2-2-انواع مختلف برهم کنش پروتون با ماده 24

2-2-1-تئوری توقف پروتون.. 25

2-2-2- تئوری پراکندگی پروتون.. 31

2-2-3-برهم کنش های هسته ای پروتون.. 37

2-2-4-توزیع دوز عمقی پروتون و پیک براگ… 41

2-3-مشخصات فیزیکی دوز پروتون جهت طراحی درمان. 43

2-4-تحویل پرتو با استفاده از سیستم پراکندگی کنش پذیر 44

2-4-1-روش های مدولاسیون برد پروتون.. 45

2-4-2-روش های پراکندگی پروتون.. 52

2-5-تحویل پرتو با استفاده از سیستم اسکن مغناطیسی.. 56

2-6-کمیت های فیزیکی پایه در پروتون تراپی.. 59

2-6-1-سینماتیک پروتون.. 59

2-6-2-ارتباط بین آهنگ دوز و جریان پرتو پروتون.. 60

2-7-اثرات زیستی پروتون . 62

فصل سوم مشخصات فیزیکی شتاب دهنده های پروتونی

3-1-مقدمه 65

3-2-سیکلوترون. 66

3-2-1-سیستم بسامد تابشی (RF) 67

3-2-2-میدان مغناطیسی.. 68

3-2-3-چشمۀ پروتونی.. 69

3-2-4-معرفی پارامترهای مرتبط با فرآیند درمان در پروتون تراپی برای یک سیکلوترون.. 70

3-2-5-معرفی پارامترهای توصیف کنندۀ مشخصات تعدادی از شتاب دهنده های سیکلوترونی.. 71

3-3-سینکروترون. 72

3-4-شتاب دهنده های خطی برپایۀ پروتون تراپی.. 74

3-5-سیکلوترون لابراتوار هاروارد (HCL) 74

3-5-1-مشخصات فنی سیکلوترون HCL. 75

3-5-2-سیستم شکل دهندۀ پرتو پروتونی برای HCL جهت درمان تومورهای چشمی.. 76

فصل چهارم شبیه سازی نازل و محاسبات دوزیمتری در پروتون تراپی تومورهای چشمی

4-1-مقدمه 78

4-2-استفاده از روش اسکن پرتو پروتون جهت تحویل دوز به تومور چشمی.. 78

4-2-1-بررسی اثر تعریف بافت تومور روی تخلیۀ دوز و پیک براگ… 81

4-2-2-نحوۀ محاسبۀ ضرایب وزنی بهینه، جهت ساختن SOBP در شبیه سازی درمان.. 83

4-2-2-1-محاسبۀ SOBP برای پروتون های تحویلی در روش اسکن پرتو. 85

4-3-شبیه سازی نازل HCL. 87

4-3-1-انرژی اولیۀ پرتو پروتون.. 89

4-3-2-کاهندۀ انرژی (انتقال دهندۀ برد) در نازل.. 91

4-3-3-صفحات آلومینیومی در نازل.. 92

4-3-4-طیف پرتو خروجی از نازل.. 94

4-3-5-محاسبات دوزیمتری در فانتوم چشم به کمک طیف خروجی از نازل.. 95

4-3-6-بررسی آهنگ دوز تحویلی به تومور چشم براساس جریان خروجی از شتاب دهنده 98

4-4-استفاده از روش انتقال دهندۀ بردجهت تحویل دوز به تومور چشمی.. 99

4-4-1-بررسی اثر تعریف بافت تومور روی تخلیۀ دوز و پیک براگ… 102

4-4-2-محاسبۀ SOBP برای پروتون های تحویلی در روش انتقال دهندۀ برد. 104

4-4-3-تعیین پارامترهای درمانی برای SOBP. 107

4-5-بررسی میزان نوترون های ثانویۀ تولید شده در نازل HCL. 108

4-6-نتیجه گیری.. 109

4-7-پیشنهادات.. 112

فهرست مراجع ……………………………………………………………………………………………………………………………………311

فهرست جدول ها

عنوان صفحه

فهرستی از مراکز پروتون تراپی [33] 23

برد پروتون متناظر با انرژی جنبشی ذرۀ فرودی [39] 29

درصد ذرات ثانویۀ تولید شده طی برخوردهای ناکشسان پروتون های 150MeV با هستۀ اتم اکسیژن [48] 38

