Особенности моделирования адронных взаимодействий с помощью GEANT4 при решении задач лучевой терапии
Рассмотрены особенности моделирования взаимодействий адронного излучения и вещества для решения задач лучевой терапии. Представлено программное обеспечение на языке Python и набор классов на языке C++ для эффективного управления адронными взаимодействиями в модельных задачах. Разработанные средства...
Gespeichert in:
| Datum: | 2015 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України
2015
|
| Schriftenreihe: | Электронное моделирование |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101136 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Особенности моделирования адронных взаимодействий с помощью GEANT4 при решении задач лучевой терапии / А.Н. Соловьев, В.В. Федоров, В.И. Потетня, В.В. Нечаев // Электронное моделирование. — 2015. — Т. 37, № 3. — С. 111-119. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101136 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1011362025-02-09T13:33:57Z Особенности моделирования адронных взаимодействий с помощью GEANT4 при решении задач лучевой терапии Modeling peculiarities of hadronic interactions for solving the problems of radiation treatment using GEANT4 Соловьев, А.Н. Федоров, В.В. Потетня, В.И. Нечаев, В.В. Применение методов и средств моделирования Рассмотрены особенности моделирования взаимодействий адронного излучения и вещества для решения задач лучевой терапии. Представлено программное обеспечение на языке Python и набор классов на языке C++ для эффективного управления адронными взаимодействиями в модельных задачах. Разработанные средства применены для оценки действия нейтронного излучения с энергиями 14.5±1 МэВ. Розглянуто властивості моделювання взаємодії адронного випромінювання і речовини для розв’язування задач променевої терапії. Розроблено програмне забезпечення мовоюPython і набір класів мовою C++ для ефективного управління адронними взаємодіями в модельних задачах. Розроблені засоби застосовано для оцінки дії нейтронного випромінювання з енергіями 14.5±1 МеВ. This paper represents several issues for hadron-matter interaction for solving radiation treatment problems. The authors have developed a software using Python and a set of classes using C++ for effective hadron interaction control in the model tasks. The developed software was used for evaluation of the effect of neutron beams with 14.5±1 MeV energies. 2015 Article Особенности моделирования адронных взаимодействий с помощью GEANT4 при решении задач лучевой терапии / А.Н. Соловьев, В.В. Федоров, В.И. Потетня, В.В. Нечаев // Электронное моделирование. — 2015. — Т. 37, № 3. — С. 111-119. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0204-3572 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101136 621.039.52:615.849.1 ru Электронное моделирование application/pdf Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Применение методов и средств моделирования Применение методов и средств моделирования |
| spellingShingle |
Применение методов и средств моделирования Применение методов и средств моделирования Соловьев, А.Н. Федоров, В.В. Потетня, В.И. Нечаев, В.В. Особенности моделирования адронных взаимодействий с помощью GEANT4 при решении задач лучевой терапии Электронное моделирование |
| description |
Рассмотрены особенности моделирования взаимодействий адронного излучения и вещества для решения задач лучевой терапии. Представлено программное обеспечение на языке Python и набор классов на языке C++ для эффективного управления адронными взаимодействиями в модельных задачах. Разработанные средства применены для оценки действия нейтронного излучения с энергиями 14.5±1 МэВ. |
| format |
Article |
| author |
Соловьев, А.Н. Федоров, В.В. Потетня, В.И. Нечаев, В.В. |
| author_facet |
Соловьев, А.Н. Федоров, В.В. Потетня, В.И. Нечаев, В.В. |
| author_sort |
Соловьев, А.Н. |
| title |
Особенности моделирования адронных взаимодействий с помощью GEANT4 при решении задач лучевой терапии |
| title_short |
Особенности моделирования адронных взаимодействий с помощью GEANT4 при решении задач лучевой терапии |
| title_full |
Особенности моделирования адронных взаимодействий с помощью GEANT4 при решении задач лучевой терапии |
