Численное моделирование взаимодействия радиотерапевтического излучения с мягкими тканями и ПЛА пластиком для трехмерной печати дозиметрических фантомов

Введение. При создании новых методик лучевой терапии интерес вызывают исследования биологических эффектов при воздействии редкоионизирующих (фотоны, электроны) и плотноионизирующих (протоны, ионы) излучений. При доклинических исследованиях важным является вопрос воспроизводимости экспериментальных результатов, полученных на разных системах с различным типом ионизирующего излучения. При оценке дозы эффективным инструментом становятся дозиметрические фантомы лабораторных животных, позволяющие стандартизировать испытания в разных условиях. Существующие фантомы зачастую не отвечают необходимым требованиям для решения специфических радиобиологических задач, например, при размещении внутри фантома биологических образцов или элементов дозиметрических систем. Таким образом, существует необходимость разработки метода изготовления дозиметрических фантомов, позволяющего точно воспроизводить изделия и модифицировать их конструкцию в соответствии с решаемой задачей. Цель исследования – провести численное моделирование характера взаимодействия изделий из ПЛА пластика, изготовленных методом послойной печати, с фотонным, электронным и протонным терапевтическими пучками, а также определить параметры трехмерной печати для имитации мягких тканей. Материал и методы. Для создания таких устройств предложено использовать технологии послойной печати пластиком, так как большинство полимеров близко по свойствам к биологическим тканям и применяется для изготовления стандартных фантомов. Важной особенностью трехмерной печати является возможность создания объектов с разными настройками, от которых зависят свойства изготавливаемых изделий. Методы численного моделирования использованы для исследования особенностей взаимодействия ПЛА пластика с различными видами ионизирующего излучения, применяемыми в радиотерапии. Результаты. Получены расчетные глубинные распределения разных видов излучения в мягких тканях и ПЛА пластике различной плотности. Показано, что для пучков фотонов и электронов при имитации жировой ткани необходимо использовать ПЛА пластик с плотностью 0,91 г/см³, что соответствует коэффициенту заполнения при печати – 75 %, для мышечной ткани – ПЛА пластик с плотностью 1,06 г/см³ (коэффициент заполнения – 88 %); для пучков протонов и ионов углерода: для жировой ткани – ПЛА пластик с плотностью 0,97 г/см³ (коэффициент заполнения – 80 %), для мышечной ткани – ПЛА пластик с плотностью 1,11 г/см³ (коэффициент заполнения – 93 %). Заключение. Характер взаимодействия ПЛА пластика с редкоионизирующим и плотноионизирующим излучением может отличаться, что крайне важно учитывать при планировании доклинических экспериментальных исследований с применением твердотельных дозиметрических фантомов.

1. Жуйкова Л.Д., Чойнзонов Е.Л., Ананина О.А., Одинцова И.Н. Онкологическая заболеваемость в Cибирском и Дальневосточном федеральных округах. Сибирский онкологический журнал. 2019; 18(6): 5–11. doi: 10.21294/1814-4861-2019-18-6-5-11.

2. Состояние онкологической помощи населению России в 2023 году. Под ред. А.Д. Каприна, В.В. Старинского, А.О. Шахзадовой. М., 2024. 262 с.

3. Корякина Е.В., Потетня В.И., Трошина М.В., Ефимова М.Н., Байкузина Р.М., Корякин С.Н., Лычагин А.А., Пикалов В.А., Ульяненко С.Е. Сравнение биологической эффективности ускоренных ионов углерода и тяжёлых ядер отдачи на клетках китайского хомячка. Радиация и риск. 2019; 28(3): 96–106.

4. Suckert T., Müller J., Beyreuther E., Azadegan B., Brüggemann A., Bütof R., Dietrich A., Gotz M., Haase R., Schürer M., Tillner F., von Neubeck C., Krause M., Lühr A. High-precision image-guided proton irradiation of mouse brain sub-volumes. Radiother Oncol. 2020; 146: 205–12. doi: 10.1016/j.radonc.2020.02.023.

5. Desrosiers M., DeWerd L., Deye J., Lindsay P., Murphy M.K., Mitch M., Macchiarini F., Stojadinovic S., Stone H. The Importance of Dosimetry Standardization in Radiobiology. J Res Natl Inst Stand Technol. 2013; 118: 403–18. doi: 10.6028/jres.118.021.

6. Esplen N., Therriault-Proulx F., Beaulieu L., Bazalova-Carter M. Preclinical dose verification using a 3D printed mouse phantom for radiobiology experiments. Med Phys. 2019; 46(11): 5294–303. doi: 10.1002/mp.13790.

7. Manmadhachary A., Malyala S.K., Alwala A.M. Medical applications of additive manufacturing. Proceedings of the International Conference on ISMAC in Computational Vision and Bio-Engineering. Springer International Publishing. 2019; 1643–53. doi: 10.1007/978-3-020-00665-5_152.

