Расчёт пространственных распределений поглощённой энергии ионизирующего излучения в биологической ткани для протяжённых биоструктур при внутреннем облучении альфа-частицами, электронами и фотонами с различными энергиями: унифицированный подход для применения в ядерной медицине

Цель исследования - разработать унифицированный подход для расчётов пространственных распределений поглощённой энергии ионизирующего излучения в пределах и вне биоструктур различной формы и размеров при внутреннем облучении альфа-частицами, электронами и фотонами разных энергий с целью упрощения процедур и сокращения объёма расчётов для дозиметрического обеспечения гарантий качества применения радиофармпрепаратов в ядерной медицине. В исследовании использованы базы данных ФГБУ «НМИЦ радиологии», содержащие информацию о пространственных распределениях в биологической ткани поглощённой энергии, излучаемой точечными изотропными источниками корпускулярного и фотонного излучения. Получены численные данные, характеризующие величины поглощённых долей энергии ионизирующего излучения в пределах и вне объёмов биологических структур, моделируемых сферами и слоями различных размеров при внутреннем облучении альфа-частицами, электронами и фотонами в диапазонах энергий 0,01-10; 0,0005-10 и 0,015-4,0 МэВ соответственно, что охватывает энергетические спектры практически всех радионуклидов, используемых в ядерной медицине. Установлено, что числовые последовательности расчётных значений поглощённых долей энергии (Ф), выраженные в виде зависимостей Ф от отношений размеров биологических структур или расстояний вокруг них к, так называемым, «радиусам 99% поглощения энергии вокруг точечных источников», приобретают унифицированный вид, применимый к биоструктурам различных размеров и форм при внутреннем облучении как корпускулярным, так и фотонным излучением различной энергии. Предложенный подход является универсальным инструментом для расчётов поглощённых доз в пределах и вне объёмов органов и опухолевых образований, на уровне их микроструктур, а также на клеточном и субклеточном уровнях при внутреннем облучении альфа-частицами, электронами и фотонами различных энергий. Данный подход сокращает объём требуемых расчётов и упрощает процедуры, необходимые для дозиметрического сопровождения доклинических/клинических испытаний и применения радиофармпрепаратов в ядерной медицине.

Aim of the study - develop a unified approach for calculating spatial distributions of absorbed energy of ionizing radiation within and outside of biostructures with various shapes and sizes at internal irradiation by corpuscular and photon radiation in order to simplify procedures and to reduce the volume of calculations for dosimetrical support to use of radiopharmaceuticals in nuclear medicine. The data bases, containing information on spatial distributions in biological tissue of absorbed energy, emitted by point isotropic sources of corpuscular and photon radiation, were used. Numerical data characterizing absorbed fractions of energy inside and outside the volumes of biological structures modeled by spheres and layers of different sizes at internal irradiation by alpha particles, electrons and photons in the energy ranges of 0.01-10 MeV, 0.0005-10 MeV and 0.015-4.0 MeV, respectively, were obtained. This almost completely covers the energy spectra of all radionuclides used in nuclear medicine. It has been established that numerical sequences of calculated values of absorbed fractions of energy, expressed as dependences of fractions of energy on the ratios of biological structures' sizes or distances around them to the so-called “radii of 99% absorption of energy around point sources”, becomes a unified form applicable to biostructures of various sizes and shapes at internal irradiation by corpuscular and photon radiation with different energies. The proposed approach is useful tool for calculating absorbed doses inside and outside the volumes of organs and tumor formations, at the level of their microstructures, as well as at the cellular and subcellular levels.