Extension of TOPAS for the simulation of proton radiation effects considering molecular and cellular endpoints

分子・細胞レベルのエンドポイントを考慮した陽子治療効果シミュレーションのためのTOPASシステムの拡張

Polster, L.*; Schuemann, J.*; Rinaldi, I.*; Burigo, L.*; McNamara, A. L.*; Steward, R. D.*; Attili, A.*; Carlson, D. J.*; 佐藤 達彦   ; Ramos Mndez, J.*; Faddegon, B.*; Perl, J.*; Paganetti, H.*

Polster, L.*; Schuemann, J.*; Rinaldi, I.*; Burigo, L.*; McNamara, A. L.*; Steward, R. D.*; Attili, A.*; Carlson, D. J.*; Sato, Tatsuhiko; Ramos Mndez, J.*; Faddegon, B.*; Perl, J.*; Paganetti, H.*

TOPASとは、陽子線治療計画に幅広く利用されているソフトウェアである。本研究の目的は、TOPASに陽子の生物学的効果比(RBE)を計算する機能を追加することである。その目的のため、8つの生物物理モデルをTOPASに組み込んだ。それらモデルのうち4つは、RBEの指標となる物理学的なパラメータとしてLETを用い、残りの4つは、それぞれDNAダメージ数、平均z値, y値,飛跡構造を用いる。その中で、y値を指標としたモデルには、原子力機構が開発したマイクロドジメトリ機能が使われた。導入した8つのモデルの精度は、実験的に求めた陽子のRBEと比較することにより検証した。本研究は、陽子線治療を臨床診療へと近づけるための治療計画の最適化に重要な成果である。

The aim of this work is to extend a widely used proton Monte Carlo tool, TOPAS, towards the modeling of relative biological effect (RBE) distributions in experimental arrangements as well as patients. Then, eight biophysical models was incorporated into TOPAS. As far as physics parameters are concerned, four of these models are based on the proton linear energy transfer (LET), while the others are based on DNA Double Strand Break (DSB) induction and the frequency-mean specific energy, lineal energy, or delta electron generated track structure. The model on the basis of lineal energy adapted a microdosimetric function developed by JAEA. This work is an important step in bringing biologically optimized treatment planning for proton therapy closer to the clinical practice.