| title_fullStr |
Особенности моделирования адронных взаимодействий с помощью GEANT4 при решении задач лучевой терапии |
| title_full_unstemmed |
Особенности моделирования адронных взаимодействий с помощью GEANT4 при решении задач лучевой терапии |
| title_sort |
особенности моделирования адронных взаимодействий с помощью geant4 при решении задач лучевой терапии |
| publisher |
Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України |
| publishDate |
2015 |
| topic_facet |
Применение методов и средств моделирования |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101136 |
| citation_txt |
Особенности моделирования адронных взаимодействий с помощью GEANT4 при решении задач лучевой терапии / А.Н. Соловьев, В.В. Федоров, В.И. Потетня, В.В. Нечаев // Электронное моделирование. — 2015. — Т. 37, № 3. — С. 111-119. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| series |
Электронное моделирование |
| work_keys_str_mv |
AT solovʹevan osobennostimodelirovaniâadronnyhvzaimodejstvijspomoŝʹûgeant4prirešeniizadačlučevojterapii AT fedorovvv osobennostimodelirovaniâadronnyhvzaimodejstvijspomoŝʹûgeant4prirešeniizadačlučevojterapii AT potetnâvi osobennostimodelirovaniâadronnyhvzaimodejstvijspomoŝʹûgeant4prirešeniizadačlučevojterapii AT nečaevvv osobennostimodelirovaniâadronnyhvzaimodejstvijspomoŝʹûgeant4prirešeniizadačlučevojterapii AT solovʹevan modelingpeculiaritiesofhadronicinteractionsforsolvingtheproblemsofradiationtreatmentusinggeant4 AT fedorovvv modelingpeculiaritiesofhadronicinteractionsforsolvingtheproblemsofradiationtreatmentusinggeant4 AT potetnâvi modelingpeculiaritiesofhadronicinteractionsforsolvingtheproblemsofradiationtreatmentusinggeant4 AT nečaevvv modelingpeculiaritiesofhadronicinteractionsforsolvingtheproblemsofradiationtreatmentusinggeant4 |
| first_indexed |
2025-11-26T06:17:12Z |
| last_indexed |
2025-11-26T06:17:12Z |
| _version_ |
1849832598494248960 |
| fulltext |
ÓÄÊ 621.039.52:615.849.1
À.Í. Ñîëîâüåâ
1,2
, àñïèðàíò, Â.Â. Ôåäîðîâ
1
, êàíä. òåõí. íàóê,
Â.È. Ïîòåòíÿ,
1
êàíä. áèîë. íàóê, Â.Â. Íå÷àåâ
2
, ä-ð ôèç.-ìàò. íàóê
1
Ìåäèöèíñêèé ðàäèîëîãè÷åñêèé íàó÷íûé öåíòð èì. À.Ô. Öûáà – Ôèëèàë
ãîñóäàðñòâåííîãî áþäæåòíîãî ó÷ðåæäåíèÿ
«Ôåäåðàëüíûé ìåäèöèíñêèé èññëåäîâàòåëüñêèé
öåíòð èì. Ï.À. Ãåðöåíà» Ìèíèñòåðñòâà çäðàâîîõðàíåíèÿ Ðîññèéñêîé Ôåäåðàöèè
(Ðîññèÿ, Êàëóæñêàÿ îáëàñòü, 249036, Îáíèíñê, óë. Æóêîâà, 10,
salonf@mrrc.obninsk.ru, mrvvf@yandex.ru, potetnya@mrrc.obninsk.ru),
2
Ìîñêîâñêèé ãîñóäàðñòâåííûé òåõíè÷åñêèé
óíèâåðñèòåò ðàäèîòåõíèêè, ýëåêòðîíèêè è àâòîìàòèêè
(Ðîññèÿ, 119454, Ìîñêâà, ïð-ò Âåðíàäñêîãî, ä.78,
òåë.(499) 4347447, 4349154, å-mail: nechaev@mirea.ru)
Îñîáåííîñòè ìîäåëèðîâàíèÿ àäðîííûõ
âçàèìîäåéñòâèé ñ ïîìîùüþ GEANT4
ïðè ðåøåíèè çàäà÷ ëó÷åâîé òåðàïèè
Ðàññìîòðåíû îñîáåííîñòè ìîäåëèðîâàíèÿ âçàèìîäåéñòâèé àäðîííîãî èçëó÷åíèÿ è âå-
ùåñòâà äëÿ ðåøåíèÿ çàäà÷ ëó÷åâîé òåðàïèè. Ïðåäñòàâëåíî ïðîãðàììíîå îáåñïå÷åíèå íà
ÿçûêå Python è íàáîð êëàññîâ íà ÿçûêå C++ äëÿ ýôôåêòèâíîãî óïðàâëåíèÿ àäðîííûìè
âçàèìîäåéñòâèÿìè â ìîäåëüíûõ çàäà÷àõ. Ðàçðàáîòàííûå ñðåäñòâà ïðèìåíåíû äëÿ îöåíêè
äåéñòâèÿ íåéòðîííîãî èçëó÷åíèÿ ñ ýíåðãèÿìè 14.5±1 ÌýÂ.
Ðîçãëÿíóòî âëàñòèâîñò³ ìîäåëþâàííÿ âçàºìî䳿 àäðîííîãî âèïðîì³íþâàííÿ ³ ðå÷îâèíè
äëÿ ðîçâ’ÿçóâàííÿ çàäà÷ ïðîìåíåâî¿ òåðàﳿ. Ðîçðîáëåíî ïðîãðàìíå çàáåçïå÷åííÿ ìîâîþ
Python ³ íàá³ð êëàñ³â ìîâîþ C++ äëÿ åôåêòèâíîãî óïðàâë³ííÿ àäðîííèìè âçàºìîä³ÿìè â
ìîäåëüíèõ çàäà÷àõ. Ðîçðîáëåí³ çàñîáè çàñòîñîâàíî äëÿ îö³íêè 䳿 íåéòðîííîãî âèïðîì³-
íþâàííÿ ç åíåðã³ÿìè 14.5±1 ÌåÂ.
Ê ë þ ÷ å â û å ñ ë î â à: àäðîííàÿ òåðàïèÿ, Geant4, ëó÷åâàÿ òåðàïèÿ, ìåòîä Ìîíòå-Êàðëî.
Àäðîííàÿ ëó÷åâàÿ òåðàïèÿ — îäèí èç âèäîâ äèñòàíöèîííîé ðàäèîòåðàïèè
äëÿ ëå÷åíèÿ îíêîëîãè÷åñêèõ çàáîëåâàíèé ñ ïðèìåíåíèåì ïó÷êîâ ïðîòî-
íîâ, íåéòðîíîâ èëè èîíîâ [1]. Ïðåèìóùåñòâîì àäðîííîé òåðàïèè ÿâëÿþò-
ñÿ óíèêàëüíûå ôèçè÷åñêèå è ðàäèîáèîëîãè÷åñêèå ñâîéñòâà ýòèõ ÷àñòèö:
îíè ìîãóò ïðîíèêàòü âíóòðü òêàíè è âûãðóæàòü ìàêñèìàëüíóþ ýíåðãèþ â
ëîêàëèçîâàííîé òî÷êå ïðîñòðàíñòâà ïåðåä òåì êàê îñòàíîâèòüñÿ, ïðè ýòîì
â òî÷êå âûãðóçêè ïó÷êà èõ îòíîñèòåëüíàÿ áèîëîãè÷åñêàÿ ýôôåêòèâíîñòü, â
îòëè÷èå îò ãàììà-èçëó÷åíèÿ, áîëüøå åäèíèöû. Àäðîíû èìåþò îãðîìíûé
ïîòåíöèàë ïðè îáëó÷åíèè ðàäèîðåçèñòåíòíûõ îïóõîëåé [2].
