Прецизионное моделирование в задачах радиационной медицины и дозиметрии Ю.А. Кураченко ГНЦ РФ – ФЭИ, г. Обнинск

Условная схема расчётной области 1. АЗ и ближнее окружение; 2. канал вывода в защите; 3. окружение выхода пучка; 1.4. медицинский бокс и смежные помещения

Зона 1: геометрия существенно трёхмерна: ось цилиндрической активной зоны (АЗ) нормальна к оси канала вывода пучка. Прецизионный расчёт характеристик поля излучения возможен с помощью, напр., программы MCNP Зона 2: при достаточном удалении от АЗ перенос в протяжённом канале и окрестности может быть рассчитан с помощью 2D программы КАСКАД Зона 3: 3D геометрия, расчёт характеристик поля в фантоме (MCNP) Зона 4: характеристики поля излучения внутри бокса и в смежных помещениях. Для бокса возможен прецизионный расчёт (MCNP), для смежных помещений –упрощённая 2D модель (КАСКАД) Основной проблемой при организации цепочек вычислений является адекватный выбор положения поверхностей пересчёта «решение источник» и алгоритма пересчёта. Этот выбор осуществляется эмпирически, посредством перебора вариантов

АДРОННЫЕ ПУЧКИ ДЛЯ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ Задачи адаптации существующих пучков реакторов и ускорителей, оптимизация проектируемых пучков к требованиям терапии; Проблемы оптимальной организации лучевой терапии Минимизация лучевой нагрузки на критические органы при нейтронной и протонной лучевой терапии Воксельные фантомы для терапии и дозиметрии

15 ЭТАЛОННЫЙ ПУЧОК НЕЙТРОНОВ для НЗТ FCB MIT

16 Исследовательский реактор на быстрых нейтронах БР-10 Успешно пролечено ~ 500 пациентов (конец XX столетия; выведен в 2002 г.)

«МАРС»:общая конфигурация блока вывода пучков CH 2 + B U ~ 95 ~ 130 Зона преимущественного влияния пучка для НСТ Зона преимущественного влияния пучка для НЗТ S2S2 S1S1 S3S3 Зона совместного влияния пучков Пучок для НСТ Пучок для НЗТ Система фильтров и коллиматоров

95 Ø Свинцовый коллиматор Фильтр AlF 3 Медный отражатель Никелевый отражатель Защита из тяжелого борированного бетона Полиэтилен с литием Горизонтальное сечение расчетной модели, принятой для ЭТК реактора TAPIRO (получено с помощью визуализатора программы MCNP5; размеры даны в см) Реактор TAPIRO

Реактор ВВРц Бак с водой Вертикальные экспериментальные каналы Ниша экспериментальных устройств Горизонтальный канал ГК-1 Компоновка бака реактора ВВРц (радиальное сечение )

110 ВВРц: горизонтальный канал ГК-1 Радиальное сечение расчётной модели на высоте середины АЗ (размеры даны в см) Бетон Вода Сталь Поверхность источника

Для выполнения расчётов были развиты эффективные расчётные технологии, сочетающие 1D, 2D и 3D детерминистские коды и метод Монте-Карло КАСКАД, 2D MCNP, 3D Поверхность пересчета «КАСКАД MCNP» АЗ Отражатель +защита Поверхность пересчета «MCNP КАСКАД» MCNP, КАСКАД 3D/2D Коллимационая система Условная схема типичной расчётной области и применяемой расчётной технологии 9

ВВРц: ниша экспериментальных устройств см 122 см Pb 5 см Фильтр 67 см Коллиматор 55 см Бораль 1 см

Сечение расчётной модели на высоте центра тангенциального канала 7 реактора ИР-8

Тяжеловодный исследовательский реактор Блок вывода пучка Шахта реактора Чугунная защита Бетонная защита Радиальное сечение расчётной модели ТВР-50

