Med. 1991, V.14, p.153.
- Zackrisson В., Johansson В., Ostbergh P. Relative biological effectiveness of high energy photons (up to 50 MeV) and electrons (50 MeV). Radiat.Res. 1991, V.128,p.l92.
- Zackrisson В., Karlsson M. Relative biological effectiveness of 50 MeV x-rays on jejunal crypt survival in vivo. Radiat.Res. 1992, V.112, p.192.
- Tilikidis A., Lind В., Nafstadius P., Brahme A. An estimation of the relative biological effectiveness of 50 MeV bremsstrahlung beams by microdosimet-ric techniques. Phys.Med.Biol. 1996, Y.41, p.55.
- Alsmiller R.G.Jr., Leimdorfer M., Barish J. Oak Ridge National Laboratory Report ORNL-4046.
- Townsend L.W., Wilson J.W., Biddasaria H.B. National aeronautics space administration technical memorandum 84 636, 1983.
- Blann M. International atomic energy agency publication INDC (NDS)-245, p.63, 1991. Lawrence Livermore national laboratory publication UCRL-JC-109 052, 1991.
- Wainson A.A., Lomanov M.F., ShmakovaN.L., Blokhin S.I., Jarmonenko S.P. The RBE of accelerated protons in different parts of the Bragg curve. British Journal of Radiology, 45, 525, 1972.
- Tepper J., Verney L., Goitein М., Suit H.D. Int.J.Radiat.Oncol.Biol.Phys. 2, 1115, 1977.
- Hall E.J. Int.J.Radiat.Oncol.Phys. 8, 2137, 1982.
- Urano M., Goitein M., Verney L., Mendiondo O., Suit H.D., Korhler A.M. Int.J.RadiatOncol.Biol.Phys. 6, 1187, 1980.
- Robertson J., Williams J., Schmidt R., Little J., Flynn D., Suit H.D. Cancer, 35, 1664, 1975.
- Арцимович Jl. A, Лукьянов С. Ю. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. М.: Наука. 1972.
- Stern R.L. «Tests of a Large Air-core Superconducting Solenoid as a Nuclear-reaction-product Spectrometer,» Rev. Sci. Instrum. 1975, № 58, p.1682−1693.
- D.W. Litzenberg, A.F. Benedick, D.L. McShan, T.W. O’Donnell,
- D.A. Roberts, F.D. Becchetti, A.F. Bielajew, J.M. Moran, «An Apparatus for Applying Strong Longitudinal Magnetic Fields to Clinical Photon and Electron Beams,» Phys. Med. Biol. 2001, № 46, p. 105−115.
- M. Karlsson, H. Nystrom, H. Svensson, «Electron Beam Characteristics of the 50-MeV Racetrack Microtron,» Med. Phys. 1992, № 19, p.307−315.
- M. Sempert, Radiology № 74, 105,1960.
- Варзарь C.M., Тултаев A.B., Черняев А. П. Управление распределением дозы пучка электронов в лучевой терапии. ПТЭ. 2002. № 1. с. 113−117.
- Варзарь С.М., Тултаев А. В., Черняев А. П. Пространственное распределение дозы пучка электронов в магнитном поле. Медицинская физика. 2002. № 13., с. 44−49
- Варзарь С.М., Тултаев А. В., Черняев А. П. Оценка эффективности облучения мишени пучком электронов в магнитном поле. Вестник МГУ. Серия 3. Физика. Астрономия. 2002 г., № 1, с. 24−27.
- Варзарь С.М., Зенин В. В., Тултаев А. В., Черняев А. П. Метод повышения эффективности облучения биологических объектов пучком электронов. Радиобиология и радиоэкология. 2002 г., № 2, с. 216−222.
- E.R. Epp, M.N. Lougheed, J.W. McKay, «Ionization build-up in upper respiratory air cavities during teletherapy with cobalt 60 radiation,» Br.J.Radiol., № 31,361−367, 1958.
- M. Salmo, P.M. Rissanen, E. Spring, «A retrospective analysis of the recurrence of stage I carcinoma of the larynx in patients treated with x-rays and gamma radiation from a Co-60 unit,» Strahlentherapie, № 145, 132−142, 1973.
- M.O. Koskinen, E. Spring, «Build-up and build-down measurements with thin LiF—Teflon dosimeters with special reference to radiotherapy of carcinoma of the larynx,» Strahlentherapie, № 145, 565−570, 1973.
- T.R. Mackie, E. el-Khatib, J. Battista, J. Scrimger, J. Van Dyk,
- J.R. Cunningham, «Lung dose corrections for 6- and 15-MV x rays,» Med. Phys., № 12, 327−332, 1985.
- K.E. Ekstrand, W.H. Barnes, «Pitfalls in the use of high energy X-rays to treat tumors in the lung,» Int. J. Radiat. Oncol., Biol. Phys., № 18, 249−252, 1990.
- B. Nilsson, P.O. Schnell, «Build-up effects at air cavities measured with thin thermoluminescent dosimeters,» Acta Radiol.: Ther. Phys. Biol., № 15,427 432, 1976.
- M.E.J. Young, R.O. Kornelsen, «Dose corrections for low-density tissue in-homogeneities and air channels for 10 MV x rays,» Med Phys., № 10, 450 455, 1983.
- J.L. Beach, M.S. Mendiondo, O.A. Mendiondo, «A comparison of air-cavity inhomogeneity effects for cobalt-60, 6- and 10 MV x-ray beams,» Med. Phys., № 14, 140−144, 1987.
- T.D. Solberg, F.E. Holly, A.A.F. De Salles, R.E. Wallace, J.B. Smathers,' Implications of tissue heterogeneity for radiosurgery in head and neck tumors," Int. J. Radiat. Oncol., Biol., Phys., № 32, 235−239, 1995.
