Оцінка потужності гамма-опромінювання для клінічно значних радіонуклідів у ядерній медицині з використанням моделювання Монте-Карло GATE/GEANT4
Анотація
Мета. Розробити надійний обчислювальний метод для розрахунку потужності дози зовнішнього опромінення пацієнтів ядерної медицини за допомогою моделювання методом Монте-Карло та систематично оцінити вплив геометрії фантома й характеристик детектора на професійне опромінення. Методи: Моделювання MC GATE версії 9.1 (Geant4 10.7) розрахувало константи потужності зовнішньої дози для більшості клінічних радіонуклідів: 99mTc, 67Ga, 18F, 11C, 131I та 123I. Було використано два фантоми: один із розмірами (25×15×20, 30×20×25 та 35×25×30 см³), а інший — з фіксованою довжиною 170 см та змінною шириною (15×20, 20×25 та 25×30 см³), специфічними для нукліда 99mTc. Розміри детекторів (від 3×3×3 до 10×10×10 см³) оцінювалися на відстанях 1, 2 та 3 м. Різні середовища детектора (повітря, аргон та неон) оцінювалися на чутливість до фотонів. Результати порівнювали з експериментальними даними. Результати: Результати моделювання узгоджувалися з експериментальними даними в межах ±10%. Аргон продемонстрував вищу чутливість порівняно з повітряними і неоновими середовищами детектора. Розміри фантома загалом збільшилися, що призвело до зменшення самозатухання на 36,8%. Радіонукліди 18F та 11C, а також 67Ga, 131I, 123I та 99mTc, становили найбільшу небезпеку професійного опромінення. Товщина тіла пацієнта була більш значним фактором ослаблення, ніж його зріст. Висновок: Моделювання GATE/Geant4 забезпечує надійний і точний інструмент для оцінки потужності зовнішньої дози у відділеннях ядерної медицини. Ці результати підкреслюють важливість використання відповідних розмірів детекторів і середовищ, а також реалістичної геометрії пацієнта в оцінці професійної дози та надають важливі дані для вдосконалення протоколів радіаційного захисту.
Завантаження
Посилання
M.M. Khalil, Basic Sciences of Nuclear Medicine (Springer International Publishing, Cham, 2021).
M.M. Khalil, Basic Science of PET Imaging (Springer International Publishing, Cham, 2017).
M.U. Khan, and M.S. Usmani, “Radionuclide Infection Imaging: Conventional to Hybrid,” in: 12 Chapters on Nuclear Medicine, (IntechOpen, 2011).
R.J. Groper, D.K. Glover, and A.J. Sinusas, Cardiovascular Molecular Imaging (CRC Press, Boca Raton, 2007). https://doi.org/10.3109/9781420005097
H.R. Maxon, and H.S. Smith, “Radioiodine-131 in the diagnosis and treatment of metastatic well differentiated thyroid cancer,” Endocrinol. Metab. Clin. North. Am. 19(3), 685–718 (1990).
X. Deng, J. Rong, L. Wang, N. Vasdev, L. Zhang, L. Josephson, and S.H. Liang, “Chemistry for Positron Emission Tomography: Recent Advances in 11 C-, 18 F-, 13 N-, and 15 O-Labeling Reactions,” Angw. Chem. 58(9), 2580–2605 (2019). https://doi.org/10.1002/anie.201805501
S.Y. Ho, and D.R. Shearer, “Radioactive contamination in hospitals from nuclear medicine patients,” Health Physics, 62(5), 462 466 (1992). https://doi.org/10.1097/00004032-199205000-00015
F. Jafarian-Dehkordi, and C. Hoeschen, “Low-Dose radiation risk in medicine: a look at risk models, challenges, and future prospects,” Z. Med. Phys. 35(4), 393–400, (2025). https://doi.org/10.1016/j.zemedi.2025.07.002
IAEA, Occupational Radiation Protection: General Safety Guide, (International Atomic Energy Agency, Vienna, 2018).
IAEA, ORPGUIDE: Occupational radiation protection; IAEA safety standards series, (International Atomic Energy Agency, Vienna, 2000).
ICRP. "The 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. ICRP publication 103," Ann. ICRP 37(2-4), 1–332 (2007). https://doi.org/10.1016/j.icrp.2007.10.003
M. Abuqbeitah, M. Demir, I. Çavdar, H. Tanyildizi, N. Yeyin, L. Uslu-Beşli, L. Kabasakal, et al., “Red bone marrow dose estimation using several internal dosimetry models for prospective dosimetry-oriented radioiodine therapy,” Radiat. Environ. Biophys. 57(4), 395–404 (2018). https://doi.org/10.1007/s00411-018-0757-2
L.K. Harding, N.J. Harding, H. Warren, A. Mills, and W.H. Thomson, “The radiation dose to accompanying nurses, relatives and other patients in a nuclear medicine department waiting room,” Nucl. Med. Commun. 11(1), 17–22 (1990). https://doi.org/10.1097/00006231-199001000-00004
N. Sirag, and A. Elrazek, “Design considerations to minimize staff doses in nuclear medicine units,” Int. J. Eng. Tech. Res. 4(1), 226–245 (2015).
