در پروتون درمانی، به عنوان یک روش درمانی موثر و کارآمد، بررسی رفتار پروتون های فرودی در ماده و رسم منحنی براگ، که برآیندی از سه فرایند توقف، پراکندگی و برهم کنش های غیرکشسان هسته ای است، بسیار اهمیت دارد. بررسی این رفتار در رهیافت محاسباتی، به دو روش مونت کارلو و تحلیلی قابل دست یابی است. اگرچه در رهیافت تحلیلی، مدل های مناسبی برای دست یابی به منحنی براگ در محیط های همگن به طور دقیق معرفی شده است، با این حال این بررسی در حضور ناهمگنی مواد (که در بافت های بدن اجتناب ناپذیر است) با چالش مواجه است. برای مطالعه رفتار پروتون ها در محیط ناهمگن، بررسی سه عامل پراکندگی، کاهش انرژی و تغییر شار در مرز مواد (لایه ها) ضروری است. در پژوهش حاضر به مطالعه نحوه پراکندگی باریکه پروتونی فرودی به تیغه هایی از مواد با ضخامت ها و جنس های مختلف با استفاده از نظریه فرمی-ایجز پرداخته شده است. نتایج نشان داد علاوه بر عمق نفوذ، جنس ماده نیز در میزان پراکندگی تاثیر کلیدی دارد. بررسی های مربوط به ترتیب قرارگیری لایه ها و مطالعه مربوط به اثر انرژی نشان دهنده عدم تاثیر قابل توجه ترتیب قرارگیری مواد در مسیر پرتو در پراکندگی نهایی و هم چنین کاهش پراکندگی با افزایش انرژی باریکه بود. نتایج نشان داد این روش با تعیین پارامترهای مختلف و رسم نمودارهای فاز-فضا برای دست یابی به هدف موردنظر کارآمد بوده و نتایج به دست آمده برای حالت های نمونه حل شده، با انتظار ما از فیزیک مسیله هم خوانی دارد. به منظور اعتبارسنجی نتایج، مقادیر بیشینه زاویه پراکندگی محاسبه شده از روش تحلیلی با مقادیر مربوط به شبیه سازی با استفاده از کد مونت کارلوی MCNPX مقایسه گردید.

یکی از بهترین روش های درمان سرطان کبد پروتون درمانی است. در این تحقیق اجزای اصلی دستگاه پروتون درمانی با سیستم پراکندگی منفعل شامل چرخ تعدیل برد، پراکنده ساز شکل یافته و موازی سازها شبیه سازی شده است. سپس با شبیه سازی پروتون درمانی تومور کبد، مقدار دز جذبی پروتون در بافت سالم کبد و تومورها به دست آمده است. همچنین دز جذبی ناشی از نوترون ثانویه که خطر ابتلا به سرطان­های ثانویه را افزایش می­دهد، محاسبه شد. به این منظور، با استفاده از روش شبیه سازی مونت کارلو و کد MCNPX، فانتوم MIRD در مقابل خروجی دستگاه پروتون درمانی قرارگرفت و دز جذبی بافت سالم و سرطانی کبد محاسبه شد. در شبیه سازی برای درمان تومور در عمق 11 سانتی متر و با انرژی چشمۀ 200 مگاالکترون ولت، مقدار دز جذبی پروتون در ناحیۀ توموری Gy/particle 12-10×32/3 به دست آمده است،که حدود 26/7 برابر دز پروتون جذب شده در بافت سالم کبد است. این نسبت نشان می­دهد که تومور دز بالایی جذب می کند در حالی که بافت سالم کمترین دز را دریافت می کند. در ادامه، روند مشابهی جهت اندازه گیری دز جذبی، برای توموری در عمق6 سانتی متر از سطح کبد و با انرژی چشمۀ 180 مگاالکترون ولت انجام شد. طبق نتایج، دز جذب شده ناشی از پروتون در تومور با عمق 6 سانتی متر Gy/particle 12-10×94/1 محاسبه شد که 9 برابر دز جذب شده در بافت سالم کبد است. همچنین بیشترین دز نوترون جذب شده در بافت سالم کبد از مرتبۀ Sv 14-10 است که در مقابل اثرات درمانی پروتون درمانی، قابل صرف نظر کردن است.