ISSN 0204–3572. Ýëåêòðîí. ìîäåëèðîâàíèå. 2015. Ò. 37. ¹ 3 111
� À.Í. Ñîëîâüåâ, Â.Â. Ôåäîðîâ, Â.È. Ïîòåòíÿ, Â.Â. Íå÷àåâ, 2015
Îñíîâíàÿ ñëîæíîñòü ïðè ìîäåëèðîâàíèè ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ âçàè-
ìîäåéñòâèÿ àäðîíîâ ñ âåùåñòâîì äëÿ çàäà÷ ÿäåðíîé ìåäèöèíû ñâÿçàíà ñ
òåì, ÷òî ïîìèìî îöåíêè âåëè÷èíû ôèçè÷åñêîé ïîãëîùåííîé äîçû íåîáõî-
äèìî îöåíèâàòü è âåëè÷èíó îòíîñèòåëüíîé áèîëîãè÷åñêîé ýôôåêòèâíîñòè
(ÎÁÝ). Ïðè ýòîì âåëè÷èíà ÎÁÝ çàâèñèò îò âåëè÷èíû ëèíåéíîé ïåðåäà÷è
ýíåðãèè (ËÏÝ), êîòîðàÿ, â ñâîþ î÷åðåäü, çàâèñèò îò òèïà ÷àñòèöû è îò åå
ýíåðãèè [3—5]. Íà ðèñ. 1 ïîêàçàíà çàâèñèìîñòü ËÏÝ îò êèíåòè÷åñêîé
ýíåðãèè äëÿ ðàçëè÷íûõ ÷àñòèö, à íà ðèñ. 2 — çàâèñèìîñòü ÎÁÝ îò ËÏÝ, ãäå
ð, ,� Ñ, O— ÷àñòèöû èîíèçèðóþùåãî èçëó÷åíèÿ. Ïîäðîáíî çàäà÷à ìîäåëè-
ðîâàíèÿ âçàèìîäåéñòâèÿ èîíèçèðóþùåãî èçëó÷åíèÿ è âåùåñòâà ðàñ-
ñìîòðåíà â [6].
Âàæíîé îñîáåííîñòüþ ÿâëÿåòñÿ òîò ôàêò, ÷òî Geant4 ïðåäîñòàâëÿåò ìíî-
ãî àëüòåðíàòèâíûõ ôèçè÷åñêèõ ìîäåëåé, èç êîòîðûõ ïîëüçîâàòåëü ìîæåò
âûáðàòü íàèáîëåå ñîîòâåòñòâóþùèå åãî çàäà÷å, ò.å. ïîëüçîâàòåëü (ïðîãðàì-
ìèñò) îòâåòñòâåíåí çà âûáîð àäåêâàòíîãî íàáîðà ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ è
ìîäåëåé [7].  ðåçóëüòàòå ïðîâåäåííîãî èññëåäîâàíèÿ ôèçè÷åñêèõ ìîäåëåé
âçàèìîäåéñòâèÿ íåéòðîíîâ ýíåðãèè 14,5 ± 1 ÌýÂ ðàçðàáîòàíû ìåòîäèêè, êî-
òîðûå ìîãóò áûòü ïðèìåíåíû äëÿ ìîäåëèðîâàíèÿ è äðóãèõ ôèçè÷åñêèõ ïðî-
öåññîâ, â ÷àñòíîñòè ïðè îáëó÷åíèè íà ïðîòîííîì è èîííîì óñêîðèòåëÿõ.
Ñðåäñòâà è ìåòîäû. Îñíîâíîå ïðîãðàììíîå ñðåäñòâî ìîäåëèðîâàíèÿ
ôèçè÷åñêèõ âçàèìîäåéñòâèé — Geant4-10.0 [8] áåç óñòàíîâëåííûõ ïàò÷åé.
Äàííàÿ âåðñèÿ ïîääåðæèâàåò ìóëüòèïðîöåññîðíûé ðåæèì ðàáîòû íà
óðîâíå ÿäðà, ÷òî âîçìîæíî òîëüêî ïîä óïðàâëåíèåì ÎÑ Linux. Â íàñòîÿ-
À.Í. Ñîëîâüåâ, Â.Â. Ôåäîðîâ, Â.È. Ïîòåòíÿ, Â.Â. Íå÷àåâ
112 ISSN 0204–3572. Electronic Modeling. 2015. V. 37. ¹ 3
H
He
C
O
10
�2
10 10 10 10
�1 0 1 2
Energy/AMeV
10
1
10
2
10
3
10
4
d
E
d
x
/
/M
eV
cm
�
�
Ðèñ. 1
Îñîáåííîñòè ìîäåëèðîâàíèÿ àäðîííûõ âçàèìîäåéñòâèé ñ ïîìîùüþ GEANT4
ISSN 0204–3572. Ýëåêòðîí. ìîäåëèðîâàíèå. 2015. Ò. 37. ¹ 3 113
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
LDL, î.å.