- P.M. Ostwald, T. Kron, C.S. Hamilton, «Assessment of mucosal underdosing in larynx irradiation,» Int. J. Radiat. Oncol., Biol., Phys., № 36, 181 187, 1996.
- W.K. Kan, P.M. Wu, H.T. Leung, T.C. Lo, C.W. Chung, D.L.W. Kwong, S.T. Sham, «The effect of nasopharyngeal air cavity on x-ray interface dose,» Phys. Med. Biol., № 43, 529−537, 1998.
- X.A. Li, C. Yu, T. Holmes, «A systematic evaluation of air cavity dose perturbation in megavoltage x-ray beams,» Med. Phys., № 27, 1011−1017, 2000.
- M. K. Woo, J. R. Cunningham, «The validity of the density scaling method in primary electron transport for electron and photon beams,» Med. Phys., № 17, 187−194, 1990.
- B.H. Shahine, M.S.A.L. Al-Ghazi, E. El-Khatib, «Experimental evaluation of interface doses in the presence of air cavities compared with treatment planning algorithms,» Med. Phys., № 26, 350−355, 1999.
- G. Boebinger, «Correlated electrons in a million gauss,» Phys. Today, № 49, 36−42, 1996.
- E. Nardi, G. Barnea «Electron beam therapy with transverse magnetic fields», Med. Phys., № 26, 967−973, 1999.
- Progress report on acceleration of polarized protons to 1 TeV in the Fer-milab Tevatron, Spin collaboration, University of Michigan. 1995. UM HE 95−09.
- A. Wirrwar, H. Vosberg, H. Herzog, H. Halting, S. Weber, H.-W. Muller-Gartner, «4.5 tesla magnetic field reduces range of high-energy positrons— potential implications for positron emission tomography,» IEE Trans. Nucl. Sci., № 44, 184−189, 1997.
- Самарский А.А. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент. Вести АН СССР. 1979. № 5. с. 38−40.
- Самарский А.А. Численные методы решения многомерных задач механики и физики. Журнал вычислительной математики и математический физики. 1980. Т.20, № 6, с. 1416−1464.
- Гусев Н.Г., Машкович В. П., Суворов А. П. Физические основы защиты от излучений. Том 1. М.: Атомиздат, 1980. 461 с.
- Эльтеков В.А. Взаимодействие атомных частиц с твердым телом. Компьютерное моделирование. М.: Изд-во МГУ. 1993. 152 с.
- Экштайн В. Компьютерное моделирование взаимодействия частиц с поверхностью твердого тела. М.: Мир, 1995. 321 с.
- Геловани В.А., Юрченко В. В. Компьютерное моделирование. Математическое моделирование. 1989. Т.1. № 1. с.3−12.
- Harrison D.E., Gay W.L., Effron Н.М. Algorithm for calculation of the classical equations of motion of a N-body system. J. Math. Phys. 1960. V.10. № 7. p. l 179−1184.
- Робинсон M. Теоретические вопросы распыления монокристаллов.// Распыление твердых тел бомбардировкой. М.: Мир. 1984. с. 99−193.
- Парилис С., Тураев Н. Ю. К теории отражения атомов от поверхности твердого тела. Изв. АН СССР. Сер. физ. 1966. Т.30. № 12. с. 1983−1985.
- Ulam S.M., J. von Neumann On combination of stochastic and deterministic processes, Bull. Amer. Math. Soc. 1947. V.53. p. 1120.
- Goldberg M.L. The interaction of high energy neutrons and heavy nuclei. Phys. Rev. 1948. V.74. p.1269−1277.
- Wilson R.R. Monte Carlo study of shower production. Phys. Rev. 1952. V.86. p.261−269.
- Butcher J.C., Messel H. Electron number distribution in electron-photon showers. Phys. Rev. 1958. V.112. p.2096−2106.
- Butcher J.C., Messel H. Electron number distribution in electron-photon showers in air and aluminum absorbers. Nucl. Phys. 1960. Y.20. p. 15−128.
- Варфоломеев А.А., Светлолобов И. А. ЖЭТФ. 1959. T.36. с. 12 631 270.
- Biersack J.P., Haggmark L.G. Nucl. Instr. Meth. 1980. V.174. p.257.
- Biersack J.P., Eckstein W. Appl. Phys. 1984. A34. p.73.
- Ford R.L., Nelson W.R. The EGS code system version 3. Stanford Linear Accelerator Center Report. 1978. SLAC-210.
- Nelson W.R., Hirayama, Rogers D.W.O. The EGS4 Code System. Stanford Linear Accelerator Center Report. 1985. SLAC-265.
- Brun R., Hansroul M., Lassalle. GEANT User’s GUIDE. CERN. 1982. DD/EE/82 edition.
- Moller W., Eckstein W. Nucl. Instr. Meth. 1984. B2. p. 814.
- Moller W., Eckstein W., Biersack J.P. Сотр. Phys. Commun. 1988. V.51. p.355.
- Zerby C.D., Moran H.S. A Monte Carlo calculation of the three-dimensional development of high-energy electron-photon cascade showers. Oak Ridge National Laboratory. 1962. Report ORNL-TM-422.
- Zerby C.D., Moran H.S. Studies of the longitudinal development of electron-photon cascade showers. J. Appl. Phys. 1963. V.34. p.2445−2457.
- Nagel H.H. Stanford Linear Accelerator Center Report. 1965. SLAC-TRANS-28.
- Brun R. et al. FFREAD User Guide and Reference Manual. CERN. 1987. dd/us/71.
- Bock R. et al. HIGZ User Guide. CERN. 1991. Program Library Q120.
- Brun R., Goossens M, Zoll J. ZEBRA Users Guide. CERN. 1991. Program Library Q100.