8. Tino R., Yeo A., Leary M., Brandt M., Kron T. A Systematic Review on 3D-Printed Imaging and Dosimetry Phantoms in Radiation Therapy. Technol Cancer Res Treat. 2019; 18. doi: 10.1177/1533033819870208.

9. Jusufbegović M., Pandžić A., Šehić A., Jašić R., Julardžija F., Vegar-Zubović S., Beganović A. Computed tomography tissue equivalence of 3D printing materials. Radiography (Lond). 2022; 28(3): 788–92. doi: 10.1016/j.radi.2022.02.008.

10. Okkalidis N. 3D printing methods for radiological anthropomorphic phantoms. Phys Med Biol. 2022; 67(15). doi: 10.1088/1361-6560/ac80e7.

11. Salmi M. Additive Manufacturing Processes in Medical Applications. Materials (Basel). 2021; 14(1): 191. doi: 10.3390/ma14010191.

12. Savi M., Andrade M.A.B., Potiens M.P.A. Commercial filament testing for use in 3D printed phantoms. Radiation Physics and Chemistry. 2020; 174(9). doi: 10.1016/j.radphyschem.2020.108906.

13. Cojocaru V., Frunzaverde D., Miclosina C.O., Marginean G. The Influence of the Process Parameters on the Mechanical Properties of PLA Specimens Produced by Fused Filament Fabrication-A Review. Polymers (Basel). 2022; 14(5): 886. doi: 10.3390/polym14050886.

14. Mille M.M., Griffin T.K., Maass-Moreno R., Lee C. Fabrication of a pediatric torso phantom with multiple tissues represented using a dual nozzle thermoplastic 3D printer. Journal of Applied Clinical Medical Physics. 2020; 21:(11): 226–36. doi: 10.1002/acm2.13064.

15. Auffray L., Gouge P.A., Hattali L. Design of experiment analysis on tensile properties of PLA samples produced by fused filament fabrication. The International. Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022; 118(3): 4123–37. doi: 10.1007/s00170-021-08216-7.

16. Larsson E., Ljungberg M., Strand S.E., Jönsson B.A. Monte Carlo calculations of absorbed doses in tumours using a modified MOBY mouse phantom for pre-clinical dosimetry studies. Acta Oncol. 2011; 50(6): 973–80. doi: 10.3109/0284186X.2011.582517.

17. Özseven A., Ümit K. Verification of Percentage Depth-Doses with Monte Carlo Simulation and Calculation of Mass Attenuation Coefficients for Various Patient Tissues in Radiation Therapy. Süleyman Demirel Üniversitesi Sağlık Bilimleri Dergisi. 2020; 11(2): 224–30. doi: 10.22312/sdusbed.705468.

18. Radiation Therapy Dosimetry: A Practical Handbook. Ed by A. Darafsheh. CRC Press. 2021. 504 p.

19. Geant 4 [Internet]. CERN, Geneva, c1998-2024 [cited 2024 Sep 1]. URL: https://geant4.web.cern.ch/.

20. Mettivier G., Guatelli S., Brown J., Incerti S. Advances in Geant4 application in Physics, Medicine and Biology frontiers. Phys Med. 2024; 124. doi: 10.1016/j.ejmp.2024.103371.

21. Ribon A., Apostolakis J., Dotti A., Folger G., Ivanchenko V., Kosov M., Uzhinsky V., Wright D.H. Status of GEANT4 hadronic physics for the simulation of LHC experiments at the start of LHC physics program. CERN-LCGAPP. 2010; 2.

22. Miloichikova I., Bulavskaya, A., Bushmina E., Dusaev R., Gargioni E., Gavrikov B, Grigorieva, A., Stuchebrov S. Development and verification of a Geant4 model of the electron beam mode in a clinical linear accelerator. Journal of Instrumentation. 2024; 19(7). doi: 10.1088/1748-0221/19/07/C07007.

23. DeWerd L.A., Kunugi K. Accurate Dosimetry for Radiobiology. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2021; 111(5): 75–81. doi: 10.1016/j.ijrobp.2021.09.002.

24. De Almeida C.E., Salata C. Absolute, reference, and relative dosimetry in radiotherapy. Dosimetry. IntechOpen. 2022. doi: 10.5772/intechopen.101806.

25. ICRP [Internet]. [cited 2024 Sep 10]. URL: https://www.icrp.org/index.asp.

26. National Institute of Standards and Technology [Internet]. ESTAR [cited 2024 Sep 10]. URL: https://physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/ESTAR.html.

27. Khan F.M., Gibbons J.P. Khan’s the physics of radiation therapy. 5th ed. Lippincott Williams & Wilkins. 2014. 624 p.

28. Absorbed Dose Determination in External Beam Radiotherapy: An International Code of Practice for Dosimetry Based on Standards of Absorbed Dose To Water. Vienna: International Atomic Energy Agency, 2024. doi: 10.61092/iaea.ve7q-y94k.