Трек-структурные симуляции Geant4-DNA для золотых наночастиц: важность дискретных моделей электронов в нанометровых объёмах

ЦЕЛЬ: Известно, что золотые наночастицы (GNP) усиливают поглощённую дозу в своей ближайшей окрестности при фотооблучении. Для оценки терапевтической эффективности GNP предыдущие исследования с использованием метода Монте-Карло в основном изучали увеличение дозы с применением конденсированно-исторических моделей. Однако такие модели в целом подходят для макроскопических объёмов и для энергий электронов выше нескольких сотен электрон-вольт. Мы недавно разработали для расширения Geant4-DNA в программном пакете Geant4 дискретные физические модели транспорта электронов в золоте, включающие описание полной каскадной деэксцитации атома. Эти модели позволяют покомпонентное (event-by-event) моделирование треков электронов в золоте до 10 эВ. В данной работе описывается, как такие специализированные физические модели влияют на моделирование радиоусиления, связанного с GNP, в контексте рентгенотерапии. МЕТОДЫ: Новые дискретные физические модели сравниваются с конденсированно-историческими моделями Geant4 Penelope и Livermore, которые широко используются в исследованиях радиоусиления наночастиц. Разработано специально адаптированное приложение Geant4 для расчёта поглощённой дозы в жидкой воде вокруг GNP и её радиоусиления, вызываемого вторичными частицами, испускаемыми самой GNP при облучении моноэнергетическим электронным пучком. Эффект новых физических моделей также квантован при расчёте спектров вторичных частиц как при возникновении внутри GNP, так и при их выходе из неё. РЕЗУЛЬТАТЫ: Новые физические модели показывают схожие коэффициенты обратнорассеяния с существующими моделями Geant4 Livermore и Penelope в больших объёмах для падающих электронов 100 keV. Однако в субмикронных объёмах только дискретные модели описывают высокий уровень обратнорассеяния, который должен сохраняться вокруг GNP на этих масштабах. Значительные различия (в основном более чем в 2 раза) также обнаружены в радиальном распределении поглощённой дозы и вторичных частиц между новыми и существующими моделями Geant4. Степень, в которой эти различия обусловлены внутренними ограничениями конденсированно-исторических моделей или различиями в используемых сечениях рассеяния, требует дальнейшего исследования. ВЫВОДЫ: Для более точного моделирования влияния GNP в радиотерапии посредством симуляций Монте-Карло необходимы усовершенствованные физические модели золота. Мы реализовали дискретные модели транспорта электронов для золота в Geant4, применимые до 10 эВ и включающие моделирование полной каскадной деэксцитации. Показано, что новая модель существенно улучшает моделирование переноса частиц в золотых объёмах субмикронных размеров по сравнению с существующими конденсированно-историческими моделями Livermore и Penelope в Geant4.