ПОДКРИТИЧЕСКИЕ ADS СБОРКИ ДЛЯ НЗТ Выбранная глубокая подкритичность сборки (k eff 0.90) позволяет обходиться (по отечественным нормативным документам) без СУЗ. Расчётные исследования позволили выявить две наиболее эффективные реакции( 9 Be(d,n) 10 B при энергии дейтронов 8÷20 МэВ) и реакция «скалывания», в которой протоны с энергией 230 МэВ падают внутрь цилиндрической мишени из обедненного (0.2 % по 235 U) урана. Для обеих реакций был оптимизирован блок вывода пучка (модификатор спектра – Fluental: состав 56% F, 43% Al, 1% LiF)

Shielding Аксиальное сечение расчётной модели для ADS (1-я реакция, энергия дейтронов 16 МэВ, ток 200 мкА) Lead Core Beam removal system 60 cm Cone lead collimator Hollow channel Ф tot, см -2 с -1 Ф epi /Ф tot, % Ф fast /Ф tot, % Ф therm /Ф tot, % E aver, МэВ Желательные значения 1·10 9 ~ – РУ «МАРС»0.945· й вариант 1.27· й вариант 1.12· Для снятия энерговыделения в Be мишени (~ 3.2 к Вт) предусмотрена циркуляция воды в канале ввода пучка. Радиационное энерговыделение в АЗ, коллимационной системе и свинцовом отражателе ( 1 к Вт) снимается теплопроводной топливной матрицей, состоящей из укороченных стандартных ТВЭЛ реактора БН-600 и замедлителя из ZrH 1.8. Обогащение топлива 17% по 235 U, масса 235 U ~ 1.5 кг.

117 ЭЛЕГИЯ: аксиальное сечение осесимметричной расчётной модели. На выходе пучка расположен дифференцированный цилиндрический фантом из тканеэквивалентного материала (получено визуализатором программы расчёта транспорта излучений) 61.5 см Pb PbF 2 ZrH 2 +B 4 C Cd 0.1 см Фантом Ввод электронов (принципиально латеральный!)

118 Сопоставим спектральное распределение нейтронов на выходе пучка

119 Оптимизированная составная мишень W Модели «усиленной» мишени: слева для расчёта энерговыделения, справа – поля температуры. Скорость теплоносителя ~ 2 м/с, максимальная температура C Ga W

120 Оптимизированная составная мишень W Спектры нейтронов на выходе канала для НЗТ

121 W Поток нейтронов и его спектральный состав, а также средняя энергия нейтронов на выходе проектируемого (МАРС) и существующего (TAPIRO) реакторных пучков в сопоставлении с характеристиками пучков фотоядерных нейтронов Ф tot, см -2 с -1, 10 9 Ф epi /Ф tot, % Ф fast /Ф tot, % Ф therm /Ф tot, %, МэВ Желательно для НЗТ> 1~ – МАРС TAPIRO СГФпучки сооснополый канал канал с PbF пучки перпендикуляр рено полый канал канал с PbF Оптимизированная составная мишень

122 W НЗТ-характеристики на выходе реакторных и фотоядерных пучков: плотность потока эпи тепловых нейтронов; «загрязнение» пучка гамма-излучением и быстрыми нейтронами; направленность Оптимизированная составная мишень Ф epi, см -2 с -1, 10 9 D γ /Ф epi, с Гр·см 2, D fast /Ф epi, с Гр·см 2, J epi /Ф epi («ток к потоку») Желательные значения 1< 2 – МАРС TAPIRO СГФпучки сооснополый канал канал с PbF пучки перпендикулярр но полый канал канал с PbF

ОПТИМИЗАЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЗЫ В ЗАДАЧАХ ПРОТОННОЙ ТЕРАПИИ Применение протонной лучевой терапии (ПЛТ) целесообразно в ~ 30 % случаев от всей структуры онкологической заболеваемости ПЛТ обеспечивает, при прочих равных, примерено вдвое меньшую лучевую нагрузку на здоровые ткани сравнительно с конвенциальной лучевой терапией Данное обстоятельство обусловлено особенностью передачи энергии протонами при их движении в ткани: практически постоянное значение на начальном участке и резкий пик энерговыделения (пик Брэгга, ПБ) в конце пробега на глубине, однозначно определяемой начальной энергией протона