L, êýÂ/ìêì
p
C
O
�
10 100 1000
Ðèñ. 2
Âòîðè÷íàÿ
÷àñòèöà
Ðåàêöèÿ En � 0 5, En � 5 En � 9 En � 14 5, En � 19 5,
Ïðîòîíû H n n H( , ) 93,6 88,2 83 71,6 65,7
16 16O n p N( , ) 1,0 1,1
14 13N n n p C( , , )� 0,2 0,5
16 15O n n p N( , , )� 0,1 3,7
�
12 9C n Be( , )� 0,7 0,7 0,5
16 13O n C( , )� 2,4 3,3 5,2 1,1
16 12O n n C( , , )� � 4,5 9,1
12 3O n n( , )� � 2,0 3,7
C
12 12C n n C( , ) 1,4 1,4 1,1 1,0 1,0
16 13O n C( , )� 1,0 1,4 2,1 0,4
16 12O n n C( , , )� � 2,5 4,7
N
16 15O n n p N( , , )� 0,1 1,5
O
16 16O n n O( , ) 1,6 6,1 4,9 3,4 3,4
16 16O n n O( , )� 1,8 0,6
e e� � 16 16O n n O( , )� 2,6 1,7 0,6
Ðàçíîå 0,4 0,9 1,6 2,4 2,4
Òàáëèöà 1
ùåå âðåìÿ èñïîëüçóåòñÿ ÎÑ MS Windows, ïîýòîìó âåñü êîä çàïóñêàëñÿ â
ïîñëåäîâàòåëüíîì ðåæèìå (sequential mode) íà ìàøèíå ñ 8xIntel Xeon
E5506 2.13 ÃÃö. Ïðè ýòîì èñïîëüçîâàíà âîçìîæíîñòü âûïîëíåíèÿ íå-
ñêîëüêèõ çàäà÷ ïàðàëëåëüíî.
Äëÿ îöåíêè âåëè÷èí ïîãëîùåííîé ýíåðãèè ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ
âûâîäèëèñü â ñîáñòâåííîì ôîðìàòå, äëÿ îöåíêè ñïåêòðîâ áûë èñïîëü-
çîâàí ôîðìàò, ïðèíÿòûé ïðîãðàììíûì ñðåäñòâîì ROOT [9].
Ìîäåëüíûé ýêñïåðèìåíò ïðåäñòàâëÿë ñîáîé îáîáùåííóþ ìîäåëü ìî-
íîñëîÿ êëåòîê òîëùèíîé 1 ìêì, ïðåäñòàâëåííûé òêàíåýêâèâàëåíòíûì
ìàòåðèàëîì, íàä êîòîðûì ñî ñòîðîíû õîäà ïó÷êà íàõîäèëñÿ ñëîé âîäû 2,5 ìì.
 ýòèõ óñëîâèÿõ ïðè ýíåðãèè ïàäàþùèõ íåéòðîíîâ 14,5 Ìý â ñëîå íàá-
ëþäàåòñÿ òàê íàçûâàåìîå ïðîòîííîå ðàâíîâåñèå. Íà ðèñ. 3 (ñì. âêëåéêó)
ïðåäñòàâëåíà ñõåìà ìîäåëüíîãî ýêñïåðèìåíòà, ãäå æåëòûì öâåòîì ïîêà-
çàíà âîäà, çåëåíûì — ñëîé òêàíåýêâèâàëåíòíîãî ìàòåðèàëà, ðîçîâûå ëè-
íèè — ïåðâè÷íûé ïó÷îê, æåëòûå ëèíèè — âòîðè÷íîå èçëó÷åíèå.
 òàáë. 1 ïðèâåäåíû âåëè÷èíû âêëàäîâ âòîðè÷íûõ ÷àñòèö ïðè îáëó-
÷åíèè íåéòðîíàìè ðàçëè÷íûõ ýíåðãèé [10, 11].
Ðåçóëüòàòû. Ïîñêîëüêó Geant4 ïî óìîë÷àíèþ íå ïîçâîëÿåò óïðàâëÿòü
ôèçè÷åñêèìè âçàèìîäåéñòâèÿìè áåç ïåðåêîìïèëÿöèè ïðîãðàììû, áûëè
ñîçäàíû ïðîãðàììíûå ñðåäñòâà, ïîçâîëèâøèå óñòðàíèòü ýòîò íåäîñòàòîê.
• Îïðåäåëåí ôîðìàò ôàéëà-îïèñàíèÿ àäðîííûõ ôèçèê (àáñòðàêòíîå
îïèñàíèå ýëåêòðîìàãíèòíûõ ôèçèê íà äàííîì ýòàïå íå ïðåäñòàâëÿåòñÿ
âîçìîæíûì, ïîýòîìó áûëè èññëåäîâàíû ãîòîâûå êîíñòðóêòîðû: G4Em-
À.Í. Ñîëîâüåâ, Â.Â. Ôåäîðîâ, Â.È. Ïîòåòíÿ, Â.Â. Íå÷àåâ
114 ISSN 0204–3572. Electronic Modeling. 2015. V. 37. ¹ 3
Ðèñ. 4
LivermorePhysics, G4EmPenelopePhysics, G4EmStandartPhysics_optionX (ãäå
X — 1 4), G4_EmLowEPPhysics). Âûáðàí ôîðìàò JSON.
• Êëàññ íà C++, íàñëåäîâàííûé îò G4VPhysicsConstructor, ÷èòàþùèé
óêàçàííûé ôîðìàò ôàéëà ñ èñïîëüçîâàíèåì áèáëèîòåêè boost [10] è ñîç-
äàþùèé ýêâèâàëåíòíîå ïðåäñòàâëåíèå ïðîöåññîâ è ìîäåëåé äëÿ óêàçàí-
íûõ ÷àñòèö â ñîîòâåòñòâèè ñ çàäàííûìè ïàðàìåòðàìè.
• Ïðîãðàììà íà ÿçûêå Python äëÿ ýôôåêòèâíîãî óïðàâëåíèÿ ðàñ÷åò-
íûìè çàäàíèÿìè, ïîçâîëÿþùàÿ ñîçäàâàòü óêàçàííûå ôàéëû è óïðàâëÿþ-
ùàÿ ïàðàìåòðàìè âåëè÷èí îòñå÷åê (cut, ïîäðîáíî â [5, 6]), ïàðàìåòðàìè
çàïóñêà (÷èñëî èñòîðèé ëèáî âðåìÿ ðàñ÷åòà, èìåíà âûõîäíûõ ôàéëîâ è
äð.). Îáùèé âèä ðàçðàáîòàííîé ïðîãðàììû ïðåäñòàâëåí íà ðèñ. 4.
