Математическое моделирование методом Монте-Карло дозиметрических задач внутреннего облучения в радионуклидной терапии

• Автор: Коньков, Алексей Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Обнинск
• Количество страниц: 141 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.

Глава I Принципы построения математических моделей для

планирования задач радионуклидной терапии с использованием метода МонтеКарло

1.1. Математические модели задач радионуклидной терапии.

1.1.1 Модель для планирования курса брахи терапии.

1.1.1.1 Моделирование анизотропии излучения в непосредственной близости от

1.1.1.2 Моделирование условного сценария лечения

1.1.2 Модель для радионуклидной терапии с использованием

вводимых в кровеносную сис тему микросфер

1.1.2.1 Обзор радиофармпрепаратов

1.1.2.2 Применяемые микросферы
1.1.2.3 Используемые изотопы
1.1.2.4 Принципы математического моделирования кровеносной системы
1.1.2.4.1 Общие параметры сосудистых систем
1.1.2.4.2 Оптимальные углы ветвления сосудов
1. 1.2.4.3 Оптимальные длины ветвей
1.1.2.4.4 Пространственная конфигурация узлов
ветвления
1.2 Описание метода МонтеКарло для решения задачи переноса
излучения
1.2.1 Уравнение переноса излучений в интегральной форме
1.2.2 Решение уравнения переноса излучений методом Монте Карло
1.3 Краткие и тоги главы 1
Глава 2 Алгоритмы, программная реализация
2.1 Задача дозиметрического планирования курса брахитсрапии
2.1.1 Источник излучения, используемый для проведения курса лечения
2.1.2 Оценка неравномерности дозового поля в непосредственной близости от источника II
2.1.3 Моделирование условного сценария лечения
2.2 Задача радионуклидной терапии с использованием вводимых в сосудистую систему микросфер
2.2.1 Математическая модель сосудистой системы отдельного органа
2.2.2 Программная реализация модели сосудистого дерева
2.2.3 Алгоритм построения трехмерной модели сосудистого
2.2.3.1 Моделирование ветвления сосудов в общем случае
2.2.3.2 Моделирование ветвления сосудов в области i омал ь но го i си и я
2.2.4 Алгоритм разыгрывания положения микросфер по
сосудистому дереву
2.3 Модифицированный программный комплекс дня решения методом МонтеКарло задач радионуклидной терапии
2.3.1 Общие принципы построения комплекса
2.3.2 Принципы организации моделирования процесса методом
МонтеКарло
2.3.3 Рабочая программа ПК
2.3.4 Возможности основных модулей ПК
2.3.5 Модуль источника
2.3.6 Геометрический модуль
2.3.7 Универсальный геометрический модуль
2.3.8 Модуль детектора
2.3.9 Константный модуль
2.4 Методика обработки полученных результатов, оценки и визуализации создаваемых дозовых нолей
2.4.1 Моделирование дозовых полей при решении задач брахи терапии
2.4.2 Моделирование и визуализация дозовых полей при разыгрывании микросфер
2.5 Краткие итоги главы
Глава 3 Результаты моделирования дозиметрических задач внутреннего облучения в радионуклидной терапии
3.1 Задача брахитерапии
3.1.1 Анизотропия лозового поля в непосредственной близости источника ионизирующего излучения
3.1.2 Моделирование условного сценария лечения
3.2 Радионуклидная терапия с использованием вводимых в сосудистую систему микросфер
3.2.1 Обоснование выбора параметров математической модели кровеносной системы
3.2.2 Аналитическое представление пространственного
распределения поглощенной энергии для изотопов , Но, ,
3.2.3 Эффект самоноглощения излучения в материале микросферы для изотопов x, 6бНо, ,
3.2.4 Статистическая обработка результатов моделирования дозовых полей в сечениях органа
3.2.5 Исследование факторов, оказывающих влияние па формирование лозовых полей, создаваемых микросфсрами с радиоизотопами
3.2.5.1 Влияние размеров вводимых в сосудистую систему микросфер на форму дозовых профилей
3.2.5.2 Влияние выборатерапевтического изотопа на формирование дозовых полей
3.2.5.3 Влияние пространственного положения крупных сосудов на формирование дозовых полей
3.2.6 Основные возможности оптимизации дозовых полей, создаваемых вводимыми в сосудистую систему микросфсрами
3.3 Краткие и гоги главы 3 Заключение
Слисок используемой литературы Список рисунков Список таблиц Приложение
Введение
Развитие ядерных технологий на рубеже х гг. двадцатого века обеспечило возможность широкого использовании делящихся изотопов с диагностической и лечебной цслыо и стимулировало развитие повой области медицины радионуклидной терапии.
Радионуклидная терапия обладаем существенными преимуществами перед другими видами лечения в первую очередь за счет минимального повреждения здоровых тканей, незначительных побочных эффектов и возможности формирования в патологических очагах поглощенных доз, позволяющих добиться излечения отдаленных метастазов. При некоторых формах злокачественных новообразований например, при отдаленных метастазах дифференцированного рака щитовидной железы радионуклидная терапия является единственным эффективным методом лечения.
Одним из перспективных видов радионуклидной терапии является брахитсрания, при которой источники ионизирующего излучения при помощи катетера вводятся внутрь пораженного органа.
Впервые брахитсрания была применена в году, когда Раясаи О. и сгая Р. 1 ввели капсулы радия6 в предстательную железу через уретру. В году в США Ваггпссг К. 2 ввел микроисточники в железу через иглы, а Vi V. 3 в г. применил в качестве имплантанта йод5.
В настоящее время брахитсрания в мире интенсивно развивается, за рубежом данный метод радионуклидной терапии используется в более чем 0 медицинских центрах СЛ ТА и Западной Европы. Наряду с высокой эффективностью и минимумом осложнений, сама процедура и процесс дешевле, чем радикальная операция и идеально подходит для лечения различных стадий рака предстательной железы, желчных протоков, пищевода и т.д.
Отдельным разделом современной радионуклидной терапии является методика лечения, основанная на введении в организм пациента микросфер представляющих совой химические или биохимические соединения с радиофармпрепаратами РФГ1. При использовании данного метода радионуклидной терапии отмечается высокая толерантность нормальных тканей при несущественных побочных эффектах и возможность формирования больших поглощенных доз 0 Гр непосредственно в патологических очагах.
Учитывая большой потенциал перечисленных видов радионуклидной терапии, существенное значение для их эффективного применения имеет дозиметрическое планирование курсов лечения, в том числе с использованием методов мачсматичсекого моделирования.
Па сегодняшний день математическое моделирование процессов взаимодействия ионизирующего излучения с объектами сложной геометрии и внутренней ечруктуры получило большое распространение. Широкую популярность приобрели вычислительные алгоритмы, основанные на сташстичсеком моделировании методом МонтеКарло 4, 8 процессов переноса и взаимодействия излучения с веществом. Преимущество мезода МонтеКарло перед методами, основанными па численном решении кинетического уравнения, определяется его удобством и приспособленностью к решению сложных граничных задач в многокомпонентных средах , 6.
Исследование возможностей использования метода МонтеКарло для решения задач радионуклидной терапии определило направленность данной работы.
Актуальность


