Помощь студентам в учебе
РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ АЛЬФА-РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ
|
АННОТАЦИЯ 4
Введение 4
1 Что такое Geant4? 6
1.1 Общие сведения 6
1.2 Применение в медицине и космических излучениях 6
1.3 Подготовка к работе с Geant4 8
1.3.1 Выбор способа установки 8
1.3.2 Знакомство с архитектурой 9
2 Модели в Geant4 12
2.1 Модели химических реакций 13
2.1.1 Step-By-Step (SBS) 13
2.1.2 Independent Reaction Time (IRT) 13
2.1.3 Synchronized Independent Reaction Time (IRT-sync) 14
2.1.4 Mesoscopic 14
2.2 Модели радиоактивного распада 14
3 Биологический ликбез 15
3.1 Альфа-эмиттеры 15
3.2 Относительный биологический эффект 16
3.3 Биологическая клетка и молекула ДНК 17
3.3.1 Клетка 18
3.3.2 ДНК 19
3.3.3 Поломки в ДНК 21
3.4 Активно применяющиеся в медицине радионуклиды 22
3.4.1 Торий-226 (226Th) 23
3.4.2 Актиний-2 25 (225Ac) 24
3.4.3 Радий-2 23 (223Ra) 25
3.4.4 Висмут-213 (213Bi) 26
3.4.5 Астат-211 (211At) 27
3.5 Брахитерапия 28
3.6 Таргетная альфа-терапия (ТАТ) 30
4 Реализация Оеап14-приложения 31
4.1 Физико-биологическая картина 31
4.1.1 Ионизационные потери альфа-частиц 33
4.1.2 Радиоактивные распады 33
4.2 Программная картина 34
5 Обсуждение результатов моделирования 36
5.1 Моделирование ионизационных потерь 36
5.2 Моделирование химических реакций 39
5.3 Моделирование радиоактивных распадов 40
5.4 Обзор ICRU90 42
5.5 Характеристики расчётного оборудования 44
Заключение 46
Список литературы
Введение 4
1 Что такое Geant4? 6
1.1 Общие сведения 6
1.2 Применение в медицине и космических излучениях 6
1.3 Подготовка к работе с Geant4 8
1.3.1 Выбор способа установки 8
1.3.2 Знакомство с архитектурой 9
2 Модели в Geant4 12
2.1 Модели химических реакций 13
2.1.1 Step-By-Step (SBS) 13
2.1.2 Independent Reaction Time (IRT) 13
2.1.3 Synchronized Independent Reaction Time (IRT-sync) 14
2.1.4 Mesoscopic 14
2.2 Модели радиоактивного распада 14
3 Биологический ликбез 15
3.1 Альфа-эмиттеры 15
3.2 Относительный биологический эффект 16
3.3 Биологическая клетка и молекула ДНК 17
3.3.1 Клетка 18
3.3.2 ДНК 19
3.3.3 Поломки в ДНК 21
3.4 Активно применяющиеся в медицине радионуклиды 22
3.4.1 Торий-226 (226Th) 23
3.4.2 Актиний-2 25 (225Ac) 24
3.4.3 Радий-2 23 (223Ra) 25
3.4.4 Висмут-213 (213Bi) 26
3.4.5 Астат-211 (211At) 27
3.5 Брахитерапия 28
3.6 Таргетная альфа-терапия (ТАТ) 30
4 Реализация Оеап14-приложения 31
4.1 Физико-биологическая картина 31
4.1.1 Ионизационные потери альфа-частиц 33
4.1.2 Радиоактивные распады 33
4.2 Программная картина 34
5 Обсуждение результатов моделирования 36
5.1 Моделирование ионизационных потерь 36
5.2 Моделирование химических реакций 39
5.3 Моделирование радиоактивных распадов 40
5.4 Обзор ICRU90 42
5.5 Характеристики расчётного оборудования 44
Заключение 46
Список литературы
Онкологические заболевания являются одной из самых частых причин смерти в настоящее время, уступая в этом лишь сердечно-сосудистым заболеваниям. В частности, в России за 2024 год от онкологических заболеваний умерло порядка 16%, а от сердечно-сосудистых заболеваний 46% относительно общего числа зафиксированных смертей, согласно статистике [6]. Последние несколько десятилетий происходит актив¬ное изучение методов радиотерапии и радиодиагностики. В частности, за последние несколько лет существенный прогресс, обусловленный применением методов машинно¬го обучения и нейронных сетей, наблюдается в диагностировании различных заболеваний, а также в области визуализации медицинских данных с использованием прорыв¬ных свёрточных нейронных сетей.
