Abstract Radiosensitization using high atomic number nanoparticles (NPs) has been shown to be an effective method to enhance radiotherapy efficiency. The pathways by which NPs cause sensitization, are generally categorized as physical, chemical and biological effects. Specifically in the case of keV photon radiotherapy where the contribution of physical effects in radiosensitization mechanism is considerable, Monte Carlo (MC) simulations have been an efficient tool to predict the radioenhancement level and to calculate dose enhancement factor (DEF). To-date, several analytical, simulational and experimental studies have reported the radiosensitization effect of gold nanoparticles (GNPs) in various brachytherapy situations. In this work we report for the first time, the DEFs achievable in intraoperative radiotherapy through use of the Intrabeam system and its spherical applicators with addition of GNPs. The MCNPX Monte Carlo code was used for radiation transport and dose calculations. The results of macroscopic and microscopic analysis show that for the Intrabeam system and a homogeneous distribution of 50 nm diameter GNPs, respective DEFs of up to some 1.5, 2, 2.5 and 3 in the tumour bed can be achieved with 5, 10, 15 and 20 mg/g concentrations. Due to rapid change in electron spectra, DEFs greater than 1 mm separation from the applicator surface decrease with distance, offering an additional advantage.

中文翻译：

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使用蒙特卡罗模拟使用 Intrabeam 系统对金纳米颗粒辅助术中放疗进行剂量学评估

摘要 使用高原子序数纳米粒子 (NPs) 的放射增敏已被证明是提高放射治疗效率的有效方法。NPs 引起致敏的途径通常分为物理、化学和生物效应。特别是在 keV 光子放射治疗的情况下，物理效应对放射增敏机制的贡献相当大，蒙特卡罗 (MC) 模拟已成为预测放射增强水平和计算剂量增强因子 (DEF) 的有效工具。迄今为止，多项分析、模拟和实验研究报告了金纳米粒子 (GNP) 在各种近距离放射治疗情况下的放射增敏作用。在这项工作中，我们首次报道，通过使用 Intrabeam 系统及其添加 GNP 的球形施药器，可在术中放疗中实现 DEF。MCNPX Monte Carlo 代码用于辐射传输和剂量计算。宏观和微观分析结果表明，对于 Intrabeam 系统和 50 nm 直径 GNP 的均匀分布，肿瘤床中的各自 DEF 分别高达约 1.5、2、2.5 和 3，分别为 5、10、15 和 3 20 毫克/克浓度。由于电子光谱的快速变化，距离涂布器表面大于 1 毫米的 DEF 随着距离的增加而减少，从而提供了额外的优势。宏观和微观分析结果表明，对于 Intrabeam 系统和 50 nm 直径 GNP 的均匀分布，肿瘤床中的各自 DEF 分别高达约 1.5、2、2.5 和 3，分别为 5、10、15 和 3 20 毫克/克浓度。由于电子光谱的快速变化，距离涂布器表面大于 1 毫米的 DEF 随着距离的增加而减少，从而提供了额外的优势。宏观和微观分析结果表明，对于 Intrabeam 系统和 50 nm 直径 GNP 的均匀分布，肿瘤床中的各自 DEF 分别高达约 1.5、2、2.5 和 3，分别为 5、10、15 和 3 20 毫克/克浓度。由于电子光谱的快速变化，距离涂布器表面大于 1 毫米的 DEF 随着距离的增加而减少，从而提供了额外的优势。