D. Visvikis, M. Bardies, S. Chiavassa, C. Danford, A. Kirov, F. Lamare, L. Maigne, et al., “Use of the GATE Monte Carlo package for dosimetry applications,” Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A, 569(2), 335–340 (2006). https://doi.org/10.1016/j.nima.2006.08.049
J. Ierace, P. Rowshanfarzad, C. Sinnott, R. Nezich, P. Brayshaw, and M. Djukelic, “From Point Sources to Phantoms: Refining Dose Rate Models in Nuclear Medicine with Tc-99m, F-18, I-131 and Lu- 177,” Physical and Engineering Sciences in Medicine, preprint (2025). https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-7707816/v1
A. Kinsara, S. Abdul-Majid, W. El-gammal, T. Albaghdadi, A. Maimani, and W. Abulfaraj, “External radiation doses from patients administered with radiopharmaceuticals measurements and Monte Carlo simulation,” Nucl. Technol. Radiat. Prot. 29, 199–206 (2014). https://doi.org/10.2298/NTRP1403199K
A. D. Soares, L. Paixão, and A. Facure, “Determination of the dose rate constant through Monte Carlo simulations with voxel phantoms,” Med. Phys. 45(11), 5283–5292 (2018). https://doi.org/10.1002/mp.13181
J. Allison, et al., “Recent developments in Geant4,” Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A, 835, 186–225 (2016). https://doi.org/10.1016/j.nima.2016.06.125
E. N. Obikili, and A. B. Okesina, “Transverse thoracic diameter in frontal chest radiographs of an adult Nigerian population,” West Afr. J. Med. 25(3), 186–189 (2007). https://doi.org/10.4314/wajm.v25i3.28275
L. M.Unger, and D. K. Trubey, Specific gamma-ray dose constants for nuclides important to dosimetry and radiological assessment, (Oak Ridge Nat. Lab. Radiat. Shielding Inform. Cent., Oak Ridge, TN, 1982).
OpenGATE Collaboration, Tools to Interact with the Simulation: Actors (GATE Documentation, 2026).
M. Tschurlovits, A. Leitner, and G. Daverda, “Dose Rate Constants for New Dose Quantities,” Radiat. Prot. Dosim. 42(2), 77–82 (1992). https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.rpd.a081281
D. S.Smith, and M. G. Stabin, “Exposure rate constants and lead shielding values for over 1,100 radionuclides,” Health Phys. 102(3), 271–291 (2012). https://doi.org/10.1097/HP.0b013e318235153a
D.W.O. Rogers, “Introduction to Radiological Physics and Radiation Dosimetry by F. H. Attix,” Med. Phys. 14(4), 692 (1987). https://doi.org/10.1118/1.596041
G. F. Knoll, Radiation detection and measurement, (John Wiley & Sons, 2010).
M. Fathy, M. M. Khalil, W. M. Elshemey, and H. S. Mohamed, “Occupational radiation dose to nuclear medicine staff due to Tc99m, F18-FDG PET and therapeutic I-131 based examinations,”" Radiat. Prot. Dosim. 186(4), 443–451 (2019). https://doi.org/10.1093/rpd/ncz046
A. Al-Esaei, E. Saleh, S. Maghraby, T. Elsayed, and T. Kany, “Evaluation of Radiation Safety Parameters from Patients Receiving I-131 Therapy for Thyroid Carcinoma,” J. Med. Phys. Appl. Sci. 9(1), 52 (2024). https://doi.org/10.36648/2574-285x.9.1.52
P. F. Costa, et al., “Radiation Protection and Occupational Exposure on 68Ga-PSMA-11–Based Cerenkov Luminescence Imaging Procedures in Robot-Assisted Prostatectomy,” J. Nucl. Med. 63(9), 1349–1356 (2022). https://doi.org/10.2967/jnumed.121.263175
O. Günay, M. Sarıhan, O. Yarar, et al., “Determination of radiation dose from patients undergoing Tc-99m Sestamibi nuclear cardiac imaging,” Int. J. Environ. Sci. Technol. 16, 5251–5258 (2019). https://doi.org/10.1007/s13762-019-02262-1
M. Sarihan, and E. Abamor, “Radiation dose measurement on bone scintigraphy and planning clinical management,” Open Phys. 20(1), 1176–1184 (2022). https://doi.org/10.1515/phys-2022-0211
Авторське право (c) 2026 Абдулхалек О. Джаралах, Алаа М. Елгохарі, Моніра М. Рагех, Магді М. Халіл
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).
