Россия
сотрудник
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына, научный сотрудник)
сотрудник
Россия
сотрудник
Россия
ГРНТИ 29.05 Физика элементарных частиц. Теория полей. Физика высоких энергий
Цель: Оценка неопределенности относительной биологической эффективности (ОБЭ) рентгеновского излучения, связанной с погрешностями определения поглощенной дозы. Материал и методы: Моделируется прохождение монохроматического фотонного излучения рентгеновского диапазона энергий через стандартный пластиковый флакон площади 25 см2, содержащий 5 мл модельной культуральной среды (биологическая ткань с элементным составом С5H40O18N). Вычисление поглощенной дозы в культуральной среде проводится двумя способами: 1) стандартный способ, согласно которому отношение поглощенной дозы в среде и ионизационной камере равно отношению кермы в среде и воздухе; 2) определение поглощенной дозы в среде и в чувствительном объеме ионизационной камеры методом компьютерного моделирования и вычисление отношения этих доз. В рамках линейно-квадратичной модели неопределенность оценки значений RBEmax, прямо пропорциональна неопределенности поглощенной исследуемым образцом дозы. Результаты: Показано, что в зависимости от спектрального состава рентгеновского излучения неопределенности поглощенной дозы могут достигать 40–60 %. Такие большие неопределенности связаны с отсутствием электронного равновесия в используемой на практике геометрии облучения. Разброс значений ОБЭ, определенных по данным радиобиологических экспериментов, выполненных различными авторами, может определяться как различиями в условиях проведения экспериментов, так и погрешностями определения поглощенной дозы. Использование в той же геометрии вместо ионизационных камер дозиметров Фрике позволяет уменьшить неопределенность примерно в 2 раза, до 10–30 %. Заключение: Выполнено компьютерное моделирование радиобиологических экспериментов по определению ОБЭ рентгеновского излучения. Геометрия экспериментов соответствует условиям использования стандартных флаконов, размещенных в боковых держателях. Показано, что отношения поглощенных доз и кермы в слоях биологической ткани и воздуха отличаются между собой с расхождением до 60 %. В зависимости от качества пучка истинная поглощенная доза может отличаться от рассчитанной в предположении равенства кермы и дозы на 50 %. Погрешность определения ОБЭ в данных экспериментах имеет такой же порядок. Результаты представлены для пучков рентгеновского излучения с пренебрежимо малой долей фотонов, обладающих энергией менее 10 кэВ. Для пучков другого качества неопределенность может значительно увеличиться. Для корректной оценки ОБЭ необходимо выработать единый стандарт проведения радиобиологических экспериментов. Данный стандарт должен регламентировать как геометрию проведения экспериментов, так и проведение дозиметрических измерений.
относительная биологическая эффективность, оценка неопределенности, рентгеновское излучение, поглощенная доза, компьютерное моделирование, радиобиологические эксперименты
Степень радиационной опасности различных видов ионизирующих излучений оценивается на основании экспериментально измеряемой величины – относительной биологической эффективности (ОБЭ). ОБЭ определяется как отношение поглощенной дозы референсного излучения, вызывающей некий определенный биологический эффект, к поглощенной дозе исследуемого излучения, приводящей к такому же эффекту. Таким образом, для определения величины ОБЭ необходимо определить поглощенную дозу непосредственно в облучаемом объекте, что является весьма сложной задачей, поскольку поглощенная доза измеряется в веществе дозиметра. Точный пересчет поглощенной дозы в веществе дозиметра к поглощенной дозе в объекте возможен только при выполнении достаточно специфических условий, которые, как правило, не выполняются на практике.
1. Underbink A.G., Kellerer A.M., Mills R.E., Sparrow A.H. Comparison of X-ray and Gamma-Ray Dose Response Curves for Pink Somatic Mutations in Tradescantia Clone 02 // Rad. And Environm. Biophys. 1976. Vol. 13. P. 295-303.
2. Guerrero-Carbajal C., Edwards A.A., Lloyd D.C. Induction of chromosome aberration in human lymphocytes and its dependent on x ray energy // Radiat. Protect. Dosimetry. 2003. Vol. 106. № 2. P. 131-135.
3. Hoshi M., Antoku S., Nakamura N. et al. Soft X-ray dosimetry and RBE for survival of Chinese hamster V79 Cells // Int. J. Radiat. Biol. 1988. Vol. 54. № 4. P. 577-591.