3 Поэтому исторически наибольшие успехи ПЛТ продемонстрировала в окно офтальмологии, но в последнее время происходит переход от облучения малых мишеней к облучению крупных злокачественных новообразований (ЗН) – голова и шея, желудочно-кишечный тракт, органы дыхательной системы и др. Эффективное облучение крупных мишеней стало возможным при использовании пучков протонов с изменяемой энергией, и чем крупнее мишень и чем глубже она расположена, тем более широкий диапазон энергии протонов требуется

Так, общее требование к диапазону энергии для ПЛТ состоит в следующем: необходимы протоны с энергией от 30 до 230 МэВ, что соответствует не только различным размерам мишени, но и переходу от поверхностных ЗН через задачи окно офтальмологии к проблемам терапии глубокорасположенных ЗН 4

В клинической практике ПЛТ используются исключительно циклотроны и синхротроны, и для каждого типа ускорителя применяются свои способы и устройства изменения энергии Циклотрон является устройством с фиксированным значением энергии протонного пучка, поэтому для модификации энергии вынужденно применяется «внешнее» механическое устройство деградатор, обеспечивающий торможение протонов до требуемой энергии 5

Синхротрон же имеет возможность оперативно от одного цикла ускорения к другому изменять энергию протонов – электронным, а не механическим образом Энергия протонов выводимого пучка в каждом цикле ускорения однозначно определяется моментом вывода пучка из ускорителя Таким образом, в каждом цикле ускорения жёстко задаётся глубина проникновения протонов в тело пациента и место их остановки. В данном отношении синхротрон вне конкуренции 6

12 Положение пика Брэгга в зависимости от энергии протонов

14 Иллюстрация к решению оптимизационной задачи

130 ВОКСЕЛЬНЫЕ АНТРОПОМОРФНЫЕ ФАНТОМЫ ДЛЯ ДОЗИМЕТРИИ И ТЕРАПИИ

131 A voxel (volumetric pixel or Volumetric Picture Element) is a volume element, representing a value on a regular grid in three dimensional space. This is analogous to a pixel, which represents 2D image data in a bitmap (which is sometimes referred to as a pixmap). volumetricpixelregular gridthree dimensionalpixel2Dbitmappixmap A (smoothed) rendering of a data set of voxels for a macromoleculedata setmacromolecule

132 ПРЕДШЕСТВЕННИКИ Пигмалион и Галатея

133 ПРЕДШЕСТВЕННИКИ Голем

134 ПРЕДШЕСТВЕННИКИ Гомункулюс

135 ПРЕДШЕСТВЕННИКИ Чудовище Франкенштейна

136 ПРЕДШЕСТВЕННИКИ Терминатор

137

138 Физические (или материальные) антропоморфные фантомы используются для нужд внутренней и внешней дозиметрии с 1970-х годов. На тот момент эти фантомы вполне удовлетворительно представляли анатомию человека Но с течением времени требования к детализации строения фантомов росли. По этой причине были разработаны вычислительные модели для использования совместно физическими (или независимо от них) Среди этих разработок следует выделить общеизвестные математические модели, которые были реализованы комитетом MIRD (Medical Internal Radiation Dose)

139 Опытом, накопленные мировым сообществом в данной области, можно воспользоваться только лишь в незначительной степени Серьезные зарубежные разработки практически недоступны Поставляемое же зарубежное ПО исследовательских и практических задач ядереной медицины и дозиметрии является «ноу-хау», не подлежит несанкционированному использованию и модификации, а тем более традиционным в нашей стране незаконному присвоению и «взлому»

140 В массе публикаций по конструированию и реализации вычислительных моделей антропоморфных фантомов отечественные разработки просто отсутствуют Но развитие (к сожалению, запоздалое и вялое) ядереной медицины и других смежных сфер с неизбежностью ставит в повестку дня задачу создания отечественных моделей фантомов

141 В данной сфере уже довольно давно наметился переход от аналитических моделей к численным В последние несколько лет создаются так называемые воксельные вычислительные фантомы (ВФ), основанные преимущественно на данных компьютереной томографии (КТ) или магнитно-резонансной томографии (МРТ) Эти фантомы представляют собой модели человеческих тел, собранные из наборов вокселей – малых элементов объема

142 ИЗГОТОВЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ВОКСЕЛЬНОГО ФАНТОМА