Механизм возникновения раковых опухолей является не до конца изученным, несмотря на то, что установлена связь с разрывами ДНК внутри клеток [8,9], а также имеется множество теоретических работ, посвящённых изучению процессов ДНК с точки зрения физики [11,12], в частности, предыдущая работа автора [13], которая будет опубликована в скором времени. Один из современных методов неинвазивного лечения онкологических заболеваний - лучевая терапия, иначе называемая радиационной тера¬пией . Успешность применения лучевой терапии за последнее десятилетие может быть оценена из работы [10]. Но для более качественного проведения радиотерапии необходимо наиболее точно оценить геометрию опухоли, её расположение в человеческом теле. В частности, в случае брахитерапии необходимо определить оптимальное расположение излучателей, с помощью которых будет производиться уничтожение раковых клеток. Погоня за точностью имеет важную роль по той причине, что в этом случае любые ошибки приводят к одному из двух исходов: сохранению раковых клеток, уничтожению здоровых клеток.
Одним из инструментов решения этой задачи - моделирование, в частности, с помощью программного пакета Geant4, предназначение которого - моделирование про-хождения частиц через вещество. В последнее время происходит активное применение Geant4 не только в физике высоких энергий, но также в медицине. Например, в статье [3] моделируется радиационное воздействие на человеческий мозг с помощью Geant4, а в работе [1] как раз моделируется поражаемая область при проведении брахиотерапии карциномы простаты.
В настоящей работе разрабатывается Geant4-приложение, в котором моделируется воздействие альфа-частиц на клетку человека с помощью программного пакета Geant4. В качестве модельного приближения клетка представлена в виде сферы, на¬полненной водой. В перспективе планируется добавить внутрь сферы с водой ДНК, что позволит считать количество разрывов в ней. Количество разрывов является од¬ним из ключевых факторов для оценки жизнеспособности клетки.
Авторы работы выдвигают следующие цели:
а) Оценка работа программного пакета Geant4 в области низких энергий, включая Geant4-DNA, в частности, проверить ионизационные потери для протонов, элек-тронов и альфа-частиц
б) Изучение пространственных и энергетических распределений радионуклидов
в) Подключить и протестировать модели химических реакций, позволяющих рас-смотреть распределение радикалов от треков заряженных частиц
А также поставлены соответствующие целям следующие задачи:
а) Научиться основам программирования на языке C++.
б) Научиться пользоваться программным пакетом Geant4 для моделирования про-хождения частиц через вещество.
в) Научиться пользоваться программным пакетом ROOT для визуализации полу¬ченных при моделировании данных.
Достижение поставленных целей и сопутствующих им задач позволит оценить необходимость совершенствования низкоэнергетических моделей Geant4, что в перспективе предоставит возможность уточнять результаты, получаемые в том числе и в медицин¬ских приложениях на основе Geant4.
Результаты, полученные в настоящей работе, будут использованы в следующей публичной версии Geant4, которая будет опубликована в июне 2025 года.
Механизм возникновения раковых опухолей является не до конца изученным, несмотря на то, что установлена связь с разрывами ДНК внутри клеток [8,9], а также имеется множество теоретических работ, посвящённых изучению процессов ДНК с точки зрения физики [11,12], в частности, предыдущая работа автора [13], которая будет опубликована в скором времени. Один из современных методов неинвазивного лечения онкологических заболеваний - лучевая терапия, иначе называемая радиационной тера¬пией . Успешность применения лучевой терапии за последнее десятилетие может быть оценена из работы [10]. Но для более качественного проведения радиотерапии необходимо наиболее точно оценить геометрию опухоли, её расположение в человеческом теле. В частности, в случае брахитерапии необходимо определить оптимальное расположение излучателей, с помощью которых будет производиться уничтожение раковых клеток. Погоня за точностью имеет важную роль по той причине, что в этом случае любые ошибки приводят к одному из двух исходов: сохранению раковых клеток, уничтожению здоровых клеток.
Одним из инструментов решения этой задачи - моделирование, в частности, с помощью программного пакета Geant4, предназначение которого - моделирование про-хождения частиц через вещество. В последнее время происходит активное применение Geant4 не только в физике высоких энергий, но также в медицине. Например, в статье [3] моделируется радиационное воздействие на человеческий мозг с помощью Geant4, а в работе [1] как раз моделируется поражаемая область при проведении брахиотерапии карциномы простаты.
В настоящей работе разрабатывается Geant4-приложение, в котором моделируется воздействие альфа-частиц на клетку человека с помощью программного пакета Geant4. В качестве модельного приближения клетка представлена в виде сферы, на¬полненной водой. В перспективе планируется добавить внутрь сферы с водой ДНК, что позволит считать количество разрывов в ней. Количество разрывов является од¬ним из ключевых факторов для оценки жизнеспособности клетки.
