Код Монте-Карло для розрахунку пружного та непружного перерізу розсіяння та середньої довжини вільного пробігу розсіяння позитронів в органах нирок, легень та щитовидної залози
Анотація
У цьому дослідженні розраховано загальні перерізи розсіювання позитронів у тканинах нирок, легень та щитовидної залози в діапазоні енергій від 100 еВ до 1 МеВ. Методи Монте-Карло були використані для визначення як пружних, так і непружних інтегральних перерізів, використовуючи формулу Резерфорда для пружного розсіювання та функцію збудження Гризінського для непружних процесів. Було проведено порівняння між пружними та пружними перерізами Пенелопи. У дослідженні також розглядалися пружна, непружна та повна довжина вільного пробігу як функції енергії позитронів для всіх трьох типів тканин. Обчислювальний підхід розроблений для широкого застосування до різних матеріалів. Ми спостерігали значні відмінності в профілях поперечного перерізу та в енергетичних залежностях довжини вільного пробігу між тканинами, пояснюючи ці варіації різними характеристиками непружного розсіювання, властивими кожному матеріалу. Хоча систематичні невизначеності в обчислювальному алгоритмі важко точно кількісно визначити, ми вважаємо, що вони значною мірою є систематичними.
Завантаження
Посилання
M. Danch-Wierzchowska, D. Borys, B. Bobek-Bilewicz, M. Jarzab, and A. Swierniak, “Simplification of breast deformation modelling to support breast cancer treatment planning,” Biocybern. Biomed. Eng. 36(4), 531–536 (2016). https://doi.org/10.1016/j.bbe.2016.06.001
I. Adesida, R. Shimizu, and T. E. Everhart, “A study of electron penetration in solids using a direct Monte Carlo approach,” J. Appl. Phys. 51(11), 5962–5969 (1980). https://doi.org/10.1063/1.327515
Y.A. Üncü, G. Sevim, O. Ağar, and H. Özdoğan, “Mass attenuation coefficient, stopping power, and penetrating distance calculations via Monte Carlo simulations for cell membranes,” Kuwait J. Sci. 50(1A), 1–12 (2023). https://doi.org/10.48129/kjs.15657
O.N. Vassiliev, Monte Carlo Methods for Radiation Transport, (Springer International Publishing, Cham, 2017). https://doi.org/10.1007/978-3-319-44141-2
I. Low, and Z. Yin, “Entanglement Entropy is Elastic Cross Section,” J. Med. Phys. 49, 155–166 (2024). http://arxiv.org/abs/2410.22414
K. Koç, and A. Çetin, “Investigation of Interactions Between Low Energy Positrons and DNA Using the Monte-Carlo method,” NeuroQuantology, 13(2), 160–169 (2015). https://doi.org/10.14704/nq.2015.13.2.852
C.E. Chika, “Estimation of Proton Stopping Power Ratio and Mean Excitation Energy Using Electron Density and Its Applications via Machine Learning Approach,” J. Med. Phys. 49(2), 155–166 (2024). https://doi.org/10.4103/jmp.jmp_157_23
C. Hugenschmidt, “Positrons in surface physics,” Surf. Sci. Rep. 71(4), 547–594 (2016). https://doi.org/10.1016/J.SURFREP.2016.09.002
J.C. Ashley, “Interaction of Low-Energy Electrons with Condensed Matter: Stopping Powers and Inelastic Mean Free Paths from Optical Data,” J. Electron. Spectros. Relat. Phenomena, 46, 199–214 (1988).
Z. Tan, et al., “Cross sections of electron inelastic interactions in DNA,” Radiat. Environ. Biophys. 43(3), 173–182 (2004). https://doi.org/10.1007/s00411-004-0249-4
Z. Tan, et al., “Electron stopping power and mean free path in organic compounds over the energy range of 20-10,000 eV,” Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B, 222(1-2), 27–43 (2004). https://doi.org/10.1016/j.nimb.2004.02.017
L.H. Cai, B. Yang, C.C. Ling, C.D. Beling, and S. Fung, “Monte carlo simulation of positron induced secondary electrons in thin carbon foils,” Journal of Physics: Conference Series, Institute of Physics Publishing, 262, 012009 (2011). https://doi.org/10.1088/1742-6596/262/1/012009
K. Ratnavelu, M. J. Brunger, and S.J. Buckman, “Recommended Positron Scattering Cross Sections for Atomic Systems,” J. Phys. Chem. Ref. Data, 48(2), (2019). https://doi.org/10.1063/1.5089638
B.P. Nigam, M.K. Sundaresan, and T.-Y. Wu, “Theory of Multiple Scattering: Second Born Approximation and Corrections to Molière’s Work,” Physical Review, 115(3), 491–502 (1959). https://doi.org/10.1103/PhysRev.115.491
S. Yalcin, U. Akar Tarim, O. Gurler, O. Gundogdu, and D. A. Bradley, “Screening parameter for elastic scattering of electrons,” Radiation Effects and Defects in Solids, 176(9–10), 919–939 (2021). https://doi.org/10.1080/10420150.2021.1975709
M. Gryzinski, “Two-Particle Collisions. II. Coulomb Collisions in the Laboratory System of Coordinates,” Physical Review, 138(2), 322–335 (1965).