 òàáë. 2 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ ðàçëè÷íûõ ôèçè÷åñ-
êèõ ïàðàìåòðîâ è ïðîöåíòíûå äîëè âêëàäîâ ïðîòîíîâ âñåõ ðåàêöèé, àëüôà-
÷àñòèö âñåõ ðåàêöèé, ñóììàðíîãî âêëàäà òÿæåëûõ èîíîâ îò âñåõ ðåàêöèé è
ýëåêòðîíîâ, à òàêæå ñóììàðíàÿ ïîãëîùåííàÿ äîçà îò îäíîé ÷àñòèöû
D
nps
�
�
�
�
�
ïðè îáëó÷åíèè 1 ìêì òêàíåýêâèâàëåíòíîãî ìàòåðèàëà ïîä 2,5 ìì âîäû.
Îñîáåííîñòè ìîäåëèðîâàíèÿ àäðîííûõ âçàèìîäåéñòâèé ñ ïîìîùüþ GEANT4
ISSN 0204–3572. Ýëåêòðîí. ìîäåëèðîâàíèå. 2015. Ò. 37. ¹ 3 115
Òèï
ôèçè÷åñêîãî
ïàðàìåòðà
Ïðîòîíû
Àëüôà-
÷àñòèöû
Òÿæåëûå
èîíû
Ýëåêòðîíû
Äîçà
íà îäíó
÷àñòèöó
èñòî÷íèêà,
ÌýÂ
Caswell [11] 72,9 12,4 10,9 1,7
Ñòàíäàðòíûå ôèçè÷åñêèå ïàðàìåòðû
QGSP_BIC,
QGSP_BIC_HP
69,4; 59,1 2,0; 5,0 7,0; 20,0 15,3; 14,6 8,36 ������
���� �����
FTFP_BERT,
FTFP_BERT_HP
70,2; 64,0 3,0; 5,0 9,6; 15,7 15,3; 14,7 8,5 ������
���� �����
QGSP_INCLXX 74,1 2,9 5,8 16,4 8,17 �����
Óïðàâëÿåìûå ôèçè÷åñêèå ïàðàìåòðû
em: Livermore,
nel: CHIPS,
ninel: Bertini 69 1,9 10,1 17,3 8,71 �����
em: standart_o3,
nel: HadronEl,
ninel: Bertini 68,9 2,9 5,0 17,0 8,11 �����
em: standart_o3,
nel: HadronEl,
ninel: Bertini <10,
MeV, INCLXX 71,4 2,28 6,6 17,8 8,38 �����
Òàáëèöà 2
Ïðîìîäåëèðîâàíî áîëåå äâóõñîò êîìáèíàöèé ôèçè÷åñêèõ ïàðàìåò-
ðîâ. Ðàçðàáîòàííûé ïðîãðàììíûé êîä è ïîëíàÿ òàáëèöà ðåçóëüòàòîâ ìîäå-
ëèðîâàíèÿ ìîæåò áûòü íàéäåíà â ñîñòàâå ðàçðàáàòûâàåìîé ñèñòåìû ïëà-
íèðîâàíèÿ ëó÷åâîé òåðàïèè â ðåïîçèòîðèè git [12]. Ïîëó÷åííûå ñïåêòðû
èçëó÷åíèÿ âòîðè÷íûõ ïðîòîíîâ è àëüôà-÷àñòèö â äåòåêòîðå ïðåäñòàâëåíû
ñîîòâåòñòâåííî íà ðèñ. 5, à è á (ñì. âêëåéêó).
Íà ðèñ. 6 (ñì. âêëåéêó) ïðåäñòàâëåíà ãèñòîãðàììà ñêîðîñòè ìîäåëèðî-
âàíèÿ ïðè ðàçëè÷íûõ ôèçè÷åñêèõ ïàðàìåòðàõ, ãäå ÷èñëî èñòîðèé èñòî÷íè-
êà èçìåðÿëîñü ïðè îäèíàêîâîì âðåìåíè ðàñ÷åòà —18 ÷.
Âûâîäû
Ïî ðåçóëüòàòàì ïðîâåäåííîãî ìîäåëèðîâàíèÿ íåéòðîííîãî ïó÷êà 14,5±1 ÌýÂ
ñ ðàçëè÷íûìè ôèçè÷åñêèìè ìîäåëÿìè, ïàðàìåòðèçàöèÿ êîòîðûõ îñó-
ùåñòâëÿëàñü ðàçðàáîòàííûì ïðîãðàììíûì êîäîì, ìîæíî ñäåëàòü ñëåäóþ-
ùèå âûâîäû.
Âñå ñóùåñòâóþùèå ïàðàìåòðè÷åñêèå ìîäåëè çàíèæàþò âêëàä �-÷àñ-
òèö è çàâûøàþò âêëàä ýëåêòðîíîâ. Ýòî ìîæíî îáúÿñíèòü îñîáåííîñòÿìè
ìîäåëèðîâàíèÿ ïðîöåññîâ â Geant4, òàê êàê äëÿ òÿæåëûõ ÷àñòèö îñíîâíûì
âçàèìîäåéñòâèåì ñ âåùåñòâîì ÿâëÿåòñÿ âçàèìîäåéñòâèå ñ ýëåêòðîíàìè â
ÿäåðíîé îáîëî÷êå ìèøåíè.