جدول 3-1. بخشی از پارامترهای اصلی و توصیف کنندۀ مشخصات فیزیکی شتاب دهنده برای تعدادی از سیکلوترون ها در IBA، ACCEL و JINR LNP [105]……………………………………………………………………………………………………………………………………..74

جدول 4-1.عناصر سازندۀ ترکیبات به کار گرفته شده در فانتوم چشم در روش اسکن مغناطیسی پرتو [119]…………… 82

جدول 4-2.ضرایب وزنی بهینه کنندۀ پرتوهای تابیده شده به فانتوم چشم و آب جهت ساختن SOBP در روش اسکن پرتو ……………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………89

جدول 4-3.مشخصات کلی نازل شبیه سازی شده براساس نازل HCL……………………………………………………………………………….93

جدول 4-4.انرژی متوسط پرتو پروتون روی سطح خروجی لگزان به عنوان مادۀ کاهندۀ انرژی………………………………………..96

جدول 4-5.انرژی متوسط طیف نهایی پرتو پروتون پس از خروج از نازل………………………………………………………………………….99

جدول 4-6.ضرایب وزنی جهت بهینه سازی پیک های براگ اولیه متناظر با ضخامت های مختلف استوانۀ لگزان…………….102

ساختارهای داخلی چشم و ابعاد آن ها [104] 100

ترکیبات اصلی ساختارهای داخلی چشم، نسبت جرم اتمی و چگالی آن ها [104] 100

جدول 4-9.انرژی متوسط پروتون خروجی از انتقال دهندۀ برد متناظر با ضخامت های مختلف ستون آب…………………….106

ضرایب وزنی بهینه کنندۀ پیک های اولیه جهت ساختن SOBP یکنواخت… 105

تعیین پارامترهای درمانی برای SOBP ایجاد شده در روش اسکن پرتو. 107

تعیین پارامترهای درمانی برای SOBP ایجاد شده در روش انتقال دهندۀ برد. 107

فهرست شکل ها

عنوان صفحه

پرتودرمانی با شدت مدوله شده با استفاده از فوتون (IMRT) 9

مقایسۀ توزیع دوز بین روش درمانی IMRT در سمت چپ وIMPT در سمت راست… 10

افزایش دوز دریافتی توسط بافت سالم در ناحیۀ ابتدایی و انتهایی در فوتون تراپی در مقایسه با پروتون تراپی…. 10

نمودار توزیع دوز عمقی نسبی ذرات مختلف در فانتوم آب [4] 12

نمای کلی از یک سیستم پروتون تراپی برای تومورهای چشمی [13] 18

شکل 2-1.نمودار تغییرات توان توقف برحسب انرژی پروتون و الکترون فرودی برای مواد مختلف [38]…………………………27

شکل 2-2.نمودار تغییرات برد پروتون برحسب انرژی در مواد مختلف [39]…………………………………………………………………….28

شکل 2-3.نمودار دوز عمقی برای پرتو پروتون و پیک براگ و نمایش برد و پهن شدگی انرژی [4]………………………………..29

شکل 2-4.نمایش پاشیدگی برد براساس [38]………………………………………………………………………………………………………..30

شکل 2-5.پاشیدگی برد پروتون برحسب انرژی پرتو فرودی در مواد مختلف [40]…………………………………………………………30

نمای کلی از پراکندگی رادرفورد. 31

نمایش زاویۀ پراکندگی و میزان انرژی از دست رفته برای پروتون های MeV160 در مواد مختلف [39] 32