M. V. Manjunatha, and T. K. Umesh, “Effective atomic number of some rare earth compounds determined by the study of external bremsstrahlung,” J. Radiat. Res. Appl. Sci. 8(3), 428–432 (2015). https://doi.org/10.1016/j.jrras.2015.03.005
V. De Smet, R. Labarbe, F. Vander Stappen, B. Macq, and E. Sterpin, “Reassessment of stopping power ratio uncertainties caused by mean excitation energies using a water-based formalism,” Med. Phys. 45(7), 3361–3370 (2018). https://doi.org/10.1002/mp.12949
G.S. Ibbott, “Radiation Dosimetry: Electron Beams with Energies Between 1 and 50 MeV (ICRU Report No. 35),” Med. Phys. 12(6), 813–813 (1985). https://doi.org/10.1118/1.595780
M. Grvzinski, “Two-Particle Collisions. I. General Relations for Collisions in the Laboratory System,” Physical Review, 138(2), 305–321 (1965).
M. Asai, M.A. Cortés-Giraldo, V. Giménez-Alventosa, V. Giménez Gómez, and F. Salvat, “The PENELOPE Physics Models and Transport Mechanics. Implementation into Geant4,” Front. Phys. 9, 1–20 (2021). https://doi.org/10.3389/fphy.2021.738735
N.J. Carron, An Introduction to the Passage of Energetic Particles through Matter, (Taylor & Francis Group, California, USA, 2021). https://doi.org/10.1201/9781420012378
M. Dapor, “Comparison of Electron Compton Scattering with Positron Compton Scattering in Polyethylene,” Materials, 18(7), 1–10 (2025). https://doi.org/10.3390/ma18071609
A. Alshibel, and K. T. Osman, “Mass Stopping Power and Range of Alpha Particles in Biological Human Body Tissues (Blood, Brain, Adipose and Bone),” OAlib, 10(10), 1–17 (2023). https://doi.org/10.4236/oalib.1110775
A.B. Denison, and H. H. Farrell, “Positron mean free paths between 50 eV and 40 keV,” Phys. Rev. B: Condens. Matter. Mater. Phys. 69(10), 1–8 (2004). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.69.104302
S.V. Stepanov, V.M. Byakov, and P.S. Stepanov, “Positronium in Biosystems and Medicine: A New Approach to Tumor Diagnostics Based on Correlation between Oxygenation of Tissues and Lifetime of the Positronium Atom,” Physics of Wave Phenomena, 29(2), 174–179 (2021). https://doi.org/10.3103/S1541308X21020138
E.C. Emond, A.M. Groves, B.F. Hutton, and K. Thielemans, “Effect of positron range on PET quantification in diseased and normal lungs,” Phys. Med. Biol. 64(20), 1–16 (2019). https://doi.org/10.1088/1361-6560/ab469d
H.I. Coerts, B. de Keizer, and F.A. Verburg, “Advances in the Development of Positron Emission Tomography Tracers for Improved Detection of Differentiated Thyroid Cancer,” Cancers (Basel), 16(7), 1–12 (2024). https://doi.org/10.3390/cancers16071401
ICRU, “Tissue substitutes in radiation dosimetry ana measurement ICRU report 44,” Bethesda, (1989).
M. Kefalati, S.F. Masoudi, and A. Abbasi, “Effect of human body position on gamma radiation dose rate from granite stones,” J. Environ. Health. Sci. Eng. 19(1), 933–939 (2021). https://doi.org/10.1007/s40201-021-00660-7
A. Arectout, et al., “Investigation of photon interaction parameters in Human Body Tissues using GAMOS, FLUKA, and XCOM Studies,” Nuclear Analysis, 4(1), 1–11 (2025). https://doi.org/10.1016/j.nucana.2024.100141
P. Moskal, et al., “Positronium image of the human brain in vivo,” Sci. Adv. 10(37), (2024). https://doi.org/10.1126/sciadv.adp2840
Авторське право (c) 2025 Хавар М. Длшад, Джамал М. Рашид
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
