Enhancing X-ray Therapy: A Monte Carlo Study of Bismuth Sulfide Nanomaterials

Abstract

Це дослідження проводить числове моделювання променевої терапії мозку з глибоко розташованою пухлиною в її центрі за допомогою програми моделювання Монте-Карло Geant4. Основною метою є аналіз впливу наноматеріалів (НМ), що вводяться в пухлину, на дозу та кількість випромінювання, що поглинається пухлиною. Ми створили сферичну пухлину діаметром 1,5 см посередині голови дорослої людини, враховуючи її хімічний склад та пропорції. Нас цікавить вивчення впливу додавання біонаноматеріалів, таких як наночастинки золота (AuNP), оксид гафнію (HfO2), оксид церію (CeO2), оксид танталу (Ta2O5) та сірка вісмуту (Bi2S3), до кількості, що поглинається під час зовнішнього опромінення на довжині хвилі енергії від 10 кеВ до 200 кеВ. Результати дослідження показують, що покращення поглинальної дози на 5,5 раза досягається при низькій концентрації 2 % наночастинок Bi2S3 всередині пухлини, майже в чотири рази при використанні наночастинок CeO2 та трохи більше ніж у три рази при використанні AuNPs. Згідно з нашими результатами, Bi2S3 та CeO2 забезпечують більше покращення в радіотерапії, ніж найвідоміші матеріали в літературі, такі як AuNPs.This study performs a numerical simulation of brain radiation therapy with a deep tumour at its centre using the Monte Carlo simulation program Geant4. The primary goal is to analyze the effect of nanomaterials (NMs) injected into the tumour on the dose and amount of radiation absorbed by the tumour. We built a spherical tumour measuring 1.5 cm in diameter in the middle of an adult human head while considering their chemical compositions and proportions. We are interested in studying the effects of adding bionanomaterials such as Gold nanoparticles (AuNP), hafnium oxide (HfO2), cerium oxide (CeO2), tantalum oxide (Ta2O5) and bismuth sulfur (Bi2S3) to the amount absorbed during an external exposure at a wavelength of energy ranging from 10 keV to 200 keV. The findings demonstrate that an absorbable dose improvement of 5.5 is obtained with a low concentration of 2% Bi2S3 nanoparticles inside the tumour, nearly four times with CeO2 nanoparticles and slightly more than three times with AuNPs. According to our results, Bi2S3 and CeO2 provide more enhancement in Radiotherapy than the most well-known materials in the literature, such as AuNPs.