GEANT4-DNAを使用した細胞S値の計算：細胞形状の効果

目的：GEANT4-DNAは、さまざまな細胞形状の低エネルギー電子源のさまざまな細胞内分布のS値を計算するために使用されます。 方法：1から100 keVのエネルギー、オーガー電子放射性放射性核種TC-99m、In-111、およびI-125を備えたモノエネルギー電子源の細胞S値の計算は、GEANT4 Monte Carlo Toolkitを使用して行われました。GEANT4-DNA低エネルギー拡張は、ヒト細胞の代理として使用される液体水中の電子トラック（8 eVまで）の完全な遅延（8 eV）の完全な衝突による衝突をシミュレートするために採用されています。S値に対する細胞ジオメトリの効果は、異なる細胞形状内の電子トラック、すなわち球形、2つの楕円形、および不規則な形状をシミュレートすることによって調べられます。各細胞ファントムの核、細胞質、表面、および全細胞の体積をランダムにサンプリングするためのアルゴリズムが提示されます。 結果：GEANT4-DNAとMirdデータベースの最大50％の違いが見つかりましたが、現在の放射性核種では、ほとんどが10％未満のままです。ほとんどのソースターゲットの組み合わせでは、球状細胞形状のS値は、楕円形細胞の形状の20％以内であり、最大偏差は32％であることがわかりました。球形と不規則な幾何学の違いは、一般に100〜300％に達します。細胞の形状に最も敏感なのは、ソースが細胞表面に局在する場合の核への吸収用量です。興味深いことに、2つの公開されたI-125のAAPMスペクトルは、細胞S値に顕著な違い（最大19％）をもたらします。 結論：GEANT4-DNAを使用した細胞S値のモンテカルロシミュレーションは、検査された放射性核種では、球状細胞の広く使用されている近似が楕円形の幾何学であっても合理的に正確（20〜30％）であることを明らかにしています。不規則な細胞形状の場合、球状の近似は注意して使用する必要があります。これは、この例のように、ソースが細胞表面に局在する一般的に遭遇する状況の核量の誤った結果をもたらす可能性があるからです。

PURPOSE: Geant4-DNA is used to calculate S-values for different subcellular distributions of low-energy electron sources in various cell geometries. METHOD: Calculations of cellular S-values for monoenergetic electron sources with energy from 1 to 100 keV and the Auger-electron emitting radionuclides Tc-99m, In-111, and I-125 have been made using the Geant4 Monte Carlo toolkit. The Geant4-DNA low-energy extension is employed for simulating collision-by-collision the complete slowing-down of electron tracks (down to 8 eV) in liquid water, used as a surrogate of human cells. The effect of cell geometry on S-values is examined by simulating electron tracks within different cell geometries, namely, a spherical, two ellipsoidal, and an irregular shape, all having equal cellular and nuclear volumes. Algorithms for randomly sampling the volume of the nucleus, cytoplasm, surface, and whole cell for each cell phantom are presented. RESULTS: Differences between Geant4-DNA and MIRD database up to 50% were found, although, for the present radionuclides, they mostly remain below 10%. For most source-target combinations the S-values for the spherical cell geometry were found to be within 20% of those for the ellipsoidal cell geometries, with a maximum deviation of 32%. Differences between the spherical and irregular geometries are generally larger reaching 100-300%. Most sensitive to the cell geometry is the absorbed dose to the nucleus when the source is localized on the cell surface. Interestingly, two published AAPM spectra for I-125 yield noticeable differences (up to 19%) in cellular S-values. CONCLUSION: Monte Carlo simulations of cellular S-values with Geant4-DNA reveal that, for the examined radionuclides, the widely used approximation of spherical cells is reasonably accurate (within 20-30%) even for ellipsoidal geometries. For irregular cell geometries the spherical approximation should be used with caution because, as in the present example, it may lead to erroneous results for the nuclear dose for the commonly encountered situation where the source is localized to the cell surface.