[論文レビュー] The effect of non-ionizing excitations on the diffusion of ion species and inter-track correlations in FLASH ultra-high dose rate radiotherapy

Ramin Abolfath, Alex Baikalov+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2022

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 26被引用数 26

ひとこと要約

本論文は、FLASH超高線量率（UHDR）線放療における微視的メカニズムを提案する。非イオン化励起状態（NIS）が量子化された音響フォノンを通じて熱エネルギーを冷たいイオン種（IS）に転送し、フェムト秒スケールの外部へのISの噴出を引き起こす。これにより、拡散定数とトラック間相関が著しく向上し、現在のモンテカルロコードがトラック間反応を低く見積もっており、観察されたFLASH効果を予測できない理由が説明できる。

ABSTRACT

We present a microscopic mechanism that accounts for the outward burst of "cold" ion species (IS) in a high-energy particle track due to coupling with ''hot" non-ion species (NIS). IS refers to radiolysis products of ionized molecules, whereas NIS refers to non-ionized excitations of molecules in a medium. The interaction is mediated by a quantized field of acoustic phonons, a channel that allows conversion of thermal energy of NIS to kinetic energy of IS, a flow of heat from the outer to the inner core of the track structure. We demonstrate the coexistence of "hot" NIS with "cold" IS in the radiation track structures right after their generation. NIS, concentrated within nano-scales volumes wrapping around IS, are the main source of intensive heat-waves and the outward burst of IS due to femto-second time scale IS-NIS coupling. By comparing the transport of IS coupled to NIS with identical configurations of non-interacting IS in thermal equilibrium at room temperature, we demonstrate that the energy gain of IS due to the surrounding hot nanoscopic volumes of NIS significantly increases their effective diffusion constants. The much higher diffusion constants predicted in the present model suggest higher inter-track chemical reaction rates at FLASH-UHDR, as well as lower intra-track reaction rates.

研究の動機と目的

• FLASH UHDR線放療におけるトラック間相関の増強の物理的起源を説明すること。
• 現在のモンテカルロコードが観察された生物学的保護効果を予測できない理由を解明すること。
• 非イオン化励起状態（NIS）がイオン種（IS）の拡散およびトラック構造ダイナミクスに与える影響を定量化すること。
• NISからISへの不可逆的熱移動を駆動する、第一原理的なメカニズムを提供すること。
• 既存のMCシミュレーションフレームワークにIS-NIS結合を統合するよう提言し、正確なFLASHモデリングを実現すること。

提案手法

• アトセカンドスケールで段階的なモンテカルロシミュレーションを実施し、ISおよびNISの空間的位置とエネルギー損失をスコアする。
• MCトラックシミュレーションから得た温度プロファイルを、ラザフォード散乱式を用いた解析的に検証する。
• 温度プロファイルを境界条件として用いたマルチスケール分子動力学（MD）シミュレーションを実施し、急激なトラック拡張をモデル化する。
• 第一原理MDから得た確率的粗粒度ランジュバン運動方程式を導出し、音響フォノンを介したNISからISへの不可逆的エネルギー移動を記述する。
• MDシミュレーションで古典的レナードジョーンズポテンシャルを用いて結果を検証する。
• 非平衡エネルギー移動の影響を分離するために、NIS結合有無におけるIS拡散を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非イオン化励起状態（NIS）は、超高線量率における放射線トラック内でのイオン種（IS）の拡散にどのように影響を与えるか？
• RQ2 水の放射線分解において、音響フォノンが高温のNISから低温のISへのエネルギー移動をどのように媒介するか？
• RQ3 なぜ現在のモンテカルロコードは、FLASH-UHDR実験におけるトラック間相関を予測できないのか？
• RQ4 NIS誘発エネルギー移動は、室温拡散と比較してISの有効拡散定数にどのように影響を与えるか？
• RQ5 IS-NIS結合は、FLASH-UHDRにおけるトラック間化学反応速度をどの程度向上させるか？

主な発見

• 放射線トラック形成直後から、高温のNISと低温のISが共存しており、NISはISを取り巻くナノスケールの体積に集中している。
• NISとISの非平衡的結合により、フェムト秒スケールのISの噴出が発生し、室温値を著しく上回る有効拡散定数が生じる。
• 10 Gyの線量と40 Gy/sの線量率において、本モデルは現在のMCコードよりも大きなトラック拡張と強いトラック間相関を予測し、最近のROS集積およびNROS生成に関する仮説と整合する。
• NISからISへのエネルギー移動は内部的熱流として作用し、フォノン媒介結合を通じてISの不可逆的運動エネルギー増加を引き起こす。
• 従来のMCシミュレーションが、固定された室温拡散定数を用いていたため、トラック間重なりを低く見積もっていた理由が本モデルで説明できる。
• 著者らは、Geant4、TOPAS-nBio、PARTRACなどの主要MCコードにIS-NIS結合およびトラック内温度プロファイルを統合するよう提言し、FLASH-UHDRにおける反応拡散を正確にモデリングすることを目的とする。