Цепыо работы является создание имитационной модели кровеносной системы, разработка новой версии программного комплекса и их совместное применение для решения задач дозиметрического планирования радионуклидной терапии методом МонтеКарло. Разработана трехмерная математическая модель кровеносной системы для решения задач, связанных с дозиметрией внутреннего облучения при использовании микроефер в качестве носителей радиофармиреиаратов. Разработала новая модификация программного комплекса , ориентированная па решение задач радионуклидной терапии. Проведена верификация версии комплекса для решения задач планирования радионуклидной терапии. Разработан инструментарий для визуализации и анализа лозовых полей, создаваемых вводимыми в кровеносную систему микросферами. Проведены полномасштабные вычислительные эксперименты с целью изучения возможностей применения различных терапевтических изотопов в задачах радионуклидной терапии, а также особенностей использования микроефер из различного материала в качестве носителей радиофармпрепаратов. Исследованы возможные пути оптимизации лозовых нагрузок на необходимые участки органа в соответствии с заданным планом облучения. МонтеКарло. Практическая значимость результатов работы заключается том, что созданная математическая имитационная модель кровеносной системы, а также предложенный в работе способ применения метода МонтеКарло позволяют создать эффективную методику расчета и оптимизации лозовых нагрузок в ради о п у кл и Д о й терап и и. Разработана модификация программного комплекса В КАМО дня решения задач радионуклидной терапии. Проведена верификация полученных ВКАМО результатов решения задач радионуклидной терапии с результатами, полученными широко известными зарубежными прецизионными программными комплексами МСМР, МСМРХ, СЕЛт, ОА . Предложена методика визуализации рассчитанных методом МонтеКарло дозовых полей для задач радионуклидной терапии, связанных с введением в кровеносную систему активированных радиоизотопами микросфер. Исследованы основные пути оптимизации дозовых полей в задачах внутреннего облучения радионуклидной терапии при использовании микросфер в качестве носителей радиофармпреиаратов. Апробация работы. Основные результаты опубликованы в работах 7, 8, 9. Научная сессия МИФИ, Москва, января г. Математические идеи ПЛ. Чебышева и их приложение к современным проблемам естествознания, Обнинск, мая г. Математические идеи ПЛ. Чебышева и их приложение к современным проблемам естествознания, Обнинск, мая г. Мей тропика й семинар Нейтроннофизические проблемы атомной энергетики Обнинск, октября г. Нейтроника й семинар Нейтроннофизические проблемы атомной энергетики Обнинск, октября ноября г. Нейтрони ка й семинар Нейтроннофизические проблемы атомной энергетики Обнинск, октября г. Троицская конференция Медицинская физика и инновации в медицине ТКМФ3, Троицк Московской области, июня г. Публикации. По теме диссертации опубликовано пять печатных работ, в том числе три в рекомендованных ВАК рецензируемых научных журналах и изданиях, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации па соискание ученой степени доктора и кандидата наук. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 7 наименований, списка таблиц, списка рисунков и приложения. Общий объем работы составляет 0 станиц, включая рисунка и 7 таблиц. Описываю ся базовые принципы решения уравнения переноса методом МоптеКарло. Отмечается преимущество реализации метода МонтеКарло для решения уравнения переноса излучений в рамках дозиметрических задач радионуклидной терапии. Кратко излагаются общие принципы построения комплекса и освещаются возможности входящих в его состав модулей. МонтеКарло с результатами вычислений приближенным эмпирическим способом расчета поглощенных доз, создаваемых Риеточниками. В заключении представлен анализ полученных в ходе проведения вычислительных экспериментов результатов, а также даны рекомендации по использован и ю резул ьтатов модсл ировапи я.