فروشگاه اینترنتی فایل ها این وبلاگ در زمینه فروش انواع مختلف فایل های آموزشی تحصیلی و دانشگاهی فعالیت می نماید

طراحی چشمه پروتون جهت درمان تومورهای چشمی و محاسبات دوزیمتری با استفاده از کد MCNP

چکيده

در این پایان‌نامه، شبیه‌سازی درمان ملانومای چشم با استفاده از پرتو پروتون، به‌عنوان یک روش درمانی مطلوب بررسی شده است؛ به‌همین منظور ابتدا با استفاده از پرتوهای تک انرژی پروتون، محدودۀ انرژی مورد نیاز جهت درمان یک تومور چشمی محاسبه شده و با توجه به نتایج محاسبات دوزیمتری، به نحوۀ ساختن SOBP به روش ماتریسی پرداخته شده است؛ سپس شبیه‌سازی و تحلیل یک نازل پروتونی، جهت آماده‌سازی پرتو اولیه با انرژی بالا و انجام محاسبات دوزیمتری و ایجاد SOBP به‌منظور تولید دوز یکنواخت در منطقۀ تومور، در دو جهت عمقی و عرضی انجام گرفته است. برای داشتن شرایط بهینه در درمان در روش سوم، با استفاده از انتقال‌دهندۀ برد و با پرتوهایی با انرژی اولیۀ پایین، به شبیه‌سازی پیش از درمان پرداخته شده است. همچنین اثر تعریف محیط واقعی بافت چشم بر روی محاسبات دوزیمتری و نحوۀ طراحی خط پرتو مطالعه شده است. طبق نتایج به دست آمده، اختلاف بیشینه دوز در بافت واقعی نسبت به تعریف آب به‌عنوان مادۀ معادل چشم در روش اسکن پرتو به‌عنوان یک روش ایده‌آل از حدود 15% تا 31% و در روش انتقال‌دهندۀ برد از 12% تا 15% می‌باشد. انتقال پیک براگ در عمق نیز در آب نسبت به بافت واقعی تنها حدود mm2/0 می‌باشد که در قیاس با عدم‌قطعیت موجود در سیستم پروتون‌تراپی قابل چشم‌پوشی است. به‌علاوه اختلاف ضرایب وزنی بهینه‌کنندۀ پیک‌های براگ در بافت واقعی نسبت به آب، در روش اسکن پرتو از حدود 1% تا 18% و در روش انتقال‌دهندۀ برد تا حدود 7% می‌باشد. میزان اختلاف‌ها در نتایج، با تغییر روش تحویل پرتو و با روش‌های کنش‌پذیر کاهش می‌یابد و از آنجایی که در سیستم‌های پروتون‌تراپی از روش دوم برای درمان تومورهای چشمی استفاده می‌شود، تفاوت‌ها قابل صرف‌نظر است. مطابق با نتایج این رساله می‌توان گفت که استفاده از فانتوم آب، دقت کافی جهت انجام طراحی پیش از درمان را دارا است.

کليد واژه:پروتون‌تراپی، ملانومای چشم، پیک براگ، SOBP، ضرایب وزنی.

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فصل اول تومورها و روش‌های مختلف درمان با پرتو

1-1-تعریف تومور و انواع آن. 2

1-2-پرتودرمانی........3

1-2-1-مزایای پرتودرمانی.....3

1-2-2-فرآیند کلی پرتودرمانی 4

1-2-3-انواع پرتودرمانی............. 4

1-3-مقایسۀ فوتون‌تراپی و پروتون‌تراپی.. 8

1-4-توزیع دوز برحسب عمق برای ذرات مختلف.. 11

1-5-تومورهای چشم 12

1-5-1-ملانوما....13

1-5-2-روش‌های مختلف درمان تومورهای چشمی.. 14

فصل دوم مشخصات فیزیکی و زیستی پروتون‌ها و روش به‌کارگیری آن‌ها در پروتون‌تراپی

2-1-تاریخچۀ پروتون‌تراپی.. 21

2-2-انواع مختلف برهم‌کنش پروتون با ماده24

2-2-1-تئوری توقف پروتون.. 25

2-2-2- تئوری پراکندگی پروتون.. 31

2-2-3-برهم‌کنش‌های هسته‌ای 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 کنش‌پذیر44

2-4-1-روش‌های مدولاسیون برد پروتون.. 45

2-4-2-روش‌های پراکندگی پروتون.. 52

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

2-6-کمیت‌های فیزیکی پایه در پروتون‌تراپی.. 59

2-6-1-سینماتیک پروتون.. 59

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

2-7-اثرات زیستی پروتون‌62

فصل سوم مشخصات فیزیکی شتاب‌دهنده‌های پروتونی

3-1-مقدمه65

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 پروتون‌تراپی برای یک سیکلوترون.. 70

3-2-5-معرفی پارامترهای توصیف‌کنندۀ مشخصات تعدادی از شتاب‌دهنده‌های سیکلوترونی.. 71

3-3-سینکروترون. 72

3-4-شتاب‌دهنده‌های خطی برپایۀ پروتون‌تراپی.. 74

3-5-سیکلوترون لابراتوار هاروارد (HCL)74

3-5-1-مشخصات فنی سیکلوترون HCL. 75

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

فصل چهارم شبیه‌سازی نازل و محاسبات دوزیمتری در پروتون‌تراپی تومورهای چشمی

4-1-مقدمه78

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 شبیه‌سازی درمان.. 83

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

4-3-شبیه‌سازی نازل HCL. 87

4-3-1-انرژی اولیۀ پرتو پروتون.. 89

4-3-2-کاهندۀ انرژی (انتقال‌دهندۀ 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 شتاب‌دهنده98

4-4-استفاده از روش انتقال‌دهندۀ 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 پروتون‌های تحویلی در روش انتقال‌دهندۀ برد. 104

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

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

4-6-نتیجه‌گیری.. 109

4-7-پیشنهادات.. 112

فهرست مراجع ......................................................................................................................................................311

فهرست جدول‌ها

عنوان صفحه

جدول ‏2‑1. فهرستی از مراکز پروتون‌تراپی [33]23

جدول 2‑‏2. برد پروتون متناظر با انرژی جنبشی ذرۀ فرودی [39]29

جدول ‏2‑3. درصد ذرات ثانویۀ تولید شده طی برخوردهای ناکشسان پروتون‌های 150MeV با هستۀ اتم اکسیژن [48]38

جدول 3-1.بخشی از پارامترهای اصلی و توصیف‌کنندۀ مشخصات فیزیکی شتاب‌دهنده برای تعدادی از سیکلوترون‌ها در IBA، ACCEL و JINR LNP [105]........................................................................................................................................................74

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

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

جدول 4-3. مشخصات کلی نازل شبیه‌سازی شده براساس نازل HCL...........................................................................................93

جدول 4-4. انرژی متوسط پرتو پروتون روی سطح خروجی لگزان به‌عنوان 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 بهینه‌سازی پیک‌های براگ‌ اولیه متناظر با ضخامت‌های مختلف استوانۀ لگزان................102

جدول ‏4‑7. ساختارهای داخلی چشم و ابعاد آن‌ها [104]100

جدول ‏4‑8. ترکیبات اصلی ساختارهای داخلی چشم، نسبت جرم اتمی و چگالی آن‌ها [104]100

جدول 4-9.انرژی متوسط پروتون خروجی از انتقال‌دهندۀ برد متناظر با ضخامت‌های مختلف ستون آب.........................106

جدول ‏4‑10. ضرایب وزنی بهینه کنندۀ پیک‌های اولیه جهت ساختن SOBP یکنواخت... 105

جدول ‏4‑11. تعیین پارامترهای درمانی برای SOBP ایجاد شده در روش اسکن پرتو. 107

جدول ‏4‑12. تعیین پارامترهای درمانی برای SOBP ایجاد شده در روش انتقال دهندۀ برد. 107

 

فهرست شکل‌‌ها

عنوان صفحه

شکل 1-1. پرتودرمانی با شدت مدوله شده با استفاده از فوتون (IMRT)9

شکل 1-2. مقایسۀ توزیع دوز بین روش درمانی IMRTدر سمت چپ وIMPT در سمت راست... 10

شکل 1-3. افزایش دوز دریافتی توسط بافت سالم در ناحیۀ ابتدایی و انتهایی در فوتون‌تراپی در مقایسه با پروتون‌تراپی.... 10

شکل 1-4. نمودار توزیع دوز عمقی نسبی ذرات مختلف در فانتوم آب [4]12

شکل 1-5. نمای کلی از یک سیستم پروتون‌تراپی 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 پهن‌شدگی 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

شکل 2-6. نمای کلی از پراکندگی رادرفورد. 31

شکل 2-7. نمایش زاویۀ پراکندگی و میزان انرژی از دست رفته برای پروتون‌های MeV160 در مواد مختلف [39]32

شکل 2-8. پراکندگی کولنی چندگانه برای پروتون ناشی از یک ورقۀ نازک... 33

شکل 2-9. بررسی دقت فرمول هایلند در مقایسه با اندازه‌گیری‌های تجربی برای زاویۀ پراکندگی پروتون [45]34

شکل 2-10.نمودار شار پروتون برحسب انرژی جهت بررسی ضخامت‌های مختلف لگزان از 5 تا 9 سانتیمتر که به‌وسیلۀ کد MCNPX محاسبه شده است.36

شکل 2-11. نمایی از یک سیستم شکل‌دهندۀ پرتو پروتون با استفاده از کاهش‌دهنده‌های 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

شکل 2-12. نمایش سهم پروتون‌های اصلی و ثانویه در توزیع دوز کل در پیک براگ... 39

شکل 2-13. سطح مقطع برهم‌کنش ناکشسان برحسب برد پروتون فرودی [40]39

شکل 2-14. احتمال رخ دادن برهم‌کنش ناکشسان برحسب برد پروتون فرودی با انرژی اولیۀ MeV 209 [40]40

شکل 2-15. نمودار توزیع دوز برحسب عمق و پیک براگ و نمایش انباشت هسته‌ای [4]40

شکل 2-16. نمایش سهم هر کدام از پدیده‌های فیزیکی در شکل‌گیری پیک براگ [4]41

شکل 2-17. مجموعه ای از پیک براگ‌های اندازه‌گیری شده برای پروتون‌هایی با انرژی MeV 69 تا MeV 231. 42

شکل 2-18. شکل پیک براگ در صورت حضور (منحنی مشکی) و عدم حضور (نقطه‌چین) برهم‌کنش‌های هسته‌ای [51]42

شکل 2-19. نمایش پارامترهای فیزیکی توصیف‌کنندۀ توزیع دوز SOBP [4]44

شکل 2-20. نمایش توزیع دوز عرضی و پارامترهای فیزیکی توصیف‌کنندۀ آن [4]44

شکل 2-21.SOBP با پهناهای مختلف وابسته به تعداد پیک براگ‌های به‌کار گرفته شده [4]46

شکل 2-22. نمایش کلی از برهم‌نهی پیک براگ‌های بهینه شده با فاکتورهای وزنی و تشکیل SOBP. 46

شکل 2-23. نمونه‌هایی از انتقال‌دهنده‌های برد که جهت مدولاسیون در مسیر پرتو پروتون قرار داده می‌شوند.48

شکل 2-24. نمونه‌ای از چرخ مدولاتور برد. 49

شکل 2-25. نمودار شار نوترون برحسب فاصلۀ عرضی از ایزوسنتر [57]49

شکل 2-26. مقایسۀ شار نوترون تولید شده در صورت حضور و عدم حضور چرخ مدولاسیون برد [57]50

شکل 2-27. نمایی از یک فیلتر شیاردار در جهت‌های مختصاتی مختلف در دستگاه دکارتی[69]51

شکل 2-28. نمایش یک فیلتر مدوله کنندۀ برد زمانی که محور آن به اندازۀ θ درجه چرخش داشته باشد.51

شکل 2-29. نمایی از یک سیستم پراکندگی ساده با یک پراکنندۀ مسطح.. 53

شکل 2-30. نمایی از سیستم پراکندگی دوگانه با استفاده از پراکنندۀ منحنی‌شکل.. 53

شکل 2-31. نمایی از یک پراکنندۀ منحنی‌شکل که ترکیبی از سرب و لگزان در کنار یک‌دیگر است.54

شکل 2-32. نمایی از سیستم پراکندگی دوگانه با استفاده از پراکنندۀ دوحلقه‌ای.. 55

شکل 2-33. نمایش توزیع دوز ایجاد شده توسط هر بخش از پراکنندۀ دو حلقه‌ای و برهم‌نهی آن‌ها [81]55

شکل 2-34. نمایی از سیستم پراکندگی دوگانه با استفاده از حلقه‌های مسدودکننده56

شکل 2-35. توزیع دوز ایجاد شده توسط حلقه‌های مسدودکننده در سیستم پراکندگی دوگانه [82]56

شکل 2-36. نمای کلی از سیستم شکل‌دهندۀ پرتو که در اصلاح رابطۀ آهنگ دوز ( معادلۀ (‏2‑34) ) به‌کار گرفته شده است.61

شکل 2-37. نمایش وابستگی f_MOD به زمان حضور عمیق ترین پیک در مدولاسیون برد [4]62

شکل 3-1. میانگین میدان مغناطیسی به‌صورت 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

شکل 3-3. بازده سیستم انتخاب انرژی مربوط به سیکلوترون IBA برحسب برد پروتون‌های ورودی به نازل [104]71

شکل 3-4. نمای کلی از یک چرخه در سینکروترون که شامل تزریق پروتون‌های MeV 2 یا MeV 7، شتاب پروتون‌ها تا انرژی دلخواه در زمانی کمتر از 5/0 ثانیه، خروج آهستۀ پروتون‌های شتاب داده شده به خط پرتو در زمانی بین 5-5/0 ثانیه و در آخر کاهش سرعت و تخلیۀ پروتون‌های استفاده نشدۀ باقی‌مانده [4]73

شکل 3-5.نمای کلی از نازل HCL که برای درمان تومورهای چشمی به‌کار گرفته شده است و به‌ترتیب شامل چرخ مدولاتور برد (K)، موازی‌ساز اول (F)، انتقال‌دهندۀ برد با ضخامت متغیر (L)، کاهندۀ انرژی با ضخامت ثابت (G)، موازی‌ساز دوم (H)، آشکارساز نظارت (B)، صفحات آشکارساز یونی (J)، محفظۀ خالی (C)، موازی‌ساز مخروطی شکل (D) و موازی‌ساز مخصوص بیمار (E) می‌باشد [114]..........................................................................................................................................................78

شکل 4-1. نمای کلی از فانتوم شبیه‌سازی شده و مورد استفاده در محاسبات دوزیمتری در روش اسکن مغناطیسی پرتو. 79

شکل 4-2. نمونه‌ای از پیک‌های 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 آن‌ها در دو فانتوم چشم با ترکیبات واقعی تومور (نقطه‌چین) 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 نقطه‌چین)............................................................................................................................................................82

شکل 4-5. نمایی از یک ماتریس به‌عنوان ماتریس توصیف‌کنندۀ پیک‌های براگ مشارکت‌کننده در تولید SOBP تعداد ستون‌ها بیانگر تعداد پیک‌ها و تعداد سطرها بیانگر تعداد وکسل‌ها است..83

شکل 4-6. تعیین درایۀ مربوط به بیشینه مقدار دوز برای هر پیک براگ .....................................................................................84

شکل 4-7. معادلۀ ماتریسی جهت محاسبۀ ضرایب وزنی در این شکل، ماتریس‌ها از چپ به راست به‌ترتیب برابر با ماتریس مربوط به پیک‌های براگ، ماتریس ضرایب وزنی و ماتریس مربوط به بخش مسطح SOBP می‌باشند. ماتریسی که دور آن خط کشیده شده، ماتریس مجهول مربوط به ضرایب وزنی است........................................................................................................84

شکل 4-8. SOBP حاصل از برهم‌نهی پیک‌های براگ بهینه شده داخل تومور در هر دو فانتوم منحنی مشکی مربوط به آب و منحنی نقطه‌چین 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 نقطه‌چین)................................................................................................................87

شکل 4-10. نمای کلی از نازل شبیه‌سازی شده با کد MCNPX به‌عنوان سیستم کنش‌پذیر 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. همان‌طور که از شکل نیز مشخص است، جهت تابش پرتو موازی محور Y می‌باشد.......................................................................................................... ..90

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

شکل 4-15. توزیع زاویه‌ای 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 ضخامت‌های 3/9، 55/9 و 8/9 سانتیمتر می‌باشند................................................................................................................................94

شکل 4-19. توزیع زاوبه‌ای 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 پیک‌های براگ اولیه در فانتوم چشم محتوای آب ناشی از طیف‌های خروجی از نازل، از راست به چپ به‌ترتیب متناظر با ضخامت‌های 3/9، 55/9 و 8/9 سانتیمتر....................................................................................96

شکل 4-22. توزیع دوز عمقی با درنظرگرفتن وزن مناسب برای هر کدام از طیف‌های خروجی از نازل و SOBP حاصل از برهم‌نهی پیک‌های 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 شبیه‌سازی شده است؛ از این‌رو دوز عرضی اندازه‌گیری شده نامتقارن دیده می‌شود..................................................................98

شکل 4-24. سطح مقطع طولی مدل واقعی چشم برای شبیه‌سازی درمان در روش انتقال‌دهندۀ برد................................99

شکل 4-25. توزیع دوز برحسب عمق و پیک‌های براگ اولیه در مدل واقعی چشم در روش انتقال‌دهندۀ برد پیک‌ها از راست به چپ به‌ترتیب متناظر با ضخامت‌های 3 تا 75/3 سانتیمتر ستون آب می‌باشند...........................................................102

شکل 4-26. مقایسه‌ای بین توزیع دوز نسبی برحسب عمق و پیک‌های براگ‌ در دو فانتوم چشم با ترکیبات واقعی و آب از راست به چپ متناظر با ضخامت‌های 3، 35/3 و 65/3 سانتیمتر ستون آب.............................................................................103

شکل 4-27. مقایسه ای بین منحنی ایزودوز نسبی در فانتوم چشم با ترکیبات واقعی (نقطه‌چین) و آب (منحنی قرمز) مربوط به طیف پروتونی خروجی از ستون آب به ضخامت 3 سانتیمتر............................................................................................104

شکل 4-28. SOBP حاصل از برهم‌نهی پیک‌های براگ بهینه شده با ضرایب وزنی در هر دو فانتوم چشم با ترکیبات واقعی (نقطه‌چین) و آب (منحنی مشکی)..........................................................................................................................................................105

شکل 4-29. SOBP حاصل از اعمال فاکتورهای وزنی بهینه شده با فانتوم آب روی پیک‌های براگ ایجاد شده در بافت واقعی چشم (منحنی نقطه‌چین) و مقایسۀ آن با SOBP حاصل از شبیه‌سازی با فانتوم آب (منحنی مشکی) ....................................................................................................................... ........... ................. ..... ........ .......................106

شکل 4-30. طیف انرژی مربوط به شار نوترون‌های تولید شده به ازای هر پروتون در نازل HCL..........................................108

شکل 4-31. توزیع دوز ذرات ثانویه برحسب عمق در فانتوم آب برای فوتون ( )، نوترون ( ) و الکترون ( ) مربوط به نازل HCL......................................................................................................................................... ...........................................................109

فصل اول

تومورها و روش‌های مختلف درمان با پرتو

1-1- تعریف تومور و انواع آن

تومور[1] ، تودۀ غیرطبیعی بافت بدن است که در آن سلول‌ها تحت یک الگوی غیرعادی رشد کرده و تقسیم می‌شوند؛ بنابراین با افزایش تعداد چنین سلول‌هایی، تناسب میان آن‌ها و سلول‌های بافت سالم اطراف از بین می رود و با ادامۀ این‌ روند حتی بعد از توقف عامل الگوسازی غیرطبیعی، تومور به وجود می‌آید. انواع مختلف تومور را می‌توان در سه گروه دسته بندی کرد:

1. تومورهای خوش‌خیم که توانایی حمله به بافت‌های اطراف را ندارند. این مشخصه (حمله به بافت‌های اطراف) از ویژگی‌های یک تومور سرطانی است؛ بنابراین تومورهای خوش‌خیم، سرطانی نیستند و عموماً آهنگ رشد کمتری نسبت به تومورهای بدخیم دارند.

2. تومورها می‌توانند پیش‌بدخیم باشند؛ یعنی شکل اولیه و ابتدایی سرطان که در آن تهاجم سلول‌های تومور به بافت‌های اطراف، قبل از نفوذ به غشای پایه صورت نمی‌گیرد. به عبارت دیگر سلول‌های یک تومور پیش‌بدخیم، سر جای خود زیاد می‌شوند و اگر زمان کافی وجود داشته باشد، می‌توانند شکل بدخیم یا همان تومور سرطانی پیدا کنند.

3. تومورهای بدخیم که عموماً سرطان نامیده می‌شوند، قابلیت هجوم و تخریب بافت‌های اطراف را دارند و ممکن است سبب ایجاد متاستاز (گسترش سرطان از یک عضو یا بخش بدن به بخش‌های غیرمجاور) و درنهایت مرگ شوند.

تومورهای سرطانی ناشی از متاستاز تومورهای اصلی، نئوپلاسم ثانویه نام دارند؛ برای چنین سرطان‌های خاصی، تکرار فرآیند درمان مورد نیاز است؛ این فرآیند می‌تواند شیمی‌درمانی و یا پرتودرمانی باشد.

1-2- پرتودرمانی

پرتودرمانی که در آن از تابش‌های یونیزان استفاده می‌شود، عموماً بخشی از درمان سرطان است که به کمک آن سلول‌های بدخیم، کنترل و یا کشته می‌شوند؛ به‌عنوان مثال از پرتودرمانی می‌توان در کنار شیمی‌درمانی (قبل، بعد و یا در طول درمان) در سرطان‌های حساس و یا بعد از جراحی و برداشتن تومور بدخیم و اصلی استفاده کرد تا از بازگشت مجدد تومور جلوگیری شود. پرتودرمانی می‌تواند برای شماری از سرطان‌ها روش مؤثر درمان به شمار آید؛ به شرط آن که تومور در یک بخش از بدن قرار گرفته باشد.

اولین کاربرد پزشکی برای پرتوهای یونیزان در سال 1895، به اشعۀ ایکس برمی‌گردد [[i]-[ii]]. از دهه‌‌های بعد آن، پرتودرمانی به یکی از گزینه‌های اصلی درمان تبدیل شده است [[iii]]. جنبه‌های زیادی در پرتودرمانی، مانند مدل‌سازی‌های مختلف از تابش، جهت‌گیری پرتو و میزان دوز درنظرگرفته می‌شوند. تمرکز اصلی در تحقیقات و توسعۀ پرتودرمانی روی از بین بردن بافت سرطانی است؛ در حالی که حداقل تابش به بافت سالم برسد. در یک درمان ایده‌آل، تومور بدون آن که آسیبی به ساختارهای سالم وارد شود، درمان می‌گردد. این امر به دلایل مختلفی، از جمله عدم‌ قطعیت در تعریف حجم هدف و تحویل دوز درمانی طراحی شده، ممکن نیست؛ به‌علاوه به کار بردن پرتودرمانی خارجی، مستلزم نفوذ پرتو به بافت‌های سالم در مسیر عبور پرتو تا رسیدن به تومور است. در طراحی درمان برای پرتودرمانی از فرمول‌بندی‌های ریاضی و فیزیکی استفاده می‌شود تا تحویل دوز به مقدار زیاد و منطبق با هدف، به‌طور بهینه صورت گیرد و دوزی که به ساختارهای حیاتی و حساس می‌رسد، محدود شود. آستانۀ تحمل دوز برای ساختارهای حساس و همچنین دوز مورد نیاز برای انواع مختلف تومور براساس تجربه‌های درمانی تعریف می‌شود. بنابر آنچه که گفته شد، پیشرفت‌های فنی در پرتودرمانی عمدتاً مربوط به کاهش دوز به بافت سالم در حین تحویل دوز تجویز شده به هدف و یا افزایش دوز تحویلی به هدف، بدون تغییر در دوز رسیده به بافت سالم می‌باشد. سیستم‌های کامپیوتری طراحی درمان، پیشرفت در فناوری‌های عکسبرداری و معرفی اشعۀ ایکس از مرتبۀ مگاولت، نمونه‌هایی از روش‌های جدیدی هستند که دقت تحویل پرتو را در طول تاریخچۀ پرتودرمانی افزایش داده است. روش دیگر کاهش دوز به ساختارهای حساس، استفاده از انواع مختلف ذرات است [[iv]] که در بخش‌های بعد به طور مفصل به آن پرداخته خواهد شد.

1-2-1- مزایای پرتودرمانی

پرتودرمانی به‌عنوان یکی از روش‌های درمان سرطان، دارای مزیت‌هایی است. مزیت عمدۀ این ‌روش آن است که دوزیمتری تابش (تعیین مقدارتابش جذب شده) که بر پایۀ فیزیک بنا نهاده شده، امکان طراحی

 

پیش از درمان را برای تک تک بیماران پرتودرمانی فراهم آورده و میزان دوز جذبی مورد نیاز را با توجه به حجم درمانی و اندام‌های حساس و حیاتی محاسبه می‌کند؛ اما در درمان با روش‌های دارویی یا عوامل زیستی، تلاش‌ها برای رسیدن به کمیت‌های قابل مقایسه همچنان ادامه دارد. مزیت دیگر، قابلیت عبور پرتو از مناطق بدون جریان خون یا جابه‌جایی فعال سلول‌ها است؛ چنین مناطقی در روش‌های دارویی از دستیابی به داروهای مورد نظر محروم می‌مانند؛ ضمن اینکه در این نوع درمان‌ها، پس از مدتی بافت مورد نظر نسبت به دارو مقاوم می‌شود؛ چنین حالتی در پرتودرمانی بسیار کم رخ می‌دهد.

1-2-2- فرآیند کلی پرتودرمانی

انرژی پرتو از طریق برهم‌کنش‌های اتمی و هسته‌ای به بافت منتقل می‌شود. تخلیۀ انرژی در بافت در چنین برهم‌کنش‌هایی به وسیلۀ دوز جذبی تعیین می‌گردد. بسته به تعداد و همبستگی فضایی چنین برهم‌کنش‌هایی که عمدتاً با DNA سلولی صورت می‌گیرند، این برهم‌کنش‌ها می‌توانند به جهش یا شکست کامل رشته‌های DNA و به دنبال آن مرگ سلول منجر شوند [4]. آسیب وارد شده به DNA،ناشی از یونش مستقیم و یا غیرمستقیم اتم‌هایی است که زنجیرۀ DNA را تشکیل می‌دهند. نوع این یونش وابسته به نوع پرتو فرودی است؛ این پرتو می‌تواند از ذرۀ باردار و یا خنثی تشکیل شده باشد.

یونش غیرمستقیم نتیجۀ یونش مولکول‌های آب است که منجر به تولید رادیکال‌های آزاد و به‌ویژه رادیکال‌های هیدروکسیل می‌شود و موجب آسیب رساندن به DNA می‌گردد. در فوتون‌تراپی، بیشترین اثر تابشی از طریق رادیکال‌های آزاد صورت می‌گیرد. از آنجایی که سلول‌ها، فرآیند‌هایی برای بازسازی آسیب تک‌رشته‌ای DNA دارند، شکست‌های دو‌رشته‌ای، مهم‌ترین روش برای ایجاد مرگ سلولی است. سلول‌های سرطانی بیشتر شبیه سلول‌های بنیادی هستند و بیشتر از سلول‌های سالم، بازتولید می‌شوند و توانایی کمی برای بازسازی آسیب وارد شده دارند. آسیب‌های وارده به DNA از طریق تقسیم سلولی انتقال داده می‌شوند و انتقال این DNA معیوب در نهایت موجب مرگ سلول و یا بازتولید بسیار آهسته‌تر سلول‌های سرطانی می‌گردد.

1-2-3- انواع پرتودرمانی

از دید تاریخی سه تقسیم‌ بندی عمده برای پرتودرمانی وجود دارد:

1. درمان با استفاده از تابش خارجی پرتو[2]
2. درمان با استفاده از قرارگیری چشمۀ پرتو در داخل بدن[3]
3. درمان با استفاده از سیستم‌های رادیوایزوتوپی

اختلاف در این دسته‌‌بندی به موقعیت چشمۀ تابشی مربوط می‌شود. در تابش خارجی، چشمه در بیرون از بدن قرار دارد. در براکی‌تراپی، چشمه‌‌های رادیواکتیو در منطقۀ تحت درمان قرار داده می‌شوند. این چشمه‌ها می‌توانند موقتی یا دائمی ‌باشند. رادیوایزوتوپ‌ها نیز به وسیلۀ تزریق وارد بدن می‌گردند.

پرتوهای الکترون و اشعۀ ایکس از جمله چشمه‌های خارجی هستند که به طور گسترده استفاده می‌شوند؛ البته پرتوهای ذرات سنگین‌تر و به‌ویژه پروتون‌ها نیز به‌عنوان چشمه‌های خارجی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه به توضیح مختصری دربارۀ انواع چشمه‌های موجود در پرتودرمانی خارجی می‌پردازیم.

1-2-3-1- فوتون‌تراپی

از چشمه‌های رادیواکتیو مانند ایریدیوم-192، سزیم-137 و یا کبالت-60 به منظور تأمین پرتوهای فوتون مورد استفاده در پزشکی و درمان استفاده می‌شود. محدودۀ انرژی این پرتوها بین keV300 تا MeV5/1 می‌باشند. سایر منابع تولید فوتون در پرتودرمانی عبارتند از:

ü واحدهای اورتوولتاژ[4] که اساساً طراحی مشابه سیستم‌های تشخیصی اشعۀ ایکس دارند و به تولید پرتوهای کمتر از kV 600 محدود می‌شوند.

ü شتاب‌دهنده‌های خطی[5] که اشعۀ ایکس را در محدودۀ انرژی MV 25-1 تولید می‌کنند. در حال حاضر شتاب‌دهنده‌های خطی مربوط به پزشکی، اشعۀ ایکس و الکترون را با محدودۀ انرژی MeV4 تا حدود MeV25 تولید می‌کنند. پرتودرمانی سنتی[6]، پرتودرمانی تطبیقی[7]، پرتودرمانی با شدت مدوله شده ( IMRT )[8] ، پرتودرمانی استریوتاکتیک[9] و توموگرافی همگی به وسیلۀ شتاب‌دهنده‌های خطی با کمی اصلاحاتو تغییرات انجام می‌شوند.

 

ü چشمه‌های کبالت که پرتوهای پایدار با دو انرژی MeV 17/1 و MeV 33/1 (انرژی میانگین MeV25/1) تولید می‌کنند. با وجود آن‌که شتاب‌دهنده‌های خطی به دلیل توانایی در تولید پرتوهایی با انرژی بالاتر، جایگزین بخشی از چشمه‌های کبالت شده‌اند؛ اما این چشمه‌ها هنوز هم در کاربردهای خاص (به‌عنوان مثال در دستگاه گامانایف[10]) نقش مفیدی را ایفا می‌کنند و به دلیل قابل اعتماد بودن و نگهداری آسان‌تر نسبت به شتاب‌دهنده‌های خطی جدید، استفادۀ گسترده‌ای در جهان دارند.

1-2-3-2- الکترون‌تراپی

در الکترون‌تراپی، از الکترون‌های تولید شده به‌وسیلۀ شتاب‌دهنده‌های خطی استفاده می‌شود. از این‌ روش برای درمان تومورهای سطحی مانند سرطان پوست استفاده می‌گردد؛ زیرا بیشینه دوز تخلیه شده در نزدیکی سطح اتفاق می‌افتد و بعد از آن دوز به سرعت افت پیدا می‌کند. پرتوهای الکترون انرژیی در محدودۀ MeV 20-4 می‌توانند داشته باشند که برد درمانی آن‌ها در آب حدود cm 5-1 است؛ البته از انرژی‌های بالاتر از MeV 18 به ندرت استفاده می‌شود. از الکترون‌تراپی برای تقویت دوز تابشی بعد از جراحی در بعضی سرطان‌ها نیز استفاده می‌گردد.

 

[1] Neoplasm

[2] External Beam Radiation Therapy

[3] Brachytherapy

[4] Orthovoltage

[5] Linear accelerators

[6] Conventional radiotherapy

[7] Conformal radiotherapy

[8] Intensity Modulated Radiation Therapy

[9] Stereotactic radiotherapy

[10] Gamma knife

 

فهرست مراجع

 

[i]-Roentgen WC. “Uber eine neue art von strahlen.” Sitzungsberichte der wuurger physikalis chmedicinischen gesellschaft. 137-41. 1895.

[ii]-Roentgen WC. “On a new kind of rays.” Nature. 53(1369):274-276. 1896.

[iii]-Hewitt HB. “Rationalizing radiotherapy: some historical aspects of the endeavour.” Br J Radiol. 46(550):917-926. 1973.

[iv]-Paganetti H. “Series in medical physics and biomedical engineering: proton therapy physics.” CRC press, Taylor & Francis group. 2012.