143 Первые воксельные фантомы были созданы в середине 1980-х годов В настоящее время в практике мирового сообщества реально используется около полутора десятков антропоморфных фантомов, в том числе 10 фантомов взрослых людей, 5 детских и 1 фантом головы Отечественных воксельных фантомов на настоящий момент не существует

144 В настоящее время самым полным, точным и подробным фантомом является VIP-Man (Visible Photographic Man) Минимальные размеры прямоугольного вокселя для VIP-Man соответственно 0.33 мм x 0.33 мм x 1 мм Фантом состоит из более чем трех миллиардов вокселей

145 Подобный фантом необходим для проведения исследований в различных областях медицинской физики и в частности, в ядереной медицине Отсутствие его отечественной реализации естественным образом тормозит развитие медицинской физики и рост качества ядереной медицины, увеличивая наше отставание от мирового сообщества. Процесс создание модели фантома трудоемок и требует использования соответствующего программного обеспечения (ПО)

146 Схема работы программного обеспечения Параметры фантома Входные данные в специальном формате 3D-модель фантома Автоматическая проверка основных характеристик фантома Воксельный фантом

147 Срез фантома VIP-Man

148 Пошаговая схема создания воксельного фантома 1 – идентификация органа или ткани на 2D пиксельной карте; 2 – регистрация всех срезов; 3 – законченный 3D воксельный фантом

149 Идея ВФ совершенно прозрачна: подобный подход лежит в основе человеческой деятельности Это подход математического анализа, численных методов и т.д. ВФ в данном случае есть детальная численная модель предметной области, составленная из малых одинаковых элементов – вокселей Обычно эти элементы – прямоугольные призмы, заполненные соответствующим материалом предметной области

150 Размеры призмы, в принципе, должны соответствовать разрешению визуализирующих средств. На практике эти размеры ~ 1 мм и менее ВФ вообще – совершенно виртуальный объект, который может быть интерпретирован только вербально в сопровождении примитивных рисунков Конкретный проблемно-ориентированный ВФ – это текст, доступный интерпретации специализированными программными средствами для совершенно конкретных целей В нашем случае эти цели – решение уравнений переноса излучений, расчёт доз и т. д.

151 Для изготовления ВФ необходимо детальное «знакомство» с предметной областью – знание характеристик (у нас – ядерено-физических) по возможности в каждой её «точке» знание языка, на котором записывается фантом (у нас – знание о способе задания исходных данных для решения задачи расчёта дозных полей)

152 При изготовлении и использовании воксельных фантомов возникают интересные и сложные задачи Основные из них: – Передача (желательно автоматическая) информации «КТ-скан Фантом» –Корректное заполнение ячеек информацией –Визуализация для устранения ошибок Все три задачи-проблемы обусловлены большой размереностью фантома. Так, полный антропоморфный фантом человека может содержать несколько миллиардов ячеек- вокселей, каждая из которых должна быть снабжена набором соответствующих данных

153 Минимальные требования к коду: возможность задания периодических структур развитые средства визуализации

154 Собственно «воксельный фантом» и его 3D визуализация (размереность ~ 3 млн ячеек)

155

156

157 ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОНУЛИДНАЯ ДИАГНОСТИКА И ТЕРАПИЯ

158 ПРИМЕНЕНИЕ АДРОННАЯ ТЕРАПИЯ target MARS beam target ПРОТОННАЯ НЕЙТРОННАЯ

159 ПРОТОННАЯ ТЕРАПИЯ ГЛАЗА Височная доля Мозговая жидкость воздух Глазное яблоко Хрусталик Глаз Жир мышца Височная доля Белое вещество наковальня (слуховая косточка) гиппокамп Белое вещество Височная доля Затылочная доля Жир Кость(череп) Кожа Мишень Фронтальное облучение

160 ПРОТОННАЯ ТЕРАПИЯ ГЛАЗА Латеральное облучение Левый хрусталик Правый хрусталик кожа мышца жир пазух жир мышца кожа жир Слёзная железа (правая) мишень

161 МОБИЛЬНАЯ РАДИАЦИОННАЯ РАЗВЕДКА

162 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