پراکندگی کولنی چندگانه برای پروتون ناشی از یک ورقۀ نازک… 33

بررسی دقت فرمول هایلند در مقایسه با اندازه گیری های تجربی برای زاویۀ پراکندگی پروتون [45] 34

نمودار شار پروتون برحسب انرژی جهت بررسی ضخامت های مختلف لگزان از 5 تا 9 سانتیمتر که به وسیلۀ کد MCNPX محاسبه شده است. 36

نمایی از یک سیستم شکل دهندۀ پرتو پروتون با استفاده از کاهش دهنده های دوتایی؛ در این سیستم S1 پراکنندۀ اول، RM مدولاتور برد، SS پراکنندۀ دوم، AP، موازی مخصوص بیمار و RC متعادل کنندۀ برد جهت هماهنگی برد پروتون با مرزهای انتهایی تومور با بافت سالم است. 36

نمایش سهم پروتون های اصلی و ثانویه در توزیع دوز کل در پیک براگ… 39

سطح مقطع برهم کنش ناکشسان برحسب برد پروتون فرودی [40] 39

احتمال رخ دادن برهم کنش ناکشسان برحسب برد پروتون فرودی با انرژی اولیۀ MeV 209 [40] 40

نمودار توزیع دوز برحسب عمق و پیک براگ و نمایش انباشت هسته ای [4] 40

نمایش سهم هر کدام از پدیده های فیزیکی در شکل گیری پیک براگ [4] 41

مجموعه ای از پیک براگ های اندازه گیری شده برای پروتون هایی با انرژی MeV 69 تا MeV 231. 42

شکل پیک براگ در صورت حضور (منحنی مشکی) و عدم حضور (نقطه چین) برهم کنش های هسته ای [51] 42

نمایش پارامترهای فیزیکی توصیف کنندۀ توزیع دوز SOBP [4] 44

نمایش توزیع دوز عرضی و پارامترهای فیزیکی توصیف کنندۀ آن [4] 44

SOBP با پهناهای مختلف وابسته به تعداد پیک براگ های به کار گرفته شده [4] 46

نمایش کلی از برهم نهی پیک براگ های بهینه شده با فاکتورهای وزنی و تشکیل SOBP. 46

نمونه هایی از انتقال دهنده های برد که جهت مدولاسیون در مسیر پرتو پروتون قرار داده می شوند. 48

نمونه ای از چرخ مدولاتور برد. 49

نمودار شار نوترون برحسب فاصلۀ عرضی از ایزوسنتر [57] 49

مقایسۀ شار نوترون تولید شده در صورت حضور و عدم حضور چرخ مدولاسیون برد [57] 50

نمایی از یک فیلتر شیاردار در جهت های مختصاتی مختلف در دستگاه دکارتی[69] 51

نمایش یک فیلتر مدوله کنندۀ برد زمانی که محور آن به اندازۀ θ درجه چرخش داشته باشد. 51

نمایی از یک سیستم پراکندگی ساده با یک پراکنندۀ مسطح.. 53

نمایی از سیستم پراکندگی دوگانه با استفاده از پراکنندۀ منحنی شکل.. 53

نمایی از یک پراکنندۀ منحنی شکل که ترکیبی از سرب و لگزان در کنار یک دیگر است. 54

نمایی از سیستم پراکندگی دوگانه با استفاده از پراکنندۀ دوحلقه ای.. 55

نمایش توزیع دوز ایجاد شده توسط هر بخش از پراکنندۀ دو حلقه ای و برهم نهی آن ها [81] 55

نمایی از سیستم پراکندگی دوگانه با استفاده از حلقه های مسدودکننده 56

توزیع دوز ایجاد شده توسط حلقه های مسدودکننده در سیستم پراکندگی دوگانه [82] 56

نمای کلی از سیستم شکل دهندۀ پرتو که در اصلاح رابطۀ آهنگ دوز ( معادلۀ (‏2‑34) ) به کار گرفته شده است. 61

