Numerical simulation of radiotherapy beam interaction with soft tissues and PLA plastic for 3D printing of dosimetric phantoms
| Parent link: | Сибирский онкологический журнал.— .— Томск: НИИ онкологии РАМН Т. 23, № 6.— 2024.— С. 62-69 |
|---|---|
| Other Authors: | , , , , |
| Summary: | Заглавие с экрана Introduction. In the development of new methods of radiotherapy, studies of the biological effects of sparsely (photons, electrons) and densely (protons, ions) ionizing radiation are relevant. Reproducibility is a challenge in preclinical studies. Dosimetric phantoms of laboratory animals are an effective tool for dose assessment, facilitating standardization of tests conducted under different conditions. existing phantoms often fail to address radiobiological issues like placing of biological samples or dosimetry detectors. A method for manufacturing dosimetric phantoms must be developed to accurately manufacturing products and modify their design in accordance with the task. Aim. This study develops a numerical model to simulate the interaction of photon, electron and proton therapeutic beams with 3D-printed PLA plastic samples and to determine the optimal 3D printing parameters for imitating soft tissues. Material and Methods. Fused filament fabrication proposed as effective means of creating such devices, given that the majority of polymers exhibit properties closely aligned with those of biological tissues, are employed in the manufacture of standard phantoms. A major advantage of 3D printing is the ability to make items with different specifications. Numerical simulation was employed to investigate the interaction of PLA plastic with an ionizing radiation used in radiotherapy. Results. the calculated depth dose distributions of different types of radiation in soft tissues and PLA plastic of varying densities were obtained. It was demonstrated that for adipose imitation using photons and electrons, it is necessary to utilise PLA plastic 3D-printed samples with a density of 0.91 g/cm³ (fill factor of 75 %); for muscle – 1.06 g/ cm³ (fill factor of 88 %). For proton and carbon ion, the density of PLA plastic samples for adipose imitation was determined to be 0.97 g/cm³ (fill factor of 80 %); for muscle – 1.11 g/cm³ (fill factor of 93 %). Conclusion. The study demonstrates that the interaction of PLA plastic with rarely and densely ionizing radiation may be differed. This is a crucial consideration when planning experiments using solid-state dosimetric phantoms 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 Текстовый файл |
| Published: |
2024
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://doi.org/10.21294/1814-4861-2024-23-6-62-69 |
| Format: | Electronic Book Chapter |
| KOHA link: | https://koha.lib.tpu.ru/cgi-bin/koha/opac-detail.pl?biblionumber=681296 |