Ñàìîé áûñòðîé è òî÷íîé ìîäåëüþ ýëåêòðîìàãíèòíîé ôèçèêè ÿâëÿåòñÿ
ìîäåëü Livermore, çàíèæàþùàÿ âêëàäû òÿæåëûõ ÷àñòèö íà 30—60 %. Ìå-
íåå áûñòðîé, íî áîëåå àäåêâàòíîé ïî òî÷íîñòè ìîäåëüþ, ÿâëÿåòñÿ Standart-
Physics_Option3.
HP-ìîäåëè ïîçâîëÿþò ñóùåñòâåííî ñîêðàòèòü ñêîðîñòü ðàñ÷åòîâ: åñëè
îòêëþ÷èòü àäðîííûå âçàèìîäåéñòâèÿ âòîðè÷íûõ ÷àñòèö è îñòàâèòü òîëüêî
íåéòðîíû (÷òî äîïóñòèìî ïðè ïðèìåíåíèè äðóãèõ ìîäåëåé), òî äîëÿ äîçû,
äîñòàâëÿåìîé ïðîòîíàìè, ñîêðàùàåòñÿ íà 15—20 %.
Ìîäåëü óïðóãèõ âçàèìîäåéñòâèé CHIPS â ñðåäíåì îáåñïå÷èâàåò âêëàä
ïðîòîíîâ íà 5—10 % ìåíüøå, ÷åì ìîäåëü G4HadronElastic. Ìîäåëè óïðóãèõ
âçàèìîäåéñòâèé BarashekovGlauber, DiffuseElastic è äðóãèå ïðèìåíèìû äëÿ
÷àñòèö ñ ýíåðãèåé îò 1 Ãý è âûøå, ò.å. íå ïîäõîäÿò äëÿ äàííîé çàäà÷è.
Âñå ñóùåñòâóþùèå ìîäåëè íåóïðóãèõ âçàèìîäåéñòâèé (Binary Casca-
de, Bertini Cascade, INCLXX, PRECO) ìîãóò ïðèìåíÿòüñÿ äëÿ äàííîé çàäà-
÷è. Ïðèìåíåíèå íåñêîëüêèõ ìîäåëåé ïðè íåïåðåêðûâàþùèõñÿ ãðàíèöàõ â
ðÿäå ñëó÷àåâ èìååò áîëüøåå áûñòðîäåéñòâèå, íåæåëè îäèíî÷íàÿ ìîäåëü
íà âñåì èíòåðâàëå. Íàèáîëåå îïòèìàëüíûì ÿâëÿåòñÿ ïðèìåíåíèå Binary
Cascade äî 10 ÌýÂ è INCLXX ïîñëå 10 ÌýÂ. Binary Cascade ìîæåò áûòü
äîïîëíåí PRECO äëÿ ýíåðãèé äî 2 ÌýÂ. Îäíàêî íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü
òîò ôàêò, ÷òî ïðàêòè÷åñêàÿ âåðèôèêàöèÿ ýòèõ ìîäåëåé íà íèçêèõ ýíåðãèÿõ
À.Í. Ñîëîâüåâ, Â.Â. Ôåäîðîâ, Â.È. Ïîòåòíÿ, Â.Â. Íå÷àåâ
116 ISSN 0204–3572. Electronic Modeling. 2015. V. 37. ¹ 3
íå ïðîâîäèëàñü. Îíà äîñòàòî÷íî çàòðóäíèòåëüíà, ïîýòîìó â áóäóùåì ýòè
ðåçóëüòàòû ìîãóò èçìåíèòüñÿ.
Ðîçðàáîòàííîå ïðîãðàììíîå îáåñïå÷åíèå ïîçâîëÿåò íåñêîëüêî óñêî-
ðèòü ïðîöåññ ñîçäàíèÿ ìîäåëüíûõ çàäà÷ ïðè ó÷åòå ïðîòåêàþùèõ ôèçè-
÷åñêèõ ïðîöåññîâ è îöåíêå àäåêâàòíîñòè ïîëó÷àåìîé ìîäåëè.  áóäóùåì
âîçìîæíî ñîçäàíèå áàçû äàííûõ îïòèìàëüíûõ ôèçè÷åñêèõ ìîäåëåé äëÿ
àíàëîãè÷íûõ è ïîäîáíûõ çàäà÷ (íàïðèìåð, ïðè îöåíêå äåéñòâèÿ ïðîòîííûõ è
èîííûõ ïó÷êîâ â êëèíè÷åñêèõ çàäà÷àõ, ïðè ïîñòàíîâêå èëè àíàëèçå ýêñïåðè-
ìåíòîâ). Ýòî ïîçâîëèò ñíèçèòü ïîðîã âõîæäåíèÿ â ñðåäñòâà ïðîãðàììíîãî
ìîäåëèðîâàíèÿ, à òàêæå îïòèìèçèðîâàòü ñêîðîñòü ìîäåëüíûõ ðàñ÷åòîâ.
Ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ òåðàïåâòè÷åñêîé íåéòðîííîé
çàäà÷è ìîãóò áûòü óñïåøíî ïðèìåíåíû ïðè ñîçäàíèè ñèñòåìû ïëàíèðîâà-
íèé íåéòðîííîé òåðàïèè [13].
ÑÏÈÑÎÊ ËÈÒÅÐÀÒÓÐÛ
1. Âèêèïåäèÿ — Ñâîáîäíàÿ ýíöèêëîïåäèÿ [Ýëåêòðîííûé ðåñóðñ] = Wikipedia, the free en-
cyclopedia [200-?] — Ðåæèì äîñòóïà: http://ru.wikipedia.org, http://en.wikipedia.org.