4. Virsik R.P., Harder D., Hansmann I. The RBE of 30 kV X-rays for the induction of dicentric chromosomes in human lymphocytes // Rad. Environm. Biophys. 1977. Vol. 14. P. 109-212.
5. Spadinger I., Palcic B. The relative biological effectiveness of 60Co γ-rays, 250 kVp X-rays, and 11 MeV electrons at low doses // Int. J. Radiat. Biol. 1992. Vol. 61. № 3. P. 345-353.
6. Goggelmann W., Jacobsen C., Panzer W. et al. Re-evaluation of the RBE of 29 kV x-rays (mammography x-rays) relative to 220 kV x-rays using neoplastic transformation of human CGL1-hybris cells // Radiat. Environm. Biophys. 2003. Vol. 42. P. 175-182.
7. Panteleeva A., Stonina D., Brankovic R. et al. Clonogenic survival of human keratinocytes and rodent fibroblasts after irradiation with 25 kV x-rays// Radiat. Environ. Biophys. 2003. Vol. 42. P. 95-100.
8. Slonina D., Spekl K., Panteleeva A. et al. Induction of micronuclei in human fibroblasts and keratinocytes by 25 kV x-rays// Radiat. Environ. Biophys. 2003,42. P. 55-66.
9. Buermann L., Krumrey M., Haney M., Schmid E. Is there reliable experimental evidence for different dicentric yields in human lymphocytes produced by mammography X-rays free-in-air and within a phantom?// Radiat. Environ. Biophys. 2005. Vol. 44. P. 17-22.
10. Frankenberg-Schwager M., Garg I., Frankenberg D. et al. Mutagenicity of low-filtered 30 kVp X-rays, mammography X-rays and conventional X-rays in cultured mammalian cells // Int. J. Radiat. Biol. 2002. Vol. 72. № 9. P. 781-789.
11. Белоусов А.В., Близнюк У.А., Борщеговская П.Ю., Осипов А.С. Биологическая эффективность рентгеновского излучения // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2014. № 2. C. 55-59.
12. The RD44 Collaboration // CERN/LHCC 98-44, LCB Status Report, 30 November 1998.
13. Pia M.G. The GEANT4 object oriented simulation toolkit // Proc. of the EPS-HEP99 Conference, Tampere, 1999.
14. Apostolakis J., Giani S., Maire M. et al. GEANT4 low energy electromagnetic models for electrons and photons // CERN-OPEN-99-034 (1999), IFN/AE-99/18.
15. Larsson S., Svensson R., Gudowska I. et al. Radiation transport calculation for 50 MV photon therapy beam using the Monte Carlo code GEANT4 // Radiat. Protect. Dosimetry. 22005. Vol. 115. № 1-4. P. 503-507.
16. Poon E., Veerhagen F. Accuracy of the photon and electron physics in GEANT4 for radiotherapy applications // Med. Phys. 2005. Vol. 32. P. 1696-1711.
17. Faddegon B.A., Asai M., Perl J. et al. Benchmarking of Monte Carlo simulation of bremsstrahlung from thick targets at radiotherapy energies // Med. Phys. 2008. Vol. 35. P. 4308-4317.
18. Faddegon B.A., Perl J., Asai M. Monte Carlo simulation of large electron fields // Phys. Med. Biol. 2008. Vol. 53. P. 1497-1510.
19. Faddegon B.A., Kawrakov I., Kubishin Y. et al. The accuracy of EGSnrc, GEANT4 and PENELOPE Monte Carlo systems for the simulation of electron scatter in external beam radiotherapy // Phys. Med. Biol. 2009. Vol. 854. № 20. P. 6151-6163.
20. Cirrone G.A.P., Cuttone G., Di Rosa F. et al. Validation of the GEANT4 electromagnetic photon cross-section for elements and compounds // Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. Section A. 2010. Vol. 618. P. 315-322.
21. Lechner A., Ivanchenko V.N., Knobloch J. Validation of recent GEANT4 physics models for application in carbon ion therapy // Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. Section B. 2010. Vol. 268. P. 2343-2354.
22. Труды МКРЗ. Публикация 103 МКРЗ. Рекомендации 2007 года Международной комиссии по радиационной защите. Москва. 2009. ФМБЦ имени А.И. Бурназяна ФМБА России.