در این مطالعه، ما از نرم افزار مبتنی بر روش مونت کارلو، GATE، برای مدل سازی سیستم پروتون درمانی اسکن نقطه ای (نازل اختصاصی اسکن نقطه ای SIEMENS IONTRIS) نصب شده در مرکز پروتون و یون سنگین درمانی شانگ های استفاده کردیم. در داخل نازل، جدا از پنجره های ورودی و خروجی و دو محفظه یونی، پرتو از خلا عبور می کند و به این صورت یک پرتو واگرا در خروجی نازل شکل می گیرد. ما توزیع های زاویه ای، فضایی و انرژی فضای فاز پرتو را در خروجی نازل با یک توزیع گوسی کنترل می کنیم که توسط هشت پارامتر وابسته به انرژی کنترل می شود. پارامترها از پروفایل های اندازه گیری شده و توزیع دز-عمق مشخص شده اند. اعتبارسنجی مدل پرتو با مقایسه توزیع دز نسبی اندازه گیری شده توسط گروه های دیگر و توزیع دز به دست آمده از شبیه سازی باGATE، با استفاده از مشخصات برنامه ریزی از دستگاه برای تعیین موقعیت و انرژی نقطه پرتو انجام شد. نتایج شبیه سازی مونت کارلو با اندازه گیری های منحنی دز عمق و طرح های گسترش قله براگ توافق خوبی را نشان داد. مقایسه مطلق اختلاف دز جذب شده بین مونت کارلو و اندازه گیری 1±,درصد بود. در این کار، روشی برای انطباق مدل شبیه سازی مونت کارلو برای یک سیستم پرتو پروتون اسکن نقطه ای شرح داده شد. توافق خوب بین اندازه گیری ها توسط گروه های دیگر و شبیه سازی این تحقیق نشان می دهد که مدل سازی مونت کارلو در این کار یک روش دقیق و معتبر است.

در این مقاله یک سیستم تصویرگیری دوربین کامپتون متشکل از چندین لایه آشکارساز پرا کننده از جنس سیلیم و یک لایه ی آشکارساز جاذب از نوع لوتسیم-ایتریم اکسی اورتوسیلیکات (LYSO)، طراحی و توسط کُد جیانت شبیه سازی شد. ابتدا با استفاده از یک چشمه ی نقطه ای گاما با انرژی های مختلف، کارایی و دقت سیستم برحسب تعداد آشکارسازهای پراکننده محاسبه و بهینه شد. پس از انتخاب بهترین چینش که شامل تعداد ده لایه آشکارساز پرا کننده بود، دو مجموعه ی مشابه از دوربین کامپتون، عمود بر باریکه ی پروتون و رو به روی هم در دو سمت فانتوم آب قرار داده شدند تا مکان گسیل گاما های آنی حاصل از برهم کنش هسته ای پروتون با فانتوم را تصویرگیری نمایند. برای تصویرگیری گاما، اطلاعاتی شامل انرژی های به جامانده از پدیده ی کامپتون در یکی از آشکارسازهای ده گانه ی سیلسیم و از پدیده ی فوتوالکتریک در آشکارساز جاذب و هم چنین مکان برهم کنش ها در قالب روت ثبت شد. سپس با استفاده از الگوریتم بازسازی تصویر دوربین کامپتون، در محیط نرم افزار متلب، نمایه ی مکانی تولید گاماها به دست آمد. مقایسه ی توزیع گاما با توزیع دز نشان داد که مجموعه ی دوربین کامپتون می تواند در ارزیابی بُرد باریکه ی پروتون درحین پروتون درمانی، از طریق آشکارسازی گاماهای آنی، با خطای کم تر از mm 7 مورد استفاده قرار گیرد.

پروتون درمانی به عنوان یک روش پرتودرمانی نوین و با پوشش بهتر هدف در مقایسه با روش های معمول شناخته می شود. در مطالعه حاضر، یک مدل کامل مونت کارلوی GATE توسعه داده شده و سپس برای یک نازل پروتون با پراکندگی دوگانه اعتبارسنجی خواهد شد. به همین منظور، یک نازل درمانی با پراکندگی دوگانه در بسته شبیه ساز GATE مدل سازی شد. همواری و تقارن باریکه پروتونی، دز مؤثر نوترون های ثانویه و عملکرد دزیمتری ارزیابی و مشخص شدند. همواری باریکه پروتونی 6/98 % در لبه دریچه برای اندازه میدان 2cm 7×7 مشاهده شد. نتایج نشان داد اگرچه همواری باریکه در لبه میدان درمانی برای مدل بدون پراکنده ساز دوم اندکی تضعیف می شود، در حالی که برای مدل با پراکنده ساز دوم تقریباً ثابت می ماند. در مقایسه با مدل بدون پراکنده ساز دوم، مدل پراکندگی دوگانه منجر به 3/1 برابر افزایش دز نوترون برای نیکل به عنوان ماده بهینه برای کولیماتور/ دریچه خواهد شد. به علاوه، با استفاده از کدهای GATEو MCNPX، پهنای تعدیل شده باریکه cm 50/3 با لبه انتهایی در عمقی برابر با cm 86/7 در آب شکل گرفت. مدل GATE در توافق قابل قبولی با نتایج MCNPX بوده است. یافته ها نشان می دهند که مدل GATE توسعه داده شده منجر به شبیه سازی سریع و دقیق سامانه پروتون درمانی با پراکندگی غیرفعال می شود.

لطفا برای مشاهده چکیده به متن کامل (PDF) مراجعه فرمایید.