2. Òðóôàíîâ Ã.Å., Àñàòóðÿí Ì.À., Æàðèíîâ Ã.Ì. Ëó÷åâàÿ òåðàïèÿ. Òîì 2. — Ì. : Èçä.
ãðóïïà ÃÝÎÒÀÐ-Ìåäèà, 2007.
3. Áåñïàëîâ Â.È. Âçàèìîäåéñòâèå èîíèçèðóþùèõ èçëó÷åíèé ñ âåùåñòâîì: Ó÷åá. ïîñî-
áèå. Èçä. 4. — Òîìñê: Èçä-âî Òîìñêîãî ïîëèòåõíè÷åñêîãî óíèâåðñèòåòà, 2008. — 369 ñ.
4. Sinclair Dr. W. K. et al (January 2003). «Relative biological effectiveness (RBE), quality
factor (Q) and radiation weighting factor (Wr)». Annals of the ICRP 33 (4). ISBN
978-0-08-044311-9. ICRP Publication 92.
5. Ïîïîâ Â.È. Ìåòîäû ËÏÝ-ñïåêòðîìåòðèè èîíèçèðóþùèõ èçëó÷åíèé. — Ì. : Àòîìèç-
äàò, 1978. — 136 ñ.
6. Ñîëîâüåâ À.Í. Êîìïüþòåðíîå ìîäåëèðîâàíèå âçàèìîäåéñòâèÿ èîíèçèðóþùåãî èçëó-
÷åíèÿ è âåùåñòâà // Èíôîðì. è òåëåêîììóíèêàöèîííûå òåõíîëîãèè. — 2013. — ¹ 20. —
Ñ. 35—43.
7. Asai M., I Kernel // Geant4 Tutorial Course, SLAC, 2014.
8. GEANT4 Simulation code. Introduction to GEANT4, user documentation [Ýëåêòðîííûé
ðåñóðñ]. — Ðåæèì äîñòóïà: http://geant4.web.cern.ch/.
9. ROOT | A Data Analysis Framework [Ýëåêòðîííûé ðåñóðñ]. — Ðåæèì äîñòóïà: http://
root.cern.ch/
10. Caswell R.S., Coyne J.J. Interaction of Neutons and Secondary Charged Particles with Tis-
sue: Secondary Particle Spectral // Radiation research. — 1972. — No 52. — Ð. 448—470.
11. Caswell R.S., Coyne J.J., Randolph M.L. Kerma Factors of Elements and Compounds for
Neutron Energies Below 30 MeV // Int. J. Appl. Radiat. Isov. — 1982. —V. — Ð. 227—250.
12. http://bitbucket.org/mrrc/npplan
13. Ñîëîâüåâ À.Í. Àâòîìàòèçèðîâàííàÿ ðàñïðåäåëåííàÿ ñèñòåìà ïëàíèðîâàíèÿ ëó÷åâîé òåðà-
ïèè // Èíôîðì. è òåëåêîììóíèêàöèîííûå òåõíîëîãèè. — 2013. —¹17. — Ñ. 48—60.
Îñîáåííîñòè ìîäåëèðîâàíèÿ àäðîííûõ âçàèìîäåéñòâèé ñ ïîìîùüþ GEANT4
ISSN 0204–3572. Ýëåêòðîí. ìîäåëèðîâàíèå. 2015. Ò. 37. ¹ 3 117
A.N. Solovev, V.V. Fedorov, V.I. Potetnya, V.V. Nechaev
MODELING PECULIARITIES OF HADRONIC INTERACTIONS FOR SOLVING
THE PROBLEMS OF RADIATION TREATMENT USING GEANT4
This paper represents several issues for hadron-matter interaction for solving radiation treatment
problems. The authors have developed a software using Python and a set of classes using C++ for
effective hadron interaction control in the model tasks. The developed software was used for
evaluation of the effect of neutron beams with 14.5±1 MeV energies.
K e y w o r d s: hadron therapy, Geant4, radiation therapy, Monte-Carlo method.
REFERENCES
1. “Wikipedia — The free encyclopedia” (200-?), available at: http://ru.wikipedia.org, http://
en.wikipedia.org.
2. Trufanov, G.E., Asaturyan, M.A. and Zharinov, G.M. (2007), Luchevaya terapiya, Tom 2
[Radiotherapy, Vol. 2], Izd. Gruppa GEOTAR-Media, Moscow, Russia.
3. Bespalov, V.I. (2008), Vzaimodeistvie ioniziruyushchikh izlucheniy s veshchestvom: Ucheb.
Posobiye, Izd. 4 [Interaction of ionizing radiations with substance: Manual, Publ. 4], Izd-vo
Tomskogo politekhnicheskogo universiteta, Tomsk, Russia.
4. Sinclair, Dr.W.K. (2003), Relative biological effectiveness (RBE), quality factor (Q) and ra-
diation weighting factor (Wr) , Annals of the ICRP, 33 (4), ICRP Publication 92.
5. Popov, V.I. (1978), Metody LPE-spectrometrii ioniziruyushchikh izlucheniy [Methods of
LPE-spectrometry of ionizing radiations], Atomizdat, Moscow, Russia.
6. Solovyov, À.N. (2013), “Computer modeling of interaction of ionizing radiation and sub-
stance”, Inform. i telekommunikatsionnye tekhnologii, no. 20, pp. 35-43.
7. Asai, M. (2014), Kernel, part I, Geant4 Tutorial Course, SLAC.
8. GEANT4 Simulation code. Introduction to GEANT4, user documentation, available at:
http://geant4.web.cern.ch/.
9. ROOT | A Data Analysis Framework, available at: http://root.cern.ch/, free.
10. Caswell, R.S. and Coyne, J.J. ( 1972), “Interaction of Neutons and Secondary Charged Parti-
cles with Tissue: Secondary Particle Spectral”, Radiation research, Vol. 52, pp. 448-470.