Авторы работы выдвигают следующие цели:
а) Оценка работа программного пакета Geant4 в области низких энергий, включая Geant4-DNA, в частности, проверить ионизационные потери для протонов, элек-тронов и альфа-частиц
б) Изучение пространственных и энергетических распределений радионуклидов
в) Подключить и протестировать модели химических реакций, позволяющих рас-смотреть распределение радикалов от треков заряженных частиц
А также поставлены соответствующие целям следующие задачи:
а) Научиться основам программирования на языке C++.
б) Научиться пользоваться программным пакетом Geant4 для моделирования про-хождения частиц через вещество.
в) Научиться пользоваться программным пакетом ROOT для визуализации полу¬ченных при моделировании данных.
Достижение поставленных целей и сопутствующих им задач позволит оценить необходимость совершенствования низкоэнергетических моделей Geant4, что в перспективе предоставит возможность уточнять результаты, получаемые в том числе и в медицин¬ских приложениях на основе Geant4.
Результаты, полученные в настоящей работе, будут использованы в следующей публичной версии Geant4, которая будет опубликована в июне 2025 года.
В настоящей работе были получены количественные оценки радиусов останов¬ки для альфа-частиц в воде для физических конфигураций электромагнитной физики option 2, option 4, option 8, которые удалось сравнить с обзором ICRU90. Выясни¬лось, что предложенная в настоящей работе модель ионизации Rudd Ionisation Dynamic Model, содержащаяся в option 8, даёт наилучшую сходимость с данными из ICRU90 в сравнении с другими физическими конфигурациями.
Была осуществлена попытка внедрения моделей радиоактивного распада и химических реакций в разрабатываемое Geant4-приложение. Запускаемое с отдельно включёнными модулями приложение работает стабильно, однако, при их совместном вклю-чении наблюдаются ошибки кода, а также отключение мультипоточного расчёта, что недопустимо в рамках настолько объёмного моделирования.
Также были произведены оценки времени расчётов для разных опций. Показано, что и в этом случае сравнительно трёх исследуемых версий модели лучшей оказывается версия option 8.
Результаты, полученные в рамках данной работы, являются предварительны¬ми шагами для исследования облучаемых систем, содержащих ДНК. В перспективе полученные наработки могут быть использованы для создания медицинских Geant4- приложений, моделирующих некоторые виды радиотерапий, например, такие как брахитерапия или таргетная альфа-терапия.
Подготовленные программы будут использованы в грядущей версии Geant4, которая выйдет в июне 2025 года. Представленные результаты будут обсуждаться на собраниях электромагнитной физики Geant4, а также на Ломоносовской конференции в г. Москва в августе 2025 года.
Отметим, что настоящая работа является дебютом Geant4-DNA в Томске, реализованная в рамках лаборатории анализа данных физики высоких энергий ТГУ, т.е. прежде не было официальных попыток реализовать приложения в рамках проекта Geant4-DNA. Более того, немаловажную роль сыграла возможность использования кластера суперкомпьютера СКИФ Cyberia, который позволил получать результаты мо¬делирования в 16 раз быстрее, чем на персональном компьютере автора работы.
Была осуществлена попытка внедрения моделей радиоактивного распада и химических реакций в разрабатываемое Geant4-приложение. Запускаемое с отдельно включёнными модулями приложение работает стабильно, однако, при их совместном вклю-чении наблюдаются ошибки кода, а также отключение мультипоточного расчёта, что недопустимо в рамках настолько объёмного моделирования.
Также были произведены оценки времени расчётов для разных опций. Показано, что и в этом случае сравнительно трёх исследуемых версий модели лучшей оказывается версия option 8.
Результаты, полученные в рамках данной работы, являются предварительны¬ми шагами для исследования облучаемых систем, содержащих ДНК. В перспективе полученные наработки могут быть использованы для создания медицинских Geant4- приложений, моделирующих некоторые виды радиотерапий, например, такие как брахитерапия или таргетная альфа-терапия.
Подготовленные программы будут использованы в грядущей версии Geant4, которая выйдет в июне 2025 года. Представленные результаты будут обсуждаться на собраниях электромагнитной физики Geant4, а также на Ломоносовской конференции в г. Москва в августе 2025 года.
Отметим, что настоящая работа является дебютом Geant4-DNA в Томске, реализованная в рамках лаборатории анализа данных физики высоких энергий ТГУ, т.е. прежде не было официальных попыток реализовать приложения в рамках проекта Geant4-DNA. Более того, немаловажную роль сыграла возможность использования кластера суперкомпьютера СКИФ Cyberia, который позволил получать результаты мо¬делирования в 16 раз быстрее, чем на персональном компьютере автора работы.