به زمان حضور عمیق ترین پیک در مدولاسیون برد [4] 62

شکل 3-1. میانگین میدان مغناطیسی به صورت تابعی از شعاع مدار پروتون در سیکلوترون IBA (بالا) [103] و سیکلوترون PSI (پایین) [102] ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..69

شکل 3-2.شکل شماتیک از چشمۀ یونی مورد استفاده در یک سیکلوترون [4]………………………………………………………………70

بازده سیستم انتخاب انرژی مربوط به سیکلوترون IBA برحسب برد پروتون های ورودی به نازل [104] 71

نمای کلی از یک چرخه در سینکروترون که شامل تزریق پروتون های MeV 2 یا MeV 7، شتاب پروتون ها تا انرژی دلخواه در زمانی کمتر از 5/0 ثانیه، خروج آهستۀ پروتون های شتاب داده شده به خط پرتو در زمانی بین 5-5/0 ثانیه و در آخر کاهش سرعت و تخلیۀ پروتون های استفاده نشدۀ باقی مانده [4] 73

شکل 3-5.نمای کلی از نازل HCL که برای درمان تومورهای چشمی به کار گرفته شده است و به ترتیب شامل چرخ مدولاتور برد (K)، موازی ساز اول (F)، انتقال دهندۀ برد با ضخامت متغیر (L)، کاهندۀ انرژی با ضخامت ثابت (G)، موازی ساز دوم (H)، آشکارساز نظارت (B)، صفحات آشکارساز یونی (J)، محفظۀ خالی ©، موازی ساز مخروطی شکل (D) و موازی ساز مخصوص بیمار (E) می باشد [114]……………………………………………………………………………………………………………………………………….78

نمای کلی از فانتوم شبیه سازی شده و مورد استفاده در محاسبات دوزیمتری در روش اسکن مغناطیسی پرتو. 79

شکل 4-2. نمونه ای از پیک های براگ تشکیل شده در فانتوم چشم با ترکیبات واقعی تومور در روش اسکن پرتو………….80

شکل 4-3.توزیع دوز نسبی برحسب عمق برای پروتون MeV 32 و MeV 24 و مقایسۀ آن ها در دو فانتوم چشم با ترکیبات واقعی تومور (نقطه چین) و آب (منحنی مشکی)………………………………………………………………………………………………………81

شکل 4-4. منحنی ایزودوز نسبی مربوط به تابش پرتو پروتون با انرژی MeV 32 در فانتوم آب ( منحنی قرمز رنگ) و محیط چشمی (منحنی نقطه چین)…………………………………………………………………………………………………………………………………………82

نمایی از یک ماتریس به عنوان ماتریس توصیف کنندۀ پیک های براگ مشارکت کننده در تولید SOBP تعداد ستون ها بیانگر تعداد پیک ها و تعداد سطرها بیانگر تعداد وکسل ها است.. 83

تعیین درایۀ مربوط به بیشینه مقدار دوز برای هر پیک براگ ………………………………………………………………………….84

شکل 4-7. معادلۀ ماتریسی جهت محاسبۀ ضرایب وزنی در این شکل، ماتریس ها از چپ به راست به ترتیب برابر با ماتریس مربوط به پیک های براگ، ماتریس ضرایب وزنی و ماتریس مربوط به بخش مسطح SOBP می باشند. ماتریسی که دور آن خط کشیده شده، ماتریس مجهول مربوط به ضرایب وزنی است…………………………………………………………………………………………..84

شکل 4-8. SOBP حاصل از برهم نهی پیک های براگ بهینه شده داخل تومور در هر دو فانتوم منحنی مشکی مربوط به آب و منحنی نقطه چین مربوط به محیط چشمی است………………………………………………………………………………………………………….86

شکل 4-9. بررسی میزان یکنواختی توزیع دوز SOBP به دست آمده با ضرایب وزنی بهینه شده به کمک فانتوم آب در محیط چشمی با ترکیبات واقعی تومور (منحنی نقطه چین)………………………………………………………………………………………………….87

شکل 4-10.نمای کلی از نازل شبیه سازی شده با کد MCNPX به عنوان سیستم کنش پذیر جهت تحویل پرتو پروتون به تومور……………………………………………………………………………………………………….. . … … 88

شکل 4-11. توزیع دوز برحسب عمق برای پرتو پروتون تک انرژی MeV 159 در فانتوم سادۀ آب که بردی در حدود cm18 دارد………………………………………………………………………………………………… ………. … …… .90

شکل 4-12.توزیع دوز عرضی گاوسی شکل برای پرتو پروتون تک انرژی MeV 159 در فانتوم سادۀ آب…………………….90

شکل 4-13. منحنی ایزودوز برای پرتو پروتون تک انرژی MeV 159 در فانتوم سادۀ آب. همان طور که از شکل نیز مشخص است، جهت تابش پرتو موازی محور Y می باشد……………………………………………………………………………………………. ..90

شکل 4-14. شار پروتون برحسب انرژی روی سطح خروجی لگزان که از سمت راست به چپ به ترتیب متناظر با ضخامت های 3/9، 55/9 و 8/9 سانتیمتر برای استوانۀ لگزان می باشد……………………………………………………………………………………… …91

شکل 4-15.توزیع زاویه ای و میزان واگرایی پرتو پروتون بعد از عبور از لگزان روی سطح خروجی لگزان………………………92

شکل 4-16. مقایسۀ منحنی ایزودوز برای سطوح 56% و 89% در فانتوم آب در صورت حضور (منحنی قرمز) و عدم حضور (منحنی مشکی) صفحات آلومینیومی…………………………………………………………………………………………………………………………………….93

شکل 4-17. مقایسۀ توزیع دوز عرضی در بخش ورودی فانتوم آب در صورت حضور (منحنی قرمز) و عدم حضور (منحنی مشکی) صفحات آلومینیومی……………………………………………………………………………………………………………… …………… .93

شکل 4-18. شار پروتون برحسب انرژی روی سطح خروجی نازل، نمودارها از راست به چپ متناظر با استوانۀ لگزان به ضخامت های 3/9، 55/9 و 8/9 سانتیمتر می باشند………………………………………………………………………………………………………………..94

شکل 4-19. توزیع زاوبه ای و میزان واگرایی طیف پروتون روی سطح خروجی نازل و قبل از ورود به فانتوم متناظر با لگزان به ضخامت 55/9 سانتیمتر…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..95

شکل 4-20.نمایی از فانتوم مورد استفاده جهت انجام محاسبات دوزیمتری برای طیف خروجی از نازل……………………..96

شکل 4-21. توزیع دوز عمقی و پیک های براگ اولیه در فانتوم چشم محتوای آب ناشی از طیف های خروجی از نازل، از راست به چپ به ترتیب متناظر با ضخامت های 3/9، 55/9 و 8/9 سانتیمتر…………………………………………………………………………96

شکل 4-22. توزیع دوز عمقی با درنظرگرفتن وزن مناسب برای هر کدام از طیف های خروجی از نازل و SOBP حاصل از برهم نهی پیک های براگ بهینه شده با ضرایب وزنی…………………………………………………………………………………………………………….97

شکل 4-23. توزیع دوز عرضی بهینه شده با ضرایب وزنی. نقطۀ cm 4/0- در محور افقی نمودار، نقطۀ شروع فانتوم شبیه سازی شده است؛ از این رو دوز عرضی اندازه گیری شده نامتقارن دیده می شود…………………………………………………………98

شکل 4-24.سطح مقطع طولی مدل واقعی چشم برای شبیه سازی درمان در روش انتقال دهندۀ برد…………………………..99

شکل 4-25. توزیع دوز برحسب عمق و پیک های براگ اولیه در مدل واقعی چشم در روش انتقال دهندۀ برد پیک ها از راست به چپ به ترتیب متناظر با ضخامت های 3 تا 75/3 سانتیمتر ستون آب می باشند…………………………………………………..102