11. Caswell, R.S., Coyne, J.J. and Randolph, M.L. (1982), “Kerma Factors of Elements and
Compounds for Neutron Energies Below 30 MeV”, Int. J. Appl. Radiat. Isov., Vol. ?, pp.
227-250.
12. Available at: http://bitbucket.org/mrrc/npplan
13. Solovyov, A.N. (2013), “Automated distributed system of planning radiation therapy”, In-
form. i telekommunikatsionnye tekhnologii, no. 17, pp. 48-60.
Ïîñòóïèëà 14.01.15
ÑÎËÎÂÜÅ Àëåêñåé Íèêîëàåâè÷, èíæåíåð Ìåäèöèíñêîãî ðàäèîëîãè÷åñêîãî íàó÷íîãî öåíòðà
èì. À.Ô. Öûáà — ôèëèàë ãîñóäàðñòâåííîãî áþäæåòíîãî ó÷ðåæäåíèÿ «Ôåäåðàëüíûé ìåäè-
öèíñêèé èññëåäîâàòåëüñêèé öåíòð èì. Ï.À. Ãåðöåíà» Ìèíèñòåðñòâà çäðàâîîõðàíåíèÿ Ðîñ-
ñèéñêîé Ôåäåðàöèè, àñïèðàíò Ìîñêîâñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî òåõíè÷åñêîãî óíèâåðñèòåòà
ðàäèîòåõíèêè, ýëåêòðîíèêè è àâòîìàòèêè, êîòîðûé îêîí÷èë 2012 ã. Îáëàñòü íàó÷íûõ èññëå-
äîâàíèé — èíôîðìàöèîííûå òåõíîëîãèè â áèîëîãèè è ÿäåðíîé ìåäèöèíå, ìàòåìàòè÷åñêàÿ
ôèçèêà, ìàòåìàòè÷åñêèå ìåòîäû è ïàêåòû â ôèçè÷åñêèõ è ðàäèîáèîëîãè÷åñêèõ çàäà÷àõ,
íåéðîñåòè è íåéðîñåòåâûå àëãîðèòìû, îáðàáîòêà ìåäèöèíñêèõ èçîáðàæåíèé.
À.Í. Ñîëîâüåâ, Â.Â. Ôåäîðîâ, Â.È. Ïîòåòíÿ, Â.Â. Íå÷àåâ
118 ISSN 0204–3572. Electronic Modeling. 2015. V. 37. ¹ 3
ÔÅÄÎÐΠÂëàäèìèð Âèêòîðîâè÷, êàíä. òåõí. íàóê, èíæåíåð Ìåäèöèíñêîãî ðàäèîëîãè÷åñêîãî
íàó÷íîãî öåíòðà èì. À.Ô. Öûáà — ôèëèàë ãîñóäàðñòâåííîãî áþäæåòíîãî ó÷ðåæäåíèÿ «Ôåäå-
ðàëüíûé ìåäèöèíñêèé èññëåäîâàòåëüñêèé öåíòð èì. Ï.À. Ãåðöåíà» Ìèíèñòåðñòâà çäðàâîîõðà-
íåíèÿ Ðîññèéñêîé Ôåäåðàöèè.  1975 ã. îêîí÷èë Îáíèíñêèé ôèëèàë Ìîñêîâñêîãî èíæåíåðíî-
ôèçè÷åñêîãî èí-òà. Îáëàñòü íàó÷íûõ èññëåäîâàíèé — áèîôèçèêà.
ÏÎÒÅÒÍß Âëàäèìèð Èâàíîâè÷, êàíä. áèîë. íàóê, âåä. íàó÷. ñîòð. Ìåäèöèíñêîãî ðàäèîëîãè÷åñ-
êîãî íàó÷íîãî öåíòðà èì. À.Ô. Öûáà — ôèëèàë ãîñóäàðñòâåííîãî áþäæåòíîãî ó÷ðåæäåíèÿ
«Ôåäåðàëüíûé ìåäèöèíñêèé èññëåäîâàòåëüñêèé öåíòð èì. Ï.À. Ãåðöåíà» Ìèíèñòåðñòâà çäðà-
âîîõðàíåíèÿ Ðîññèéñêîé Ôåäåðàöèè.  1970 ã. îêîí÷èë Õàðüêîâñêèé ãîñóíèâåðñèòåò. Îáëàñòü
íàó÷íûõ èññëåäîâàíèé — áèîôèçèêà, áèîìåäèöèíñêàÿ èíæåíåðèÿ.
ÍÅ×ÀÅ Âàëåíòèí Âèêòîðîâè÷, àêàäåìèê ÐÀÅÍ, ä-ð ôèç.-ìàò. íàóê, ïðîôåññîð, çàâ. êàôåä-
ðîé «Èíòåëëåêòóàëüíûå òåõíîëîãèè è ñèñòåìû» Ìîñêîâñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî òåõíè÷åñ-
êîãî óíèâåðñèòåòà ðàäèîòåõíèêè, ýëåêòðîíèêè è àâòîìàòèêè.  1967 ã. îêîí÷èë Ìîñêîâñêèé
ýíåðãåòè÷åñêèé èí-ò. Îáëàñòü íàó÷íûõ èññëåäîâàíèé — ìàòåìàòè÷åñêîå è êîìïüþòåðíîå
ìîäåëèðîâàíèå ñëîæíûõ ñèñòåì.
Îñîáåííîñòè ìîäåëèðîâàíèÿ àäðîííûõ âçàèìîäåéñòâèé ñ ïîìîùüþ GEANT4
ISSN 0204–3572. Ýëåêòðîí. ìîäåëèðîâàíèå. 2015. Ò. 37. ¹ 3 119
|