تعیین میزان انرژی ذخیره شده توسط پروتون های پر انرژی در تومورهای مغزی و انواع تومورهای موضعی و بررسی و مقایسه بازده درمانی آنها به همراه مطالعه مواد مختلف برای دیسک تعدیل گر انرژی

با وجود پیشرفت های زیاد در پرتو درمانی، اُفت نمایی فوتون های اولیه بواسطه ی ماهیت برهمکنش فوتون با ماده به عنوان اصلی ترین چالش باقی مانده است. فوتون ها برد خوش- تعریفی ندارند و دز آن ها به طور نمایی کاهش می-یابد، لذا، اندام های قبل و پس از ناحیه ی مورد نظر، دز قابل توجهی دریافت می کنند. امروزه، تکنیک های جدید بر پایه باریکه های ذرات باردار در بسیاری مراکز پرتو درمانی در سراسر جهان گسترش یافته اند. ذرات باردار در انتهای بردشان چگالی یونش بالایی دارند و بیشتر انرژی شان را در انتهای مسیر آزاد می کنند که به صورت قله ای با یک فرود نهایی شدید به نام قله ی برَگ ظاهر می شود. برتری های فیزیکی برای مقاصد درمانی، نظیر؛ برد خوش- تعریف، و فقدان دز خروجی، ذرات باردار را به ابزار بسیار خوبی برای انتقال دُز فیزیکی بیشتر به بافت سرطانی و در عین حال دز کمتر به بافت سالم اطراف، تبدیل کرده است. با اینهمه، مقداری دز ناخواسته ی ناشی از نوترون ها و فوتون های ثانویه، به نواحی دور از بافت هدف، دغدغه ای است که جای خود را دارد. در این مطالعه، در گام نخست با استفاده از کد مونت کارلوی mcnpx یک فانتوم بره ای سر انسان شبیه سازی گردید که توسط باریکه های مدادی پروتون، مطابق با یک تکنیک روبش باریکه مدادی (pbs) نوعی مورد تابش قرار گرفت. نوع و ترکیب بافت ها از icru46 و همچنین اطلاعات مورد نیاز از فانتوم مرد بزرگسال از سری خانواده mird-ornl برگرفته شده است. گستره انرژی مناسب برای باریکه های پروتونی به منظور ظهور قله های برگ در داخل بافت مغز تخمین زده شد. تفرق انرژی و یا تفرق برد و همچنین پراکندگی چندگانه نیز مطالعه شده است. انرژی بر جای گذاشته شده و دز جذبی در بافت های مختلف سر، بویژه درون مغز، ناشی از ذرات اولیه و همچنین فوتون ها و نوترون های ثانویه به همراه طیف انرژی آن ها محاسبه شد. میزان انرژی فرار کرده از سر توسط نوترون ها و فوتون های ثانویه نیز تعیین گردید. مشاهده شد که برای یک باریکه پروتونیِ mev 100، تقریباً 83 % از انرژی توسط مغز جذب می شود، و حدود 10 % انرژی فرودی به قسمت بالایی جمجمه منتقل می شود. برای یک نمایه تعدیل شده، بطور متوسط، حدود mev 6/85 (6/82 %) انرژی پروتون در حجم مغز برجای گذاشته می شود که از این میان mev 8/32 (32 %) به تومور منتقل می شود. نشان داده شد که نوترون های ثانویه از اهمیت بیشتری نسبت به فوتون های ثانویه در خارج ساختن انرژی از بافت مغز، برخوردار می باشند. برای باریکه های با انرژی بالا، میزان انرژی خارج شده توسط نوترون ها تقریباً 10 مرتبه بیشتر از فوتون ها است. برای باریکه mev 120 ، کل انرژی خارج شده از سر توسط فوتون ها و نوترون های ثانویه حدود 1 % تخمین زده شد. برای نمایه تعدیل شده، تولید فوتون و نوترون ثانویه به ترتیب 9/4 % و 3/7 % می باشد. برای این مورد، انرژی خروجی توسط نوترون ها 53/0 %، و توسط فوتون ها 19/0 % برآورد شد. در پروتون درمانی، یک قله برَگ پهن شده (sobp) برای ایجاد یک توزیع دز یکنواخت در حجم هدف بکار می رود. به منظور ایجاد sobp، چندین قله برَگ با بردهای مختلف، متناظر با انرژی هایِ ورودی متفاوت و با شدت-های (وزن های) معین ترکیب می شوند. در یک سامانه پراکندگی غیرفعال، باریکه معمولاً از یک سیکلوترون و با انرژی ثابت خارج می شود. یک sobp با یک چرخ تعدیل گر برد، که اساساً یک چرخ دوار متشکل از پره هایی با ضخامت-های مختلف است، و یا با استفاده از فیلترهای صلب ایجاد می شود .در این مطالعه، با استفاده از ابزار geant4 یک باریکه-خط پراکننده ی غیر فعال شبیه سازی شد. برخی از خصوصیات اولیه باریکه فرودی از طریق مقایسه با تجربه مورد آزمون قرار گرفت. یک "کلاس" تعدیل گر با قابلیت تغییر آسان به منظور ساخت هر چرخ تعدیل گر دلخواه با گستره تعدیل معین اعمال گردید. نتایج شبیه سازی و تجربی با یکدیگر مقایسه شد. چندین جابجاگر برد کمکی، مجموعه ای از قله های برَگ شبیه سازی شده را فراهم می آورند. سپس با بهره گیری از یک الگوریتم ریاضی، وزن هر قله برَگ منفرد، برای ایجاد یک توزیع دز هموار در عمق هدف (sobp)، محاسبه می شود. آنگاه چرخ تعدیل گر مورد نظر در تجربه و شبیه سازی ساخته و مقایسه نتایج انجام گردید. همچنین توزیع انرژی و شار باریکه به همراه انتقال انرژی خطی (let) به صورت تابعی از عمق نفوذ بدست آمد. سهم هر کدام از مولفه های باریکه-خط در تولید فوتون ها و نوترون های ثانویه بررسی گردید. نشان داده شد که 6/99 درصد از پروتون ها از مسیرشان پیش از رسیدن به حجم هدف، حذف می شوند، و حدود 5 درصد تحت تاثیر برهمکنش های هسته ای با مولفه های باریکه-خط واقع می شوند. باریکه های پروتون لیزری، تولید شده توسط برهمکنش های لیزرهای پرتوان با هدف های جامد، نیز در این رساله مورد بررسی واقع شد. این تکنیک یکی از حوزه های جالب توجه در میان تکنیک های جدید شتابدهی می باشد. باریکه-های حاصل به این طریق، می توانند تا چند صد میلیون الکترون ولت شتاب داده شوند و بنابراین یکی از نخستین نامزدها برای کاربردهای پزشکی آتی هستند. در چارچوب پروژه الیمِد(elimed)، یک مولفه ی کلیدی سامانه انتقال باریکه، یعنی یک سامانه گزینش انرژی (ess)، بر پایه دوقطبی های مغناطیسی دایمی طراحی گردید که قابلیت گزینش انرژی مناسب در یک پیکربندی باریکه پروتون لیزری را دارد. شبیه سازی مونت کارلو با استفاده از ابزار geant4 انجام پذیرفت و چندین آزمون تجربی اولیه برای بررسی عملکرد این ابزار صورت گرفت. کد توسعه داده شده به این منظور، امکان انتخاب ماده و ضخامت مناسب برای همسوساز میانی، به منظور کمینه ساختن تولید ذرات ثانویه و همچنین برآوردهای ضروری حفاظت در برابر پرتو، برای طراحی عناصر حفاظتی مناسب را در اختیار قرار می-دهد. مواد مختلف برای همسوساز میانی در نظر گرفته شد و بر پایه نتایج حاصل؛ آلومینیم و برنج گزینه های مناسبی از منظر تولید نوترون های ثانویه می باشند و همچنین طبق انتظار، مواد با عدد اتمی بالا، نظیر تنگستن و سرب، بهره فوتونی را پس از سامانه گزینش کمینه می سازند.