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 ماده 24

 

 

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 کنش‌پذیر 44

 

 

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 پروتون‌. 62

 

 

    فصل سوم مشخصات فیزیکی شتاب‌دهنده‌های 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 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-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 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 شتاب‌دهنده 98

 

 

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

 

 

فهرستی از مراکز پروتون‌تراپی [33] 23

 

 

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

 

 

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

 

 

ساختارهای داخلی چشم و ابعاد آن‌ها [104] 100

 

 

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

 

 

ضرایب وزنی بهینه کنندۀ پیک‌های 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 شکل‌‌ها

 

 

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 فوتون‌تراپی در مقایسه با پروتون‌تراپی…. 10

 

 

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

 

 

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

 

 

نمای کلی از پراکندگی رادرفورد. 31

 

 

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

 

 

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

 

 

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

 

 

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

 

 

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

 

 

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

 

 

سطح مقطع برهم‌کنش ناکشسان برحسب برد پروتون فرودی [40] 39

 

 

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

 

 

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

 

 

نمایش سهم هر کدام از پدیده‌های فیزیکی در شکل‌گیری پیک براگ [4] 41

 

 

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

 

 

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

 

 

نمایش پارامترهای فیزیکی توصیف‌کنندۀ توزیع دوز SOBP [4] 44

 

 

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

 

 

SOBP با پهناهای مختلف وابسته به تعداد پیک براگ‌های به‌کار گرفته شده [4] 46

 

 

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

 

 

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

 

 

نمونه‌ای 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 جهت‌های 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 منحنی‌شکل.. 53

 

 

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

 

 

نمایی از سیستم پراکندگی دوگانه با استفاده از پراکنندۀ دوحلقه‌ای.. 55

 

 

نمایش توزیع دوز ایجاد شده توسط هر بخش از پراکنندۀ دو حلقه‌ای و برهم‌نهی آن‌ها [81] 55

 

 

نمایی از سیستم پراکندگی دوگانه با استفاده از حلقه‌های مسدودکننده 56

 

 

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

 

 

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

 

 

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

 

 

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

 

 

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 ©، موازی‌ساز مخروطی شکل (D) و موازی‌ساز مخصوص بیمار (E) می‌باشد [114]……………………………………………………………………………………………………………………………………….78

 

 

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

 

 

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

 

 

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