Viabilidade de um Boltzmann multigrupo

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 1310 (2023) Cite este artigo

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Solucionadores de Boltzmann de reator nuclear herdados iniciam implantação clínica como uma alternativa aos códigos de Monte Carlo (MC) e modelos semiempíricos de Fermi-Eyges no planejamento de tratamento oncológico por radiação. Os solucionadores clínicos certificados de hoje estão limitados a feixes de fótons. Neste artigo, ELECTR, um módulo de geração de seções transversais de elétrons multigrupo de última geração em NJOY é apresentado e validado em relação às medições calorimétricas de Lockwood, EGS-nrc e GEANT-4 para feixes de elétrons unidirecionais de 1–20 MeV. O solucionador DRAGON-5 do reator nuclear foi atualizado para acessar a biblioteca e resolver a equação de Boltzmann–Fokker–Planck (BFP). Uma variedade de radioterapia heterogênea e configurações de fantomas de radiocirurgia foram usadas para fins de validação. Os estudos de caso incluem um benchmark de tórax, o de uma radioterapia intra-operatória típica de mama e um benchmark de paciente de alta heterogeneidade. Para todos os feixes, \(100\%\) dos voxels de água satisfizeram o critério de precisão da Associação Americana de Físicos em Medicina para um erro de dose BFP-MC abaixo de \(2\%\). Pelo menos \(97,0\%\) dos voxels adiposos, musculares, ósseos, pulmonares, tumorais e mamários satisfizeram o critério de \(2\%\). O erro relativo médio do BFP-MC foi de cerca de \(0,56\%\) para todos os voxels, feixes e materiais combinados. Ao irradiar placas homogêneas de \(Z=1\) (hidrogênio) para \(Z=99\) (einstênio), relatamos desempenho e defeitos do modo CEPXS [US. Sandia National Lab., SAND-89-1685] no ELECTR para toda a tabela periódica. Para todos os benchmarks de Lockwood, as previsões de dose NJOY-DRAGON estão dentro da precisão de dados experimentais para \(98\%\) de voxels.

O sistema de processamento de dados nucleares NJOY é amplamente utilizado para o processamento de seções transversais de nêutrons e fótons pontuais e multigrupo de arquivos de dados nucleares avaliados (ENDF)1. A restrição atual para avaliações induzidas por partículas neutras limita o escopo da aplicação do sistema para projeto de reator de fissão, licenciamento e análise de segurança, modelagem de gerenciamento de estoque, benchmarking de segurança de criticalidade, proteção contra radiação e gerenciamento de lixo nuclear2,3,4.

A necessidade. O transporte de partículas carregadas de luz é necessário, entre outros, em dispositivos eletrônicos de ultraescala5 (por exemplo, dispositivos microeletrônicos de silício6), controle de plasma de fusão de baixa pressão7, plasma de descarga de gás8, transporte de feixe de acelerador (por exemplo, (e\(^-\) , e\(^+\)) ​​colisores)9,10, interações feixe-feixe5, radiação oncológica e física médica11,12,13. O uso de códigos/modelos de transporte de elétrons já é difundido no fluxo de trabalho da prática clínica diária de oncologia de radiação. Para evitar a natureza estocástica de um cálculo de Monte Carlo (MC) - conhecido por ser altamente preciso, mas computacionalmente caro e demorado - os físicos médicos recorreram aos chamados modelos semi-empíricos de kernel (SEM). Algoritmos de MC modificados, por exemplo, modificando o transporte de elétrons, limitando o rastreamento de eventos de baixa probabilidade ou implementando métodos de transporte baseados em voxels14 e aqueles baseados em técnicas de redução de variância15 existem em algumas rotinas clínicas16,17 e não serão discutidos aqui.

Ponto kernel18, feixe de lápis19,20,21, convolução de cone colapsado22 e convolução/superposição23,24 são os modelos normalmente implantados em sistemas de planejamento de tratamento clínico (TPS). As principais suposições decorrem do uso da teoria de espalhamento de pequeno ângulo de Fermi-Eyges25,26 para transferência radiativa, que afirma que (i) o espalhamento múltiplo de partículas carregadas envolve apenas variações muito pequenas na direção de propagação, (ii) os elétrons têm uma pequena ângulo de voo, ou seja, suas trajetórias estão contidas dentro de um cone, evitando que se desviem dos locais de produção, e (iii) todos os elétrons na profundidade x possuem uma energia pré-determinada E(x). Consequentemente, tais aproximações igualam incorretamente o comprimento do caminho da partícula à sua profundidade, ignoram efeitos dispersos, perda catastrófica de energia e desvio de grande ângulo. Em 1981, Hogstrom et al.27 propuseram a primeira adaptação dessa teoria para feixes de elétrons (transporte desacoplado). Por causa da dependência de profundidade do kernel predeterminado, o modelo só pode dar conta de heterogeneidades estratificadas28. O último está sendo aproximado por um redimensionamento de núcleos difusos. Este modelo de feixe de lápis foi generalizado 13 anos depois por Gustafsson29 e Ulmer30 para feixes de fótons. Desde o início, esses estudos relataram falhas consideráveis, variando de casos de heterogeneidades simples a configurações complexas. Fatores de correção e melhorias SEM — por exemplo, Jette e Bielajew teoria de dispersão múltipla de segunda ordem31, Storchi e Huizenga ingrediente de poder de parada angular32, Bruinvis et al. modelo disperso33, algoritmo de redefinição de Shiu e Hogstrom34, Yu et al. modelo multiray35, Ahnesjö et al. (feixes de fótons)21 e Knoos et al. (feixes de elétrons)36 correções de heterogeneidade parcial, Ulmer et al. dimensionamento lateral37, ou modelos de construção de Tillikainen et al.38 - eram necessários, mas não impediram que erros típicos de \(22\%\) (após uma perturbação de densidade)39 ou \(40\%\) (quase heterogeneidades)40 voltassem a ocorrer . Hensel et al.28 explicam que o problema é que a hipótese de espalhamento múltiplo de Fermi-Eyges é conhecida como verdadeira em astrofísica, mas não pode ser verdadeira para tecidos humanos. Em outras palavras, mesmo que os espalhamentos elásticos de Mott e inelásticos de Møller e Bhabha tenham um pico frontal, o efeito cumulativo de múltiplos espalhamentos resulta em uma considerável mudança de ângulo para a qual a teoria de Fermi-Eyges não foi desenvolvida. Os médicos estão cientes dessas